国信证券：可控核聚变商业化加速，能源发展有望迎来新突破.pdf

请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 | 2023年 08月 15日超 配大 国 碳 中 和 之 可 控 核 聚 变可 控 核 聚 变 商 业 化 加 速 ， 能 源 发 展 有 望 迎 来 新 突 破核 心 观 点 行 业 研 究 行 业 专 题公用事 业超 配 维 持 评 级 证 券 分 析 师 黄 秀 杰 证 券 分 析 师 郑 汉 林021-61761029 0755-81982169huangxiujieguosen.com.cn zhenghanlinguosen.com.cnS0980521060002 S0980522090003市 场 走 势 资 料 来 源 Wind、 国 信 证 券 经 济 研 究 所 整 理相 关 研 究 报告 大 国 碳 中 和 之 新 型 电 力 系 统 -灵 活 性 调 节 需 求 释 放 ， 虚 拟 电 厂大 有 可 为 2023-08-15 公用环 保 202308 第 2 期 -山 西 、 山 东 完 善 辅 助 服 务 相 关 政 策 ，欧 洲 天 然 气 价 格 大 涨 2023-08-14 公用环 保 2023 年 8 月 投 资 策 略 -绿 证 全 覆 盖 促 进 绿 电 消 费 ， 消纳 权 重 稳 步 提 升 2023-08-06 公用环 保 202307 第 5 期 -23H1 光 伏 发 电 装 机 加 速 ， 天 然 气 消 费量 同 比 增 长 5.6 2023-07-31 绿 电 行 业 专 题 -多 重 因 素 边 际 改 善 ， 绿 电 板 块 有 望 迎 来 修 复 2023-07-24 可 控 核 聚 变 兼 具 三 大 优 势 ， 能 源 发 展 有 望 迎 来 新 突 破 。 能 量 密 度 高 据 测算 ， 目 前 主 要 研 究 方 向 的 氘 氚 聚 变 中 ， 1 克 氘 氚 气 体 聚 变 产 生 的 能 量 约等 于 5 克 铀 235 裂 变 或 18 吨 5500 大 卡 煤 炭 燃 烧 所 释 放 的 能 量 。 原 料 来源 广 泛 氘 可 以 通 过 提 取 并 电 解 海 水 中 的 重 水 获 得 ， 而 氚 可 以 通 过 热 中子 轰 击 锂 6 原 子 得 到 。 根 据 我们 的 简 单 测 算 ， 氘 氚 聚 变 的 燃 料 成 本约 为0.0050元 /kWh。 安 全 性 高 原 料 和 产 物 放 射 性 相 对 可 控 ， 不 产 生 放 射 性乏 燃 料 ； 聚 变 反 应 可 通 过 停 止 燃 料 供应 立 刻 中 断 ， 不 存 在 熔 毁 风 险 。积 极 参 与 ITER项 目 ， 国 内 两 大 试 验 堆 取 得 多 项 成 果 。 目 前 世 界 规 模 最 大 的试 验 堆 是 多 国 合 作 的 ITER 项 目 ， 最 新 预 期 2029年 完 工 。 我国 最 主 要 的两 个 聚 变 试 验 堆 分 别 是 HL-2M 和 EAST， 已 取 得 1MA等 离 子 体 电 流 、 1 亿度 等 离 子 体 温 度 和 1000秒 等 离 子 体 约 束 时 间 等 多 项 成 果 。 此 外 ， CFETR项 目 正 在 建 设 ， 其 中 二 期 项 目 规 划 达 到 1GW功 率 ， 能 量 增 益 因 子 达 到 10，预 计 2035年 建 成 。磁 约 束 是 主 要 的 研 究 方 向 ， 托 卡 马 克 装 置 成 熟 度 较 高 。 根 据 聚 变 堆 约 束 等 离 子 体 的 方 式 可 将 可 控 核 聚 变 分 为 磁 约 束 、 惯 性 约 束 和 重 力 约 束 ， 目 前以 能 源 为 目 的 的 研 究 主 要 聚 焦 于 磁 约 束 方 向 。 磁 约 束 的 典 型 装 置 中 ， 环形 托 卡 马 克 被 认 为 是 最 有 可 能 实 现 可 控 核 聚 变 的 装 置 。 此 外 ， 球 型 托 卡马 克 主 要 用于 基 础 物 理 研 究 ， 而 仿 星 器 仍 存 在 新 古 典 运 输 等 难 点 。高 温 超 导 突 破 ， 有 望 提 升 聚 变 堆 参 数 。 