可控核聚变深度报告2024：终极能源大门开启.docx

目录1引言：能源革命，全球积极布局.31.1 材料篇：不一样的原子之舞51.2 约束篇：当高温超导遇上核聚变82进展:高温超导技术成熟推动商业化进程加速.132.1 高温超导带材工艺日渐成熟132.2 高温超导感应加热设备投产162.3 我国可控核聚变领域研究进展183布局:全球主要聚变项目梳理203.1 ITER203.2 EAST213.3 CFETR214投资建议234.1 行业投资建议234.2 重点公司梳理245风险提示27插图目录28表格目录281引言:能革命,全球积极布局聚变能被视为终极能源，全球主要国家积极布局能源革命。聚变能具有燃料丰 富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点,被视为终极能源。全球主要国家正 在积极采取行动，大力推进聚变能商业化。泡:全球核聚变、最新进展时间主体具体进展2021年9月美国CFS公司CFS公司使用高温超导带材绕制大口径、20T的强磁场磁体，将应用于 SPARCs ARC超导核聚变等，第一阶段磁体已于2021年9月宣布测 试成功。2022年3月英国 Tokamak Energy 公司托卡马克能源公司ST-40球形托克马克反应堆于2022年3月实现1亿 摄氏度的温度，成为商业化核聚变研究的重要里程碑。2023年3月美国CFS公司CFS公司和意大利Eni公司签署战略框架协议，将致力于SPARC项目， 该项目正在与麻省理工学院(MIT)合作建设，计划于2025年投入使用。 SPARC是一个紧凑、高场、净核聚变能源装置，将与现有的中型核聚变 装置大小相当，但具有更强的磁场。麻省理工学院表示，该实验将是第一 个净能量增益的演示，并将验证用新超导技术建造的高场设备的前景。据 CFS称，SPARC最终将为ARC铺平道路，ARC是第一个能够向电网 输送电力的商业发电厂，预计将在2030年代初投入使用。2023年10月美国国家点火装置(NIF )NIF成功点火两次，即实现可控核聚变净能量增益，让核聚变反应产 生的能量多于这一过程中消耗的能量。至此美国科学家成功将点火次数增 至四次。这些点火实验中，NIF不仅实现了净能量增益，效率与精度也在 不断提高。最新的一次实验再刷记录一输入能量首次达到2.2兆焦， 3.4兆焦耳的输出能量也位列历次点火实验第二。NIF向实现数十兆焦 耳甚至更高产能的目标，又迈进了一步。资料来源：上海超导官网，中国核电网，科创板日报，民生证券研究院近年来,中国核聚变技术取得了一系列重要进展。2021年5月28日， EAST装置实现了可重复的1.2亿度IOls等离子体运行和1.6亿度20s等离子体 运行。2021年6月8日，EAST装置总放电实验次数突破10万次。2021年12月30 日晚，实现1056S的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置 高温等离子体运行的最长时间。2023年4月12日，EAST成功实现了 403s可重 复的稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行 新的世界纪录。EAST装置创造的多项托卡马克运行的世界纪录，标志着中国在磁 约束聚变研究领域引领国际前沿，也为中国自主建造聚变工程实验堆提供了坚实 的科学技术基础。2023年12月29日，以核力启航 聚变未来为主题的可控 核聚变未来产业推进会在蓉召开。由25家央企、科研院所、高校等组成的可控核 聚变创新联合体正式宣布成立。国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可 控核聚变领域为未来能源的雁F向。2023年4月12日东方超环(EAST)正在运行的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)成 功实现了 403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，刷新了 2017年托卡马克装置高约束模式运行101秒的纪录。2023年7月12日中国联合球形托卡马克2号 (SUNIST-2 )新概念磁约束核聚变探索装置一中国联合球形托卡马克2号 (SUNIST-2 )建成并首次放电。2023年8月15日洪荒70高温超导托卡马克装 置全球首个全高温超导托卡马克装置洪荒70高温超导托卡马克装置 总体安装正式启动，计划于2023年底建成运行，核聚变商业 化进程将加速。时间主体具体进展新一代人造太阳中国环流三号取得重大科研进展，首次实现2023年8月29日中国环流三号100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，标志着我国磁约 束核聚变装置运行水平迈入国际前列，是我国核聚变能开发进程 中的重要里程碑。2023年12月29日以核力启航聚变未来为主题的可控核聚变未来产业推进会在 蓉召开。由25家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新 联合体正式宣布成立。国务院国资委启动实施未来产业启航行 - 动，明确可控核聚变领域为未来能源的碓T向。中核集团主动可控核聚变创新联合体担当作为，牵头组织中央企业共同承担，系统布局了重点技术、 典型场景、重大工程项目，立足开新、扩围、提质打造可控 核聚变创新联合体，推进设立可控核聚变专业化公司，为可控核 聚变产业发展奠定了坚实基础。资料来源：中科院官网，清华大学官网，中国核电网，环球网，中核集团官网，民生证券研究院1.1 材料篇:不一样的原子之舞1.1.1 核聚变能被视为终极能源核能是一种非常高效的清洁能源,它是由物质元素的原子核发生改变而放出 的能量，俗称核能。核能与我们所熟悉的支持生命过程的化学能不同，它是原子的 核内能量而不是核外能量，而参与生命物质转化的化学能都是核外能量，这些化学 反应都不会引起原子核的变化。核变化所释放的能量主要分为两大类:(1)核裂变 (nuclearfission)z即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的 能量，称为核裂变能；(2)核聚变(nuclearfusion ),即小质量元素的原子核聚合 成为重核所释放的能量,称为核聚变能。