《机械行业未来产业系列研究:可控核聚变专题报告聚变~裂变混合堆并非一个神话-240104(24页).pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机械行业未来产业系列研究:可控核聚变专题报告聚变~裂变混合堆并非一个神话-240104(24页).pdf(24页珍藏版)》请在三个皮匠报告上搜索。
1、 敬请阅读末页的重要说明 证券研究报告|行业深度报告 2024 年 1 月 04 日 推荐推荐(首次)(首次)聚变聚变-裂变裂变混合混合堆,堆,并非并非一个一个神话神话 中游制造/机械 核聚变能具备辐射小、核聚变能具备辐射小、无碳排、自限性无碳排、自限性等优势,被认为是人类终极清洁能源。等优势,被认为是人类终极清洁能源。在过去,在过去,纯聚变堆的研究遇到了纯聚变堆的研究遇到了燃料(氚)不能自持燃烧燃料(氚)不能自持燃烧、能量难以实现净输、能量难以实现净输出出(Q1)等重重等重重困难,被科学家们戏称“永远还有五十年”。裂变能的应用困难,被科学家们戏称“永远还有五十年”。裂变能的应用更加成熟,但发
2、展受限于其安全方面的隐患。聚变更加成熟,但发展受限于其安全方面的隐患。聚变-裂变混合堆结合了聚变能和裂变混合堆结合了聚变能和裂变能的优势裂变能的优势,是目前最具商业化潜力的堆型是目前最具商业化潜力的堆型之一之一。近年来,超导技术的快速。近年来,超导技术的快速发展,发展,能量增益因子能量增益因子 Q 值的加速突破,提振了人们对于混合堆商业化的信心。值的加速突破,提振了人们对于混合堆商业化的信心。此外,国有、私有此外,国有、私有资金的涌入更是将产业推入了快车道。我们认为,聚变资金的涌入更是将产业推入了快车道。我们认为,聚变-裂变裂变混合堆并非普遍想象的那般遥不可及,混合堆并非普遍想象的那般遥不可及
3、,在下一个十年,或将逐步走入现实在下一个十年,或将逐步走入现实。核聚变能是终极清洁能源核聚变能是终极清洁能源:核聚变是两个或多个小的原子核在巨大的能量下合并形成一个稍大的原子核的过程。核聚变能的能量密度比石油、燃煤等传统能源高了数百万倍,比裂变能高了百倍。此外,核聚变能还具备下列优势:(1)原材料丰富;(2)具备自限性,安全性更高;(3)不释放二氧化碳等温室气体。因此,核聚变能备受科学家们追捧。传统聚变堆传统聚变堆有有两大痛点:可控两大痛点:可控和和自持。自持。“可控”“可控”的核心难点在于难以将相互排斥的、带正荷的原子核长时间约束在某一个空间内,让它们抵抗排斥力、相互碰撞,并实现净能量输出(
4、Q1)。“自持”“自持”的核心难点有两个:一个是稀缺的氚(燃料)的自持(不依赖外界,自我持续),另一个是能量的自持。混合堆解决了聚变堆不可控、不自持的痛点,及裂变堆的安全性问题。混合堆解决了聚变堆不可控、不自持的痛点,及裂变堆的安全性问题。可控:可控:混合堆中的聚变堆芯主要作用为生产高能中子来使裂变包层释放裂变能,对等离子体性能要求更低、能量需求更低。自持:自持:混合堆中,堆芯产生的中子可以使裂变外包层中的锂-6 变成氚,补充氚的消耗;裂变包层中,裂变反应产生的钚-239 和铀-233 本身就是核燃料(而非核废料),能够进一步燃烧释放能量,使整个系统的 Q1。安全:安全:混合堆的裂变部分处于次
5、临界状态,不会引起核爆等安全问题。技术不断突破,技术不断突破,资金持续涌入,资金持续涌入,产业产业关注度提升关注度提升。(1)高温超导材料改变了一定电流强度下允许的最高磁场强度,大幅增强了等离子体的约束性能,也使得聚变堆小型化成为可能。(2)大量资金涌入核聚变赛道,行业发展按下加速键:国际上,国际上,2021、2022 年全年投资总额达 28 亿、48 亿美元。此前,2011-2020 年十年累计投资金额也才 20 亿美元。国内,国内,联创光电与中核聚变设计研究院联合建设聚变-裂变混合实验堆项目,总投资预计超过 200 亿元。2023 年 12 月 29 日,由 25 家央企、科研院所、高校等
6、组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立。投资建议:投资建议:建议关注联创光电(发展重心转向超导领域,与中核聚变设计研究院强强联手开展 200 亿元混合堆项目)、国光电气(ITER 及 CFETR 项目核心零件供应商)、雪人股份(公司产品氦气螺杆压缩机组是实现超导的必要设备)、合锻智能(承接了真空室构件的预研工作),及核电相关标的中国核电、中国广核。风险提示:风险提示:技术突破不及预期、技术突破不及预期、资金投入超预期资金投入超预期 行业规模行业规模 占比%股票家数(只)465 9.2 总市值(十亿元)3525.4 4.6 流通市值(十亿元)2870.7 4.3 行业指数行业指数%1m 6m 1