高 性 能 磁 约 束 聚 变 堆 需 要 使用超 导磁 线 圈 ， 世 界 首 座 非 圆 截 面 全 超 导 托 卡 马 克 EAST 装 置 仍 使用低 温 超 导体 ， 冷 却 成 本较 高 。 1986 年 发 现 镧 -钡 -铜 -氧 化 合 物 超 导 性 质 后 ， 高 温超 导 材 料 有 较 大 的 发 展 ， 临 界 温 度 最 高 已 达 250K（ -23℃ ） 。 若 未 来 可以 发 现 临 界 温 度 更 高 的 高 温 甚 至 室 温 超 导 材 料 并 用于 聚 变 堆 磁 线 圈 ， 聚变 堆 性 能 有 望 进 一 步 提 高 。AI发 展 超 预 期 ， 助 力 仿 真 、 设 计 和 控 制 环 节 。 由 于 聚 变 过 程 的 复 杂 性 ， 其模 拟 仿 真 、 装 置 设 计 及 控 制 存 在 一 定 的 困 难 。 人 工 智 能 的 不 断 发 展 和 算力 的 持 续 提 升 有 望 提 高 聚 变 研 究 和 设 计 的 效 率 。 资 本市 场 对 可 控 核 聚 变 落 地 乐 观 ， 首 个 聚 变 商 业 协 议 拟 2028年 发 电 。 民 营企 业 也 开 始 参 与 可 控 核 聚 变 的 研 究 。 相 关 统 计 显 示 ， 截 至 2023年 4 月 ，已 有 44 家 聚 变 企 业 完 成 创 建 ， 其 中 仅 2022年 就 创 建 了 9家 公司。 这 些公司对 聚 变 预 期 较 为 乐 观 ， 超 半 数 认 为 2035 年 首 台 核 聚 变 机 组 有 望 并网 发 电 。 微 软 公司与 聚 变 公司 Helion Energy签 署 对 赌 协 议 ， 后 者 2028年 起 向 微 软 提 供至 少 50MW 电 力 ， 并 承 诺 将 核 聚 变 发 电 成 本降 低 至 1 美分 /kWh。聚 变 产 业 链 覆 盖 广 ， 投 资 机 会 比 较 丰 富 。 聚 变 产 业 链 上 游 覆 盖 有 色 金 属（ 钨 、 铜 等 ） 、 特 种 钢 材 、 特 种 气 体 （ 氘 、 氚 ） 等 原 料 供应 ； 中 游 覆 盖聚 变 技 术 研 发 、 装 备 制 造 （ 第 一 壁 、 偏 滤 器 、 蒸 汽 发 生 器 、 超 导 磁 线 圈等 组 件 ） 及 仿 真 、 控 制 软 件 的 开 发 ； 下 游 覆 盖 聚 变 机 组 的 运 营 。 聚 变 产业 链 覆 盖 范 围 较 广 ， 存 在 较 多 优 质 投 资 机 会 。投 资 建 议 推 荐 关 注 聚 变 产 业 链 上 游 原 材 料 供应 公司和 中 游 装 备 制 造 公司； 推 荐 “ 核 电 与 新 能 源 ” 双 轮 驱 动 中 国 核 电 ； 推 荐 集 团 成 立 能 源 研 究 院 ， 建 成 玄 龙 -50聚 变 装 置 的 新 奥 股 份 。 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告风 险 提 示 技 术 发 展 不 及 预 期 ； 政 策 不 及 预 期 ； 电 价 下 调 。重 点 公司盈 利 预 测 及 投 资 评 级公司 公司 投 资 昨 收 盘 总 市 值 EPS PE代 码 名 称 评 级 （ 元 ） （ 百 万 元 ） 2022A 2023E 2022A 2023E601985.SH 中 国 核 电 买 入 7.30 1378.5 0.47 0.54 15.6 13.4600803.SH 新 奥 股 份 买 入 18.01 558.0 1.90 2.27 9.5 7.9 资 料 来 源 Wind、 国 信 证 券 经 济 研 究 所 预 测 0YCXzQqNoNmNtNmPtOpQrQ6MbPaQmOmMtRtQeRrRyQkPqRnQ7NnMsMvPpPyQxNnNtM 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 3 内 容 目 录可 控 核 聚 变 优 势 显 著 ， 能 源 发 展 有 望 迎 来 新 突 破 6氘 -氚 聚 变 实 现 难 度 相 对 最 低 ， 能 量 密 度 远 超 现 有 能 源 形 式 .6原 料 来 源 相 对 广 泛 ， 安 全 性 优 于 裂 变 堆 7约 束 方 式 主 要 分 为 磁 约 束 和 惯 性 约 束 ， 托 卡 马 克 装 置 成 熟 度 最 高 8世 界 各 国 持 续 推 进 ， 我国 两 大 聚 变 试 验 堆 取 得 多 项 成 果 .12超 导 AI 双 重 催 化 ， 可 控 核 聚 变 有 望 加 速 实 现 15高 温 超 导 引 发 关 注 ， 临 界 温 度 不 断 升 高 .16AI 快 速 发 展 和 算 力 持 续 增 强 ， 增 强 仿 真 、 设 计 和 控 制 能 力 18资 本市 场 持 续 关 注 ， 聚 变 领 域 活 力 增 强 .20风 险 提 示 . 