可控核聚变：0-1产业落地可期

摘要什么是可控核聚变？核聚变能是具有清洁、安全、可持续等优点的终极能源。聚变能源具有反应释放能量大、运行安全可靠、燃料来源丰富、环境污染小等特点，有望成为一种可以大规模市场化供应的商业能源，在未来提供稳定的能源输出与电力供应。核聚变反应中有两个关键参数：聚变三乘积（即劳逊判据）以及聚变增益因子（即Q值），满足劳逊条件才可实现点火，提升Q值是促进可控核聚变商业化的关键。核聚变的技术路径如何？为了持续输出反应能量，对于聚变等离子体的有效约束是关键。通常对于此类高温等离子体的约束方式有3种，即引力约束、惯性约束，以及磁约束。在3种约束方式中，引力约束无法在地球上实现，惯性约束难以实现持续的聚变功率输出，因此磁约束核聚变是实现聚变能开发的有效途径。托卡马克是当下研究最为广泛、也是未来最有可能实现可控核聚变的磁约束聚变装置。根据2025年7月24日IAEA网站统计数据显示，目前全球共有25个国家或机构正在开展托卡马克规划、建设和运行，涉及的装置数量高达79个，其中57个装置处于运行状态，7个装置处于建设中，另有15个装置处于规划建设阶段。国内外聚变能源迎来发展窗口期。海外来看，2025年2月，美国HelionEnergy计划在建造世界首座核聚变发电厂，预计在2028年开始为微软数据中心发电。2025年6月，谷歌母公司Alphabet与联邦聚变系统公司（CFS）签署了200兆瓦核聚变电力采购协议。同时，英国、德国、俄罗斯等积极推动聚变电站布局，多个项目预计在2030年代投运。国内来看，重点项目合肥BEST（紧凑型聚变能实验装置）于2025年1月启动了工程总装，比预计时间提前2个月，项目将于2027年完工，有望成为世界首个开展氘氚稳态燃烧的实验装置，国内主要核聚变研究机构招标加速。我们认为后续随着国内外主要聚变装置落地加速，技术领先&有供应核心部件/材料积累企业的获单能力强，有望率先受益。受益标的：①磁体系统：国光电气、联创光电等；②高温超导带材：精达股份、永鼎股份等；③真空室：合锻智能、派克新材等；④杜瓦：航天晨光等；⑤偏滤器：安泰科技等；⑥磁体电源：爱科赛博、英杰电气、四创电子等；⑦配套设备：旭光电子等。风险提示：可控核聚变项目建设、招投标进度不及预期；可控核聚变技术瓶颈风险；可控核聚变技术路线变化风险；海内外支持政策变化风险等。 核聚变能是具有清洁、安全、可持续等优点的终极能源。聚变能源具有反应释放能量大、运行安全可靠、燃料来源丰富、环境污染小等特点，有望成为一种可以大规模市场化供应的商业能源，在未来提供稳定的能源输出与电力供应。主要优势具体来看，•反应放能效率高：聚变反应将质量转化为能量，根据爱因斯坦著名的质能方程E=mc2可知很小的质量转化为巨大的能量，所以聚变反应的放能效率极高。•运行安全可靠：聚变反应需要极为苛刻的实现条件，在发生严重事故的情况下可以较为便捷地实现停堆，从而避免熔堆事故的发生。•燃料来源丰富：聚变发电所需要的直接燃料是氘和氚。氘是很容易获得的，因为每6700份水中就有一份是氘。如果考虑到所有的海水，则有总量超过1015t的氘，足可以近乎于无限地提供我们所需要的能量。氘可以采用电解水的方法直接从水中提取，成本很低。然而氚在地球上并不天然存在，因为它是半衰期为12.3年的放射物。所以作为一种燃料，氚只能通过人工制造得到。最方便的产氚方式是中子和锂的反应。目前，有足够的锂可以至少维持几万年。所以，聚变燃料必需的原材料锂和水的储量相当丰富，而且这些原材料分布广泛，任何一个国家不可能垄断市场。•环境污染小：聚变产物没有长寿命的放射性废物，这将极大简化核电站的废物管理措施，同时减小核电站退役后对于环境的长期影响。图：聚变堆主循环原理示意图资料来源：王腾《我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望》，华西证券研究所 什么是可控核聚变？现有核电站采用的是核裂变技术，在较重原子核分裂为较轻原子核过程中获得能量。