7、2m 绝对表现-1.5-7.8 5.8 相对表现 1.2 4.1 18.3 资料来源:公司数据、招商证券 胡小禹胡小禹 S02 宋盈盈宋盈盈 S01 林喜鹏林喜鹏 S01 王超王超 S07 鄢凡鄢凡 S02 方嘉敏方嘉敏 研究助理 -20-1001020Jan/23Apr/23Aug/23Dec/23(%)机械沪深300未来未来产业产业系列系列研究:研究:可控可控核聚变核聚变专题专题报告报告 敬请阅读末页的重要说明 2 行业深度报告 正文正文目录目录 一、前言.4 二、聚变-裂变混合堆
8、是什么?.4 1、核聚变能:人类终极清洁能源.4 2、核聚变发电的最大难点:Q1、氚自持.7(1)“可控”的难点:长时间约束原子核、净能量输出.8(2)“自持”的难点:氚自持、能量自持.11 3、混合堆:“可控”、“自持”、“安全性”问题一并解决.12 三、混合堆“核”时可行?.15 1、混合堆研究行至何处?.15 2、可控核聚变产业链边际变化.18 四、产业内主要公司.20 1、联创光电.20 2、国光电气.20 3、雪人股份.21 4、合锻智能.22 5、中国核电.22 6、中国广核.22 五、风险提示.23 图表图表目录目录 图 1:几种常见的一次能源.4 图 2:爱因斯坦质量-能量转换
9、方程.4 图 3:全球及各国家各类一次能源消费量占比(%).5 图 4:核裂变的链式反应(铀-235).5 图 5:氘氚聚变反应.5 图 6:各国家核电站数量占比(%).7 图 7:核电站中的核岛通过控制棒控制链式反应.8 图 8:太阳内部的聚变反应.9 图 9:WX-7 仿星器装置(德国).9 eWMBxVnZmVaUoXaQbP9PtRmMpNnRkPpPpOjMmMyR7NqRoOuOnQrPwMmNxP 敬请阅读末页的重要说明 3 行业深度报告 图 10:NIF(国家点火设施)激光型惯性聚变装置.9 图 11:磁场下的等离子体绕着制定路径高速转动.10 图 12:全球设计规模最大的托卡
10、马克装置.10 图 13:托卡马克和仿星器(“甜甜圈”和“麻花”).10 图 14:激光驱动原理.11 图 15:Z-箍缩驱动原理.11 图 16:ITER 项目进展复盘.12 图 17:聚变-裂变混合堆结构.13 图 18:聚变-裂变混合堆运行示意图.13 图 19:福岛核电站泄漏事故现场.15 图 20:2012 年全球核能发电明显减少.15 图 21:俄罗斯的聚变-裂变混合堆发展路线图.16 图 22:T-15MD 托卡马克装置发展史.16 图 23:DEMO-FNS 设计图.17 图 24:Z-FFR 工程设计图.18 图 25:高温超导材料改变了一定电流强度下允许的最高磁场强度.19
11、 图 26:SPARC 发展计划及进度.19 图 27:联创超导全球首台兆瓦级高温超导感应加热装置.20 图 28:偏滤器在一个核聚变实验堆中的位置.21 图 29:SRM 是螺杆压缩机领域的鼻祖.22 图 30:氦气螺杆压缩机.22 表 1:可控核聚变是人类仍需攻克的难关.6 表 2:热堆、快堆和聚变堆.6 表 3:各类纯核聚变装置对比.11 表 4:全球主要几大磁约束聚变装置经济性分析.12 表 5:几大主要装置的核心指标.14 表 6:全球其他地区的 DEMO 计划.16 敬请阅读末页的重要说明 4 行业深度报告 一、一、前言前言 我们写这篇报告,主要是想向投资者解释:(1)什么是核聚变
12、、什么是聚变-裂变混合堆(下文统一简称混合堆);(2)作为核电的一种方式,混合堆的优势是什么;(3)为什么科研界不少人认为混合堆是一个可以被实现的优势方案。在上市公司、非上市公司中,有一些标的,已经参与到了这个逐步工程化的过程,建议持续关注。二、二、聚聚变变-裂变裂变混合堆是什么?混合堆是什么?1、核聚变能:人类终极清洁能源核聚变能:人类终极清洁能源 核能是核能是常用的常用的一次能源中能量密度最大的。一次能源中能量密度最大的。一次能源是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源,例如,原煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能、海洋能、潮汐能、地热能。与此相对的,电能就是二次能源,一次能源