23 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 4 图 表 目 录图 1 氘 -氚 聚 变 聚 变 示 意 图 . 6图 2 聚 变 能 量 密 度 远 超 其 他 能 源 形 式 7图 3 托 卡 马 克 装 置 结 构 9图 4 托 卡 马 克 装 置 主 要 部 件 示 意 图 9图 5 SSPX装 置 及 其 同 轴 螺 旋 注 入 方 式 示 意 图 .10图 6 球 形 托 卡 马 克 剖 面 示 意 图 . 10图 7 W7-X仿 星 器 结 构 及 磁 场 示 意 图 .10图 8 W7-X装 置 实 景 .10图 9 惯 性 约 束 原 理 示 意 图 . 11图 10 NIF靶 仓 点 火 原 理 示 意 图 .11 图 11 NIF基 础 平 面 图 .11图 12 NIF靶 仓 组 装 （ 右 上 为 放 大 后 的 靶 仓 ） .11图 13 ITER建 设 实 景 12图 14 中 国 承 担 ITER计 划 采 购 包 情 况 . 12图 15 中 国 磁 约 束 聚 变 发 展 路 线 图 13图 16 EAST装 置 结 构 示 意 图 14图 17 EAST装 置 实 景 14图 18 CEFTR效 果 图 .14图 19 CFETR建 设 情 况 （ 2021 年 ） 14图 20 氘 -氚 聚 变 聚 变 示 意 图 . 15图 21 Web of Science记 录 的 超 导 论 文 数 量 （ 检 索 主 题 为 superconductivity） 17图 22 超 导 材 料 临 界 温 度 发 展 进 程 17 图 23 EAST纵 场 线 圈 18图 24 使用 COSMOL 进 行 等 离 子 体 仿 真 . 19图 25 人 工 智 能 赋 能 材 料 科 学 19图 26 深 度 强 化 学 习 实 现 托 卡 马 克 磁 控 制 架 构 示 意 图 20图 27 聚 变 公司创 立 情 况 20图 28 40家 聚 变 公司对 首 台 机 组 供电 时 间 的 预 期 21图 29 30家 聚 变 公司对 供电 时 间 的 规 划 21图 30 聚 变 产 业 链 相 关 公司 22 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 5 表 1 氘 氚 聚 变 燃 料 成 本随 燃 料 单 价 的 敏 感 性 分 析 （ 元 /kWh） 8表 2 可 控 核 聚 变 约 束 方 式 对 比 . 12表 3 ITER相 关 设 备 生 厂 商 .21 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 6 可 控 核 聚 变 优 势 显 著 ， 能 源 发 展 有 望 迎 来 新 突破核 聚 变 ， 即 轻 原 子 核 结 合 成 较 重 原 子 核 ， 发 生 质 量 亏 损 并 释 放 巨 大 能 量 的 过 程 。核 聚 变 发 电 技 术 作 为 一 种 清 洁 能 源 ， 具 有 能 量 密 度 高 、 功 率 大 、 原 料 来 源 广 泛 和安 全 性 较 裂 变 发 电 更 高 等 优 势 ， 因 此 被 广 泛 认 为 是 能 源 问 题 的 最 终 答 案 ， 得 到 世界 各 国 的 重 点 关 注 和 持 续 研 究 。氘 -氚 聚 变 实 现 难 度 相 对 最 低 ， 能 量 密 度 远 超 现 有 能 源 形 式目 前 ， 核 聚 变 反 应 按 照 是 否 产 生 中 子 可 以 分 成 三 类 “ 第 一 代 核 聚 变 ” ， 即 氢 的 聚 变 ， 包 括 氘 （ D或 2H， 一 种 氢 同 位 素 ） -氚 （ T或 3H，一 种 氢 同 位 素 ） 聚 变 和 氘 -氘 聚 变 。 