靶:核能的两种释放过程:核裂变与核聚变资料来源：中国新材料产业技术创新平台，民生证券研究院聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为终极 能源。核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。 核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。等离子体是一种由正离子和 自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。 只要将氢的同位素气和氤的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大 能量。核裂变是从原子核分裂中获得能量，而核聚变则是通过将原子核结合而释放 能量。虽然两种原子反应都是通过改变原子而产生能量，但它们的根本区别对安全 却有广泛的影响。相较于核裂变，核聚变有以下优势：()核聚变产生的能量巨大。核聚变产生的能量非常大一是核裂变反应的 四倍，而且聚变反应可以成为未来聚变动力堆的基础。各种计划要求第一代核聚变 反应堆使用气(重氢)和氤(超重氢)的混合物。理论上，只要有几克这些反应物， 就有可能产生一太(万亿)焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所 需要的能量。资料来源：国际原子能机构，民生证券研究院(2 )核聚变的燃料丰富，也很容易获得。只要将氢的同位素气和氤的原子核 无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。气可以从海水中廉价提取, 而氤则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生。这些燃料供应可持续 数百万年之久。(3)核聚变安全可靠。未来的聚变反应堆在本质上也是安全的，不会产生高 放射性、长衰变期的核废物。止匕外,由于核聚变过程难以启动和维持，因此不存在 失控反应和熔毁的风险；核聚变只能在严格的操作条件下发生，超出这个条件(例 如在事故或系统故障的情况下)，等离子体将自然终止，很快失去其能量,并在对 反应堆造成任何持续损害之前熄灭。(A)核聚变清洁环保。核聚变，就像核裂变一样，不会向大气层排放二氧化 碳或其他温室气体，未来可能成为低碳电力的长期来源。1.1.2 全球聚变产业发展进程加速全球聚变产业蓬勃发展。根据美国聚变产业协会发布的2023年全球聚变 产业报告，聚变产业呈现蓬勃发展态势：聚变公司数量快速增加。参与FIA调查的公司数量从2022年33家增长到43 家：3家退出，13家新增。这些公司研发的技术差异很大,极少有多家公司研发 同一种技术的情况。美国公司数量继续位居第一，达25家。聚变公司的地理分布 更加广泛，共分布在12个国家，其中2家公司位于中国，即新奥科技发展公司和 能量奇点公司。这表明越来越多的创业团队选择加入聚变产业，技术路径也越来越 多元化。图i :全球聚变公司成立时间表和私营聚变公司数量14. Timiline of when fusion companies wire founded资料来源：FIA ,民生证券研究院聚变融资总额持续增长。截至2023年，全球聚变公司已累计融资超过62亿 美元，比2022年的48亿美元增加了约14亿美元,增幅达27%o这表明尽管面 临通胀和利率上升等宏观环境压力，投资者对聚变能商业应用的兴趣和支持仍在 稳步增长。公私合作模式在聚变产业广泛应用。至少18家公司已启动或准备与政府开展 公私合作项目，政府资助金额超7000万美元。英国政府与托卡马克能源公司、联 邦聚变系统公司、第一光聚变公司、京都聚变工程公司、通用聚变公司等企业签署 合作协议。美国、日本和德国2023年推出支持聚变能发展的新举措和项目。这表 明全球已出现公私合作推进聚变技术研发的苗头。预期首座聚变电厂未来10年并网发电。尽管大部分公司认为聚变能商业发电 在等离子体科学、热管理等方面仍存在技术和工程阻碍，目几乎每家公司均表示建 成首座聚变电厂面临融资挑战，但26家公司认为首座聚变电厂可在2035年之前 并网。全球主要国家正在积极采取行动，大力推进聚变能商业化。一是发布或制订国 家战略，明确聚变能发展方向，并创造有利的政策环境。美国政府表示将面向商业 化牵头制订未来十年聚变能发展战略；英国、日本、韩国发布聚变能发展国家战略 或长期计划；德国发布立场文件，表示将创建适于聚变能发展的生态系统。二是设 立专项计划，提供针对性支持。美已启动基于里程碑的聚变研发计划，并于2023 年5月宣布将在该计划下向8家聚变公司提供总计4600万美元资助，用于在未 来18个月完成聚变试验电厂预概念设计并制订技术路线图。英国启动总额为4210 万英镑的聚变产业计划，已为数十家企业和机构提供资助。三是启动聚变设施 监管框架建设，降低监管不确定性。美国核管会将基于副产物设施框架对聚变设施实施监管。英国正在修订相关法律，以将聚变设施排除在针对裂变设施建立的 现有监管体系之外。L2约束篇：当高温超导遇上核聚变1.2.1 可控核聚变约束方式对比实现核聚变必须满足三个苛刻条件:一是足够高的温度（T）展燃料变成超过 1亿摄氏度的等离子体二是一定的密凰n ）这样两原子核发生碰撞的概率就大； 三是一定的能量约束时间（TE ）,等离子体在有限的空间里被约束足够长时间；三 者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值，才能产生 有效的聚变功率输出。回：核聚变的反应条件TM亿度温度一 Plasma（聚变反应在极高温度下才能发生）约为10倍太阳芯部温度IXI（FOmT密度（聚变反应率与密度成正比）约为大气密度的百万分之一，正比于装置平均电流密度”>3 s能屈约束时间（聚变反应率与约束时间成正比）正比于装置的尺寸和电流不，装置越大约束越好Keep the plasma den