核能行业研究报告：裂变支撑当下，聚变引领未来

2025年10月31日 裂變支撐當下，聚變引領未來：持續關注核聚變技術發展及產業鏈投資機會 作者 艾德金融研究部聯絡電話：(00852)38966300電郵：research@eddid.com.hk 核心觀點及邏輯 核裂變技術是中短期內核能開發與利用的核心支柱，市場需求持續旺盛。中國在建核電機組數量與裝機容量均居世界首位，裝備製造與燃料加工環節國產化率高。目前中國核電佔總發電量的比重僅5%左右，遠低於全球平均9%和法國65%的水平。未來十年核裂變新增裝機需求將持續擴大。 核聚變技術商用化仍有大量挑戰，持續關注技術突破進程。當前核聚變仍處於從實驗驗證向工程可行性跨越的階段，能量增益、等離子體約束穩定性、材料耐輻照性能、氚自持迴圈及散熱管理等關鍵技術尚未完全突破。雖然ITER、EAST、SPARC等專案已實現高溫長脈衝等階段性成果，但距離商業化發電仍需15–20年。建議持續關注全球示範堆建設進度，以及在高溫超導磁體、第一壁與包層材料、氚增殖系統、真空與低溫系統集成、AI即時控制演算法等方向的技術突破。 數據來源： 相關報告 無 核聚變產業鏈孕育巨量投資機會。上游材料方面，在鎢資源領域，關注佳鑫國際資源（03858.HK）；鎳資源領域，關注力勤資源（02245.HK），金川國際（02362.HK）；防輻射材料-中子遮罩新材料領域，關注天工國際（00826.HK）。中游核心設備建造部分，關注東方電氣（01072.HK）、上海電氣（02727.HK）等相關企業。下游商業化及電站運營部分，關注中廣核電力（01816.HK）。 長期趨勢指向“裂變支撐當下、聚變引領未來”的核能能源格局。二者在不同階段將分別承擔關鍵使命並形成有效銜接。在核聚變技術實現商業化應用前（預計2050年前後），核裂變憑藉成熟的技術體系、穩定的發電能力，將持續作為能源安全與碳減排的核心支撐。若核聚變實現商用，有望成為新一代主力能源；屆時核聚變不僅能滿足全社會激增的電力需求，還將與AI數據中心、氫能製備、先進製造等高耗能產業深度融合，徹底重塑全球能源生產與消費模式。 目錄 1.核能概況..................................................................11.1核能的定義與分類.....................................................11.2全球能源結構中的核能定位.............................................12.核裂變技術................................................................22.1核裂變技術原理.......................................................23.核聚變技術................................................................43.1核聚變技術原理.......................................................43.2核聚變技術難點與挑戰.................................................73.3全球主要核聚變專案...................................................83.4核聚變商業化路徑與重要時間節點......................................114.核能產業鏈...............................................................124.1核裂變產業鏈........................................................124.2核聚變產業鏈........................................................145.核能市場規模與潛力.......................................................155.1核裂變市場規模和潛力................................................155.2核聚變市場規模和潛力................................................176.總結.....................................................错误！未定义书签。分析員聲明..................................................................18 圖1核裂變反應微觀示意圖.................................................2圖2核裂變反應堆的核心結構示意圖.........................................3圖3核聚變反應微觀示意圖.................................................4圖4托卡馬克結構剖面圖...................................................6圖5 2025年1-9月全國發電量統計分佈....................................16圖6 2024年1月至2025年9月全國運行核電機組發電量趨勢.................16圖7 2024年1月至2025年9月全國運行核電機組上網電量趨勢...............17 表1核聚變磁約束技術與慣性約束技術的差異.................................7 1.