氘 -氚 聚 变 可 以 表 示 为 12� 13� → 24�� 01�，每 次 聚 变 会 释 放 约 17.6MeV能 量 ； 氘 -氘 聚 变 包 括 12� 12� → 11� 13�和 12� 12� →23�� 01�两 个 反 应 ， 分 别 释 放 约 3.3MeV 和 4.0MeV 能 量 。 第 一 代 核 聚 变 的 点 火 条件 最 低 ， 相 对 容 易 实 现 ， 是 目 前 可 控 核 聚 变 的 主 要 研 究 方 向 ；“ 第 二 代 核 聚 变 ” ， 氘 和 氦 3（ 3He， 一 种 氦 同 位 素 ） 的 聚 变 ， 可 以 表 示 为 12� 23�� →24�� 11�， 同 时 释 放 约 18.3MeV能 量 。 这 个 反 应 本身 不 产 生 中 子 ， 但 可 能 出 现 氘 -氘 反 应 而 产 生 少 量 中 子 。 因 此 第 二 代 核 聚 变 比 第 一 代 核 聚 变 更 清 洁 ， 但 发 生 聚 变的 条 件 更 高 ， 实 现 难 度 更 大 。“ 第 三 代 核 聚 变 ” ， 即 氦 3 的 聚 变 。 这 种 聚 变 完 全 不 会 产 生 中 子 ， 是 最 清 洁 安 全的 聚 变 方 式 ， 但 实 现 难 度 也 是 最 大 的 ， 目 前 尚 不 具 备 可 行 性 。氘 -氚 聚 变 实 现 难 度 相 对 最 低 ， 是 目 前 可 控 核 聚 变 的 主 要 研 究 方 向 。 目 前 国 际 聚变 界 处 于 氘 氚 燃 烧 实 验 点 火 试 验 阶 段 。 图 1 氘 -氚 聚 变 聚 变 示 意 图 资 料 来 源 国 信 证 券 经 济 研 究 所 梳 理能 量 密 度 远 超 现 有 能 源 形 式 ， 但 能 量 转 化 效 率 或 偏 低 。 2 克 的 氘 和 3 克 的 氚 可 以产 生 约 1.68万 亿 焦 耳 的 能 量 ， 换 算 成 电 力 单 位 即 46.7万 kWh， 约 等 效 于 73吨 5500大 卡 煤 炭 燃 烧 或 20克 铀 235裂 变 产 生 的 能 量 。 不 过 ， 目 前 核 能 利 用装 置 为 了 兼 顾经 济 性 和 安 全 性 ， 反 应 堆 内 的 压 力 和 温 度 一 般 较 低 ， 能 量 转 化 效 率 因 此 偏 低 。 裂变 堆 核 电 机 组 的 热 效 率 一 般 仅有 30左 右 ， 低 于 燃 煤 机 组 。 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 7 图 2 聚 变 能 量 密 度 远 超 其 他 能 源 形 式注 均 不 考 虑 能 量 转 化 效 率 资 料 来 源 国 信 证 券 经 济 研 究 所 计 算核 聚 变 领 域 有 两 个 重 要 的 技 术 指 标 ， 一 个 是 能 量 增 益 因 子 Q， 指 的 是 聚 变 反 应 中输 出 能 量 和 输 入 能 量 之 比 ， 一 般 认 为 商 业 聚 变 堆 至 少 需 要 Q值 达 到 10。 由 于 核 聚变 的 点 火 、 维 持 强 磁 场 和 冷 却 磁 线 圈 等 过 程 都 需 要 大 量 的 能 量 输 入 ， 目 前 大 部 分实 验 的 能 量 增 益 因 子 均 小 于 1， 磁 约 束 聚 变 的 记 录 是 欧 洲 联 合 环 （ JET） 装 置 的0.67， 此 外 日 本的 JT-60U 的 氘 氘 聚 变 实 现 了 1.25的 等 效 增 益 。 美 国 国 家 点 火 装置 （ NIF） 分 别 于 2022 年 12 月 和 2023 年 8 月 的 两 次 点 火 实 现 了 Q1， 即 能 量 净输 出 ， 但 由 于 惯 性 约 束 聚 变 与 磁 约 束 的 能 量 平 衡 和 系 统 运 行 方 式 不 同 ， 其 公开 的Q 值 与 传 统 定 义 有 一 定 区 别 。