而核聚变反其道行之，是两个轻原子核结合形成一个较重原子核，同时释放大量能量的过程。核聚变又称热核反应，核聚变过程中，两个较轻的原子核通过碰撞结合产生一个更重的原子核，并在这个过程中损失一部分质量，以能量的形式释放出来。质量小的原子，在一定条件下(如超高温和高压)，能让核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，中子虽然质量比较大，但是由于中子不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。氘（D）-氚（T）反应是核聚变堆设计采用的主要方式。核聚变的原料是氢（氕（H）、氘（D）、氚（T）），聚变反应的产物主要是氦（He）、铍（Be）和能量。D-T反应速率高并且反应截面较大，同时它所需的原料D容易获取，另一原料T虽然自然界中存在甚少，但可以通过中子轰击锂6得到，因此D-T反应是几种聚变反应中最具有科学可行性的反应，也是目前聚变堆设计的主要方向。1.1图：核裂变示意图资料来源：碳中和投资研究公众号，华西证券研究所 图：核聚变示意图资料来源：碳中和投资研究公众号，华西证券研究所图：几种主要的聚变反应截面以及最大反应截面所对应的温度资料来源：现代物理知识杂志，华西证券研究所 1.1什么是可控核聚变？核聚变反应中有两个关键参数：聚变三乘积（即劳逊判据）以及聚变增益因子（即Q值）满足劳逊条件才可实现点火。劳逊判据的核心是单位时间内聚变反应释放的能量必须大于系统损失的能量。具体来说，等离子体密度、能量约束时间和温度的乘积必须大于某个特定值，才能产生有效的聚变功率，从而实现核聚变反应的持续进行，这三者的乘积被称为“劳逊判据”。当满足劳逊判据时，意味着达到了核聚变的点火条件，即聚变反应可以自持地进行，无需再从外界输入能量。提升Q值是促进可控核聚变商业化的关键。Q值即聚变能量增益因子，定义为聚变反应产生的输出功率与外界输入装置的功率之比。•Q=1：输出能量与输入能量达到平衡。•Q≥5：由于能量输入和输出过程会有能量损耗，为了保证反应时长，需要更高Q值（至少达到Q=5）才可能在不需要外部加热的条件下实现自我维持，达到真正的点火条件。•Q≥10：如果再考虑到反应堆的建设和运营等成本，则Q值至少等于10达到经济平衡。•Q＞30：核聚变发电站有望实现商业化。2022年12月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）首次实现了“净能量增益”，即聚变输出的能量超过输入能量；2025年4月7日，美国国家点火装置（NIF）实现第八次聚变点火，产生聚变能量8.6MJ，靶能量增益因子Q值达到4.13，是全球首次实现靶Q值超过4倍的可控核聚变反应。图：获得核聚变反应的三要素资料来源：王腾《超导磁体技术与磁约束核聚变》，华西证券研究所 图：NIF近年来在八次聚变点火实验中的靶能量增益Q值记录及变化趋势资料来源：上海电气集团中央研究院公众号，华西证券研究所 可控核聚变的技术路径如何？1.2磁约束是目前实现聚变能开发的最有效途径。核聚变反应对于温度的要求非常高，通常需要达到上亿摄氏度。在如此高的温度下，气体分子将被完全电离，此时物质以高温等离子体（完全电离的气体）形态存在。为了持续输出反应能量，对于聚变等离子体的有效约束是关键。通常对于此类高温等离子体的约束方式有3种，即引力约束、惯性约束，以及磁约束。在3种约束方式中，引力约束无法在地球上实现，惯性约束难以实现持续的聚变功率输出，因此磁约束核聚变是实现聚变能开发的有效途径。引力约束原理主要是靠强大的万有引力来提供对聚变燃料的约束力，比如太阳的万有引力使日核区的氢不断往中心挤压，从而形成很高的密度，再加上太阳有足够长的能量约束时间，使得核聚变反应得以持续发生。示意图表：聚变约束的三种途径资料来源：王腾《超导磁体技术与磁约束核聚变》，华西证券研究所 惯性约束磁约束以多束极高精度的激光从四面八方向一个非常微小的聚变燃料丸倾注巨大的能量，产生瞬间的高温和高压，巨大的压力使聚变燃料的密度在短时间达到极限值，从而引发核聚变反应。