核能概況 1.1核能的定義與分類 核能是通過核反應（核裂變或核聚變）釋放原子核內部能量，並將其轉化為電能、熱能等可利用形式的能源。根據核反應類型的不同，核能可分為核裂變能和核聚變能兩大核心類別，二者在反應原理、技術成熟度、應用場景上存在顯著差異。 1.2全球能源結構中的核能定位 在全球“碳中和”與能源安全雙重目標下，核能已成為基荷能源（指能夠24小時連續、穩定輸出電力，且出力波動極小的能源類型）的核心組成、零碳轉型的關鍵支柱、能源結構多元化的戰略選項——它既彌補了可再生能源的間歇性短板，又規避了化石能源的碳排放與地緣風險，在全球能源體系中佔據不可替代的特殊地位，具體可從三大核心定位展開。 第一，核能可以填補可再生能源的穩定性缺口。核能穩定性遠超可再生能源，全球核電機組平均年利用率達85.7%（2024年數據），法國、韓國等核電大國利用率超90%，單機組可連續運行12-18個月才停機換料；而光伏、風電受天氣影響，年利用率僅15%-35%，需依賴儲能或其他電源調峰。以德國為例：2023年棄核後，其風電、光伏出力波動導致電網頻繁依賴法國核電“跨省調峰”，2024年冬季用電高峰時，法國核電對德輸電佔比達18%，凸顯核能的基荷支撐作用。 第二，核能是零碳轉型核心主力。在全球“2050碳中和”目標下，核能是“唯一能大規模替代化石能源的零碳基荷電源”，其碳排放強度遠低於其他能源，且全生命週期碳排放可控。根據國際能源署（IEA）數據，核能全生命週期碳排放僅為4gCO₂eq/kWh（含鈾礦開採、燃料加工、機組建設、退役），僅為煤電（820gCO₂eq/kWh）的1/205、天然氣發電（490gCO₂eq/kWh）的1/122，與風電（12gCO₂eq/kWh）、光伏（48gCO₂eq/kWh）接近，且無污染物（如PM2.5、氮氧化物）排放。2024年全球核電年發電量約2.8萬億千瓦時，折合減少碳排放16.8億噸（按煤電替代計算），佔全球年度碳減排總量的12%。 第三，核能可以作為能源安全戰略緩衝，降低對化石能源的地緣依賴。全球能源地緣格局高度不均（中東佔全球石油儲量48%、俄羅斯佔天然氣儲量24%），核能憑藉“燃料運輸量小、資源分佈廣”的特性，成為降低化石能源依賴、保障國家能源安全的關鍵選項。全球鈾資源分佈相對均衡（澳大利亞佔30%、哈薩克斯坦佔25%、加拿大佔15%），且可通過“乏燃料再處理”實現鈾資源迴圈利用（法國再處理率達95%，鈾利用率提升50倍）。相比之下，石油、天然氣的進口依賴易受地緣衝突影響（如俄烏衝突導致歐洲天然氣價格暴漲10倍），而核能的燃料供應鏈更穩定，抗風險能力更強。 2.核裂變技術 2.1核裂變技術原理 核裂變能的核心是重原子核在中子轟擊下分裂為輕原子核，同時釋放能量與新中子的可控鏈式反應。關鍵原理可拆解為“反應觸發-鏈式維持-能量傳遞”三環節。 在反應觸發階段，用慢中子（能量約0.025eV，也稱“熱中子”）撞擊鈾-235原子核，使其吸收中子後形成不穩定的“鈾-236復核”；鈾-236在極短時間（10⁻¹²秒）內分裂為2個輕原子核（如氪-92、鋇-141），同時釋放2-3個快中子與γ射線，伴隨品質虧損（約0.215原子品質單位），虧損品質按E=mc²轉化為能量（1個鈾-235原子核裂變釋放約200MeV能量，相當於2700噸標準煤/噸鈾的熱量）。 圖片來源：ChemistryLibreTexts 在鏈式維持階段，鏈式反應需達到“臨界狀態”，即中子產生量≥中子消耗量（含中子洩漏與被非裂變核素吸收），商用反應堆通過三項核心設計實現這一狀態：一是提升燃料富集度，將天然鈾中僅佔0.7%的可裂變核素鈾-235濃縮至3%-5%（壓水堆標準），確保可裂變核素佔比滿足反應需求；二是配置慢化劑與反射層，以水等慢化劑減速裂變產生的快中子（使其更易觸發新裂變），以石墨等反射層反射即將逃逸的中子，減少中子損失；三是設定最小堆芯體積（如壓水堆堆芯直徑約3米、高約4米），避免中子因堆芯過小而過多逃逸。同時，為即時控制中子密度以調節反應強度，反應堆通過“控制棒+硼水調節”雙重機制實現精准調控：控制棒由硼、鎘等強中子吸收材料製成，插入堆芯可吸收中子以降低功率，拔出則減少吸收以提升功率，緊急情況下可快速插入實現“停堆”；壓水堆的冷卻劑中會溶解硼酸，通過調節硼濃度可微調中子數量，適配日常用電負荷變化帶來的功率需求波動。 圖2展示的是壓水堆核反應爐堆芯結構（PressurizedWaterReactorCore）的示意圖。左側（a）為堆芯的剖面圖，外層為鋼制壓力容器（SteelPressureVessel），用於承受高溫高壓並防止放射性洩漏。內部排列著大量燃料棒（Fuel Rods），它們裝有鈾燃料芯塊，是核裂變（Fission）釋放能量的主要來源。冷卻水（Coolant）從下方進入，流經燃料棒之間吸收熱量後，從上部流出，將裂變產生的熱能帶走。 圖中穿插於燃料棒之間的金色細棒為控制棒（ControlRods），由硼（Boron）或鎘（Cadmium）等強吸中子材料製成，用於調節中子數量與反應速率。通過插入或拔出控制棒，反應堆可以實現功率調節或緊急停堆（Shutdown）。燃料棒與控制棒由格架（Grid）固定，以保持穩定的幾何結構並確保冷卻水均勻流動。 右側（b）展示了單個燃料組件（FuelAssembly）的三維結構：灰色棒為燃料棒，金色棒為控制棒。這樣的組件通常成百上千個組合在堆芯內部，構成反應堆能量釋放的主體區域。整套系統實現了核能→熱能→機械能→電能的能量轉換，是商用核電站發電的核心部分。 圖片來源：ChemistryLibreTexts 在能量傳遞階段，核裂變釋放的能量99%以熱能形式存在，需通過“三回路系統”完成“熱能→機械能→電能”的轉化，整個過程以“隔離放射性”和“提