另 一 个 指 标 是 用于 判 断 点 火 的 聚 变 三 乘 积 ， 根 据 劳 森 判 据 ， 当 等 离 子 体 温 度 、 等离 子 体 密 度 和 约 束 时 间 这 三 个 参 数 达 到 一 定 条 件 时 ， 核 聚 变 反 应 的 能 量 产 出 率 将大 于 能 量 损 耗 率 ， 并 且 有 足 够 能 量 使核 聚 变 反 应 稳 定 持 续 ， 也 就 代 表 核 聚 变 成 功 点 火 ， 一 般 将 这 三 个 参 数 的 乘 积 作 为 判 定 聚 变 点 火 的 指 标 。原 料 来 源 相 对 广 泛 ， 安 全 性 优 于 裂 变 堆第 一 代 聚 变 燃 料 包 括 氘 和 氚 两 种 氢 元 素 同 位 素 ， 第 二 代 聚 变 燃 料 还 需 要 氦 3。氘 储 量 丰 富 ， 提 取 技 术 成 熟 。 氘 在 地 球 上 的 丰 度 为 0.016， 大 多 以 重 水 形 式 存 在 ，海 水 中 氘 的 浓 度 大 约 为 30mg/L， 地 球 海 洋 中 的 氘 含 量 可 能 超 过 40 万 亿 吨 。 相 关报价 显 示 ， 每 千 克 重 水 价 格 在 数 千 到 一 万 元 以 上 。氚 增 殖 技 术 有 待 进 一 步 突 破 。 氚 在 地 球 上 含 量 较 少 ， 且 半 衰 期 仅 12.4年 ， 因 此 聚变 所 使用的 氚 都 是 人 工 制 备 的 。 除 裂 变 堆 重 水 中 可 能 含 有 少 量 氚 外 ， 主 要 通 过 热中 子 轰 击 锂 6， 使其 裂 变 成 氚 和 氦 4 原 子 来 获 取 。 根 据 美 国 地 质 勘 探 局 的 数 据 ，目 前 全 球 已 探 明 的 锂 资 源 量 8900 万 吨 ， 锂 资 源 储 量 2200 万 吨 ， 其 中 锂 6 的 丰 度约 为 7.5。 但 目 前 氚 的 增 殖 技 术 依 然 有 待 突 破 ， 现 有 唯 一 的 商 业 来 源 19 座 加 拿 大 CANDU反 应 堆 ， 每 座 反 应 堆 每 年 可 生 产 0.5kg 氚 ， 价 格 可 达 3 万 美 元 /克 。 而 按30效 率 计 算 ， 聚 变 堆 每 生 产 1 亿 kWh电 力 就 需 要 消 耗 约 2.1kg 氚 。 除 此 之 外 ， 氘氚 聚 变 产 生 的 中 子 会 携 带 大 量 能 量 ， 需 要 通 过 氚 增 殖 吸 收 这 部 分 能 量 以 维 持 聚 变的 能 量 平 衡 。 因 此 ， 如 何 船 的 增 殖 技 术 仍 是 聚 变 商 业 化 需 要 解 决 的 关 键 问 题 之 一 。月 球 土 壤 氦 3 含 量 远 超 地 球 ， 或 可 超 前 开 展 第 二 代 聚 变 技 术 研 究 。 据 相 关 探 测 结果 ， 月 球 上 的 氦 3 储 量 或 超 过 一 百 万 吨 ， 远 超 地 球 储 量 。 2022 年 9 月 ， 我国 科 学家 已 首 次 成 功 获 得 嫦 娥 五 号 月 壤 中 氦 3 含 量 及 其 最 优 提 取 参 数 。 虽 然 第 二 代 聚 变的 难 度 较 大 ， 但 理 论 上 仍 有 实 现 的 可 能 性 。 在 未 来 ， 或 可 通 过 提 取 月 壤 中 的 氦 3为 地 球 提 供燃 料 ， 甚 至 直 接 为 月 球 基 地 提 供能 源 。 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 8 得 益 于 极 高 的 能 量 密 度 ， 氘 氚 聚 变 度 电 燃 料 成 本相 对 较 低 。 我们 对 氘 氚 聚 变 的 燃料 成 本进 行 测 算 ， 假 设 重 水 价 格 为 10000 元 /kg， 电 解 产 生 氘 气 的 用电 成 本忽 略 不计 ， 则 氘 的 单 价 约 为 5 万 元 /kg。 氚 则 完 全 由 锂 6 转 换 。 上 海 钢 联 2023年 8月 11日 数 据 显 示 ， 电 池 级 碳 酸 锂 报价 24.55 万 元 /吨 ， 按 照 锂 6 丰 度 为 7.5的 相 对 比例 估 算 锂 6 元 素 价 格 约 为 1600 万 元 /吨 。 1 个 锂 6 原 子 可 以 产 生 1 个 氚 原 子 ， 假设 转 换 率 80， 由 于 氚 增 殖 技 术 难 度 较 大 ， 假 设 氚 的 价 格 为 理 论 计 算 的 5 倍 ， 则氚 的 价 格 约 为 20 万 元 /kg。 