利用磁场对运动原子核产生的洛伦兹力产生约束，聚变燃料在极高温下会完全电离为由原子核和自由电子组成的等离子体，倘若让这团等离子体置身于强磁场的空间，带电的原子核与电子在垂直于磁场方向不再自由只能沿着磁场方向做回旋运动，从而受到约束。 1.2可控核聚变的技术路径如何？托卡马克是未来最有可能实现可控核聚变的聚变装置。磁约束核聚变装置主要有托卡马克、仿星器等。托卡马克在1958年由前苏联科学家发明，主要由环形真空室、产生磁场的磁体和其他辅助设施组成。托卡马克的优点在于：①结构简单、造价低，只需要真空室和磁体，磁体中线圈的结构是规则的，造价便宜且生产周期更短，装置迭代也更快。②加热成本低，可以直接依靠磁体进行加热。因此，托卡马克是目前全球各国投入最大、最接近可控核聚变条件、技术发展最成熟的途径，约占全球核聚变装置的50%。图：托卡马克装置图资料来源：张家龙等《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》，华西证券研究所 图：仿星器中线圈配置资料来源：张家龙等《磁约束可控核聚变装置的磁体系统综述》，华西证券研究所 1.2高温超导托卡马克装置具备建造成本较低、建设时间较短的优势，其技术应用加速了可控核聚变商业化发展。托卡马克装置的性能很大程度上取决于约束磁场的强度。传统技术路线依赖于增大装置尺寸以获得高能量增益，高温超导磁体技术提供了新的可能性。•据北京大学校园报，美国麻省理工学院与美国联邦聚变系统公司（CFS）提出了将高温超导磁体应用于托卡马克装置的新方案，使得在仅有ITER装置四十分之一体积和建造成本的条件下，有望实现与ITER相当的聚变功率输出。•据上海证券报，低温超导托卡马克以国际热核实验堆计划（ITER）为代表，直径28米，最高磁场强度12-13T，建造成本达250亿欧元，建设时间20-30年；以洪荒170和SPARC为代表的高温超导托卡马克，直径7米-8米，最高磁场强度23T，建造成本5亿-10亿美元，建设时间3-4年。高温超导材料的突破性应用与AI技术在等离子体控制领域的深度融合，提高了装置的磁场强度与等离子体约束能力，促成了装置尺寸的显著缩小（装置尺寸与磁场强度的四次方成反比），进而大幅降低了单个装置的制造成本与建设周期，紧凑型托卡马克应运而生，商业化核聚变公司加速兴起。项目所涉材料磁场强度磁体体积及重量磁体体积及重量较大成本需要在液氦环境（4.2K，即-269℃）下工作。由于氦气是一种稀有资源，我国氦气资源贫乏，目前主要依赖进口，因此使用成本较高。主要应用领域磁共振成像、核磁共振波谱分析、可控核聚变、超导磁控单晶炉等。表：高温超导材料和低温超导材料特性对比资料来源：上海超导科创板首次公开发行股票招股说明书（申报稿），华西证券研究所可控核聚变的技术路径如何？ 低温超导材料高温超导材料NbTi/Nb3Sn等BSCCO/REBCO等0-15T0-30T以上磁体体积及重量较小可在液氮环境（77K，即-196℃）下工作，而液氮资源丰富，制备技术成熟，价格远低于液氦，在制冷成本及制冷能耗上具有明显优势。可控核聚变、超导电力、超导磁控单晶炉、超导感应加热装置等。 可控核聚变的进展如何？1.3多国积极推动托卡马克装置相关技术发展。托卡马克装置方案由苏联库尔恰托夫研究所的科学家阿齐莫维齐及其团队于20世纪50年代提出。自20世纪90年代起，在磁约束核聚变领域，美国的TFTR、欧盟的JET、日本的JT-60U三大托卡马克均取得里程碑式的研究进展。1984年，我国磁约束核聚变领域首个大科学装置——中国环流器一号（HL-1）托卡马克建成。“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”七方30多个国家在法国南部共同建造一个世界上最大的托卡马克型核聚变实验堆,以验证磁约束核聚变能利用的科学与工程技术可行性,将实现400s时间聚变功率增益大于10,在3000s的时间聚变功率增益大于5的可控核聚变。图：TFTR装置内部结