假 设 聚 变 机 组 的 发 电 效 率 约 为 30。 测 算 得 氘 氚 聚 变的 燃 料 成 本约 为 0.0050元 /kWh。表 1 氘 氚 聚 变 燃 料 成 本随 燃 料 单 价 的 敏 感 性 分 析 （ 元 /kWh） 度 电 燃 料 成 本 氚 单 价 （ 万 元 /kg）5 10 15 20 25 30 35氘 单 价（ 万 元/kg） 3 0.0015 0.0026 0.0036 0.0047 0.0058 0.0069 0.00794 0.0016 0.0027 0.0038 0.0049 0.0059 0.0070 0.00815 0.0018 0.0029 0.0039 0.0050 0.0061 0.0071 0.00826 0.0019 0.0030 0.0041 0.0051 0.0062 0.0073 0.00847 0.0021 0.0031 0.0042 0.0053 0.0064 0.0074 0.0085资 料 来 源 国 信 证 券 经 济 研 究 所 测 算氘 氚 聚 变 燃 料 成 本随 燃 料 单 价 的 敏 感 性 分 析 如 上 表 所 示 ， 氚 的 单 价 在 原 始 值 的 基础 上 提 高 5 万 元 /kg， 度 电 燃 料 成 本较 原 始 估 值 提 升 21.43； 氘 的 单 价 在 原 始 值的 基 础 上 提 高 1 万 元 /kg， 度 电 燃 料 成 本较 原 始 估 值 提 升 2.86。聚 变 安 全 性 高 ， 无 熔 毁 风 险 。 由 于 聚 变 对 工 作 环 境 的 要 求 非 常 苛 刻 和 敏 感 ， 要 求上 亿 度 高 温 和 极 高 的 压 强 ； 且 聚 变 堆 内 部 只 含 有 少 量 燃 料 ， 依 赖 燃 料 的 连 续 输 入 。 因 此 聚 变 是 一 种 “ 自 限 过 程 ” ， 不 会 发 生 类 似 裂 变 堆 的 堆 芯 熔 毁 的 事 故 ， 当 环 境变 化 、 燃 料 停 止 供应 或 无 法 控 制 反 应 时 聚 变 会 迅 速 停 止 。产 物 放 射 性 相 对 可 控 ， 不 产 生 放 射 性 乏 燃 料 。 氘 -氚 聚 变 的 产 物 包 括 氦 和 中 子 ， 其中 ， 中 子 的 速 度 较 高 ， 可 以 轰 击 装 置 壁 面 内 衬 的 锂 6（ 一 种 锂 同 位 素 ） 产 生 氚 和氦 并 释 放 大 量 能 量 ， 生 成 的 氚 可 以 继 续 维 持 聚 变 反 应 。 虽 然 中 子 具 有 放 射 传 染 性 ，氚 也 有 一 定 的 放 射 性 危 害 ， 但 相 对 可 控 ， 并 不 会 像 核 裂 变 一 样 产 生 包 含 高 寿 命 、强 衰 变 放 射 性 的 乏 燃 料 ， 因 此 一 般 认 为 核 聚 变 是 一 种 清 洁 能 源 。约 束 方 式 主 要 分 为 磁 约 束 和 惯 性 约 束 ， 托 卡 马 克 装 置 成 熟 度 最 高由 于 核 聚 变 要 求 上 亿 度 的 高 温 ， 目 前 没 有 任 何 材 料 可 以 承 载 聚 变 反 应 ， 因 此 只 能采 用特 殊 的 方 法 来 约 束 和 控 制 。 目 前 主 要 有 三 种 约 束 方 式 磁 约 束 、 惯 性 约 束 和重 力 约 束 。 磁 约 束 是 指 用磁 场 约 束 等 离 子 体 的 运 动 ， 从 而 实 现 核 聚 变 的 方 式 。 在 聚 变 的 超 高温 环 境 下 ， 所 有 燃 料 会 电 离 并 形 成 带 电 的 等 离 子 体 ， 通 过 使用封 闭 磁 场 形 成 的 “ 磁笼 ” 或 “ 磁 陷 阱 ” 来 约 束 等 离 子 体 ， 使其 与 容 器 的 器 壁 隔 开 ， 并 通 过 电 磁 加 热 等离 子 体 。 当 等 离 子 体 被 加 热 到 一 定 程 度 时 ， 电 阻 会 快 速 下 降 ， 此 时 再 通 过 注 入 高能 中 性 粒 子 束 等 方 式 进 一 步 加 热 等 离 子 体 至 满 足 点 火 条 件 ， 从 而 发 生 聚 变 。 磁 约束 的 装 置 主 要 包 括 箍 缩 、 磁 镜 、 托 卡 马 克 和 仿 星 器 等 ， 其 中 环 形 托 卡 马 克 被 普 遍认 为 是 最 有 希 望 实 现 可 控 核 聚 变 的 装 置 ， 也 是 目 前 主 流 的 研 究 方 向 。环 形 托 卡 马 克 被 认 为 是 最 有 可 能 实 现 可 控 核 聚 变 的 装 置 。 环 形 托 卡 马 克 装 置 （ 又称 环 流 器 ） ， 是 一 个 环 形 真 空 室 ， 环 形 中 心 是 一 个 铁 芯 变 压 器 ， 通 过 变 压 器 初 级线 圈 电 流 的 变 化 产 生 磁 场 ， 从 而 在 环 形 真 空 室 内 形 成 等 离 子 体 电 流 并 加 热 等 离 子体 。 真 空 室 外 有 不 同 方 向 的 线 圈 ， 分 别 产 生 环 向 和 纵 向 的 磁 场 ， 真 空 室 内 形 成 的 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 9 环 形 等 离 子 体 电 流 则 会 提 供极 向 磁 场 ， 最 终 形 成 环 形 螺 旋 状 磁 场 ， 将 等 离 子 体 约束 在 真 空 室 中 心 。等 离 子 体 电 流 强 度 是 托 卡 马 克 装 置 重 要 参 数 。 根 据 聚 变 三 乘 积 ， 托 卡 马 克 要 实 现点 火 和 稳 定 运 行 ， 等 离 子 体 电 流 必 须 超 过 一 定 水 平 ， 此 外 聚 变 堆 的 聚 变 功 率 还 与等 离 子 体 电 流 的 平 方 成 正 比 ， 因 此 等 离 子 体 电 流 也 是 重 要 的 托 卡 马 克 装 置 技 术 指标 。 一 般 认 为 托 卡 马 克 要 实 现 稳 定 运 行 ， 等 离 子 体 电 流 必 须 超 过 1 兆 安 培 。 目 前 ，我国 东 方 超 环 （ EAST） 、 环 流 器 二 号 M装 置 （ HL-2M） 均 已 成 功 突 破 1 兆 安 培 目 标 。各 种 聚 变 路 线 中 ， 环 形 托 卡 马 克 技 术 成 熟 度 最 高 。 目 前 ， 由 多 国 合 力 建 设 的 国 际热 核 聚 变 实 验 堆 （ ITER） 、 我国 EAST、 HL-2M和 中 国 核 聚 变 工 程 试 验 堆 （ CFETR）等 装 置 均 采 用环 形 托 卡 马 克 路 线 。 其 中 ， EAST 已 实 现 1 兆 安 等 离 子 体 电 流 、 1 亿度 等 离 子 体 温 度 和 1000秒 等 离 子 体 约 束 时 间 三 大 目 标 ， 并 于 2023 年 4 月 12日 实现 了 403秒 稳 态 长 脉 冲 高 约 束 模 式 等 离 子 体 运 行 。 等 离 子 体 控 制 仍 有 待 突 破 ， 依 赖 超 导 技 术 突 破 提 高 磁 场 性 能 。 托 卡 马 克 发 展 的 主要 难 点 在 于 提 高 等 离 子 体 的 参 数 和 等 离 子 体 的 控 制 ， 避 免 出 现 等 离 子 体 电 流 破 裂等 现 象 ， 需 要 持 续 的 外 加 强 磁 场 约 束 。 常 规 磁 线 圈 在 产 生 磁 场 的 同 时 也 会 产 生 电流 热 ， 需 要 持 续 冷 却 和 间 断 运 行 以 防 过 热 ， 而 超 导 线 圈 则 不 会 产 生 电 流 热 ， 因 此可 以 极 大 提 升 等 离 子 体 的 约 束 时 间 。图 3 托 卡 马 克 装 置 结 构 图 4 托 卡 马 克 装 置 主 要 部 件 示 意 图 资 料 来 源 王 怀 君 ,凡 新 . 可 控 核 聚 变 未 来 世 界 的 炽 热 之 心 .实 验 教 学 与 仪 器 ,2023,40051-4.， 国 信 证 券 经 济 研 究 所 整 理 资 料 来 源 冯 开 明 . 可 控 核 聚 变 与 ITER 计 划 .现 代 电力 ,20060582-88.， 国 信 证 券 经 济 研 究 所 整 理球 形 托 卡 马 克 （ 简 称 球 马 克 ） 是 一 种 规 模 更 小 ， 成 本更 低 的 托 卡 马 克 装 置 ， 也 是可 控 核 聚 变 领 域 民 营 企 业 的 主 流 选 择 。 相 比 于 环 形 托 卡 马 克 ， 球 马 克 的 真 空 室 具有 球 形 拓 扑 结 构 而 非 环 形 。 此 外 ， 球 马 克 也 没 有 环 向 场 线 圈 ， 因 此 球 马 克 设 计 了一 种 同 轴 螺 旋 注 入 的 电 流 驱 动 方 式 来 约 束 等 离 子 体 。 然 而 ， 劳 伦 斯 利 弗 莫 尔 国 家实 验 室 球 马 克 物 理 实 验 （ SSPX） 的 研 究 结 果 表 明 ， 这 种 同 轴 螺 旋 注 入 不 能 维 持 良好 的 能 量 约 束 ， 导 致 球 马 克 的 聚 变 三 重 积 无 法 达 到 更 高 要 求 。 因 此 ， 目 前 的 球 马克 装 置 主 要 以 研 究 基 础 物 理 现 象 为 主 。目 前 世 界 上 已 有 多 个 球 马 克 装 置 简 称 并 展 开 相 关 研 究 。 英 国 托 卡 马 克 能 源 公司的ST40球 马 克 加 热 温 度 达 到 1亿 度 ； 我国 新 奥 集 团 “ 玄 龙 -50” 于 19年 在 河 北 廊 坊建 成 并 实 现 第 一 次 等 离 子 体 放 电 ， 建 设 周 期 仅 10 个 月 ； 清 华 大 学 设 计 、 星 环 聚 能和 清 华 大 学 联 合 建 设 的 球 马 克 装 置 SUNIST-2于 2023年 7月 建 成 并 开 展 首 轮 运 行 ， 获 得 了 100 千 安 培 等 离 子 体 电 流 。 SUNIST-2 设 计 参 数 为 大 半 径 0.53 米 ， 小 半 径0.33米 ， 磁 场 强 度 1.0特 斯 拉 ， 等 离 子 体 电 流 0.5兆 安 培 。 请 务 必 阅 读 正 文 之 后 的 免 责 声 明 及 其 项 下 所 有 内 容 证 券 研 究 报告 10 图 5 SSPX装 置 及 其 同 轴 螺 旋 注 入 方 式 示 意 图 图 6 球 形 托 卡 马 克 剖 面 示 意 图 资 料 来 源 E B Hooper 等 . Sustained Spheromak PhysicsExperiment SSPX design and physics results . Plasmaphysics and controlled fusion, 2012, 5411 113001.， 国信 证 券 经 济 研 究 所 整 理 资 料 来 源 星 环 聚 能 官 网 ， 国 信 证 券 经 济 研 究 所 整 理仿 星 器 稳 定 性 更 佳 ， 有 望 小 型 化 。 仿 星 器 与 托 卡 马 克 的 主 要 区 别 是 仿 星 器 内 部 不产 生 等 离 子 体 电 流 ， 极 向 磁 场 由 外 部 线 圈 提 供， 通 过 设 计 复 杂 的 三 维 磁 场 来 实 现闭 合 、 扭 曲 的 环 状 磁 笼 ， 从 而 实 现 对 等 离 子 体 的 磁 约 束 。 仿 星 器 整 体 呈 扭 曲 环 状 ，截 面 不 规 则 ， 环 向 场 线 圈 形 状 和 排 列 更 复 杂 ， 等 离 子 体 被 引 导 为 极 向 运 动 而 不 形成 环 向 电 流 ， 因 此 仿 星 器 不 存 在 等 离 子 体 电 流 “ 破 裂 ” 的 风 险 ， 运 行 更 加 稳 定 ，同 时 有 望 缩 小 反 应 堆 的 规 模 。仿 星 器 仍 存 在 新 古 典 运 输 等 问 题 ， 成 熟 程 度 不 及 托 卡 马 克 。 仿 星 器 对 等 离 子 体 的约 束 性 能 相 比 托 卡 马 克 较 差 ， 因 此 仿 星 器 的 纵 横 比 较 大 ， 同 等 条 件 下 等 离 子 体 有效 体 积 小 于 托 卡 马 克 。 由 于 等 离 子 体 不 形 成 环 向 电 流 ， 粒 子 之 间 的 碰 撞 可 能 导 致 等 离 子 体 向 外 扩 散 和 泄 漏 的 “ 新 古 典 运 输 ” 现 象 ， 仿 星 器 需 要 通 过 磁 场 设 计 来 减少 新 古 典 运 输 现 象 的 影 响 ， 因 此 磁 场 三 维 设 计 更 加 困 难 ， 磁 线 圈 形 状 和 位 置 也 更加 复 杂 ， 制 造 和 安 装 难 度 更 高 。 目 前 世 界 上 仿 星 器 的 实 验 装 置 较 少 ， 最 具 代 表 性的 是 德 国 文 德 尔 施 泰 因 7-X（ W7-X） 仿 星 器 。 2023年 5 月 ， 我国 西 南 交 通 大 学 与日 本国 家