13、经过加工后,都可以变成电能。在常用的一次能源中,核能的能量密度(能量总量/产生能量所需要的物质的质量)是最高的,以下是常见的一次能源的能量密度范围示意:煤炭:2435 mJ/m3 石油:3540 mJ/m3 天然气:3334 mJ/m3 核能:50000010000000 mJ/m3 核能的能量密度较大,主要是由于它获得能量的方式比较独特。核能的能量密度较大,主要是由于它获得能量的方式比较独特。烧煤和石油使用的是化学能,风电使用的是风的动能,水电使用的是水的重力势能,地热发电使用的是热能,而核能的获得,来自质量的湮灭。动能/重力势能/热能的能量密度比较低,它们是将“物质本身物理层面上的能量”(
14、速度/高度/温度)中的很小一部分(速度差/高度差/温度差)转换为了电能。化学能的能量密度高不少,因为它利用了将化学键打断再重新拼接过程产生的化学键键能能量差。核能则是将一部分质量湮灭转换为能量。根据爱因斯坦质量-能量转换方程=2,由于光速 c(3 108m/s)的平方是一个很大的常数,因此只需要很小的质量 m 就能获得很大的能量 E。图图1:几种几种常见的一次能源常见的一次能源 图图2:爱因斯坦质量爱因斯坦质量-能量转换方程能量转换方程 资料来源:物理原理、招商证券 资料来源:物理原理、招商证券 我国核能消费量占比低于世界平均水平我国核能消费量占比低于世界平均水平。据世界能源统计年鉴(2023
15、),核能在全球一次能源消费量中的占比约为 4%,在我国的占比约为 2%,而在法 敬请阅读末页的重要说明 5 行业深度报告 国,其占比达到 32%。考虑到 2035 年,我国核电发电量占比要增至 10%,我们我们认为,我国核能消费量占比提升是认为,我国核能消费量占比提升是必然的趋势。必然的趋势。图图 3:全球及各全球及各国家国家各类一次能源消费量占比(各类一次能源消费量占比(%)资料来源:世界能源统计年鉴、招商证券 核能有三种核能有三种获得获得形式形式:核衰变、核裂变和核聚变核衰变、核裂变和核聚变。(1)核衰变核衰变:一个有放射性的原子核释放出某种粒子而变为另一种原子核的过程;例如,空气中的氩-
16、40 大部分来自钾-40 的衰变。(2)核裂变核裂变:一个大的原子核在受能量或物质冲击后分裂成两个或多个小的原子核并释放能量。最常见的例子是铀-235 裂变:当铀-235 原子核被中子撞击后,该原子核会裂变形成钡()、氪(),及 23 个中子(n)。反应的化学方程如下所示。其他铀-235 原子核被反应所形成的中子撞击后又会再次裂变,这种可持续的过程被称为链式反应。92235+013692+56141+3 01(3)核聚变:)核聚变:两个或多个小的原子核在巨大的能量作用下合并形成一个稍大的原子核并释放能量,最常见的例子是氘氚聚变。氘(12,元素符号 D)、氚(13,元素符号 T)是氢的两个同位素
17、,聚变反应后形成氦(He)和中子(n),反应公式如下。12+13 24+01+17.6 图图4:核裂变的:核裂变的链式反应链式反应(铀(铀-235)图图5:氘氚聚变反应氘氚聚变反应 资料来源:科学网、招商证券 资料来源:科学网、招商证券 核聚变的能量密度核聚变的能量密度是核裂变的百倍是核裂变的百倍。这也符合我们常听说的,氢弹(核聚变)的威力要远远大于原子弹(核裂变)。从数据上看,常用的 D-T 聚变的能量密度是U-235 裂变的百倍:铀235 裂变放出的中子能量大多为 100200 万电子伏,而氘、氚聚变释放出的中子,能量高达 1400 万电子伏。除了能量密度更高,与核除了能量密度更高,与核裂
18、变相裂变相比,核聚变还具有比,核聚变还具有核辐射小、核辐射小、具备具备自限性自限性、原材、原材料丰富等优势。料丰富等优势。6%8%32%3%2%0%4%0%20%40%60%80%100%120%加拿大美国法国日本中国内地 澳大利亚全球石油天然气煤炭核能水电可再生能源 敬请阅读末页的重要说明 6 行业深度报告 表表 1:可控核聚变是人类仍需攻克的难关:可控核聚变是人类仍需攻克的难关 原材料原材料 触发条件触发条件 可控例子可控例子 不可控例子不可控例子 核衰变核衰变 放射性原子核 自发 医院拍 X 光的 X 光 日本核污水排放 核裂变核裂变 易裂变核素,主要包括铀-235、钚-239 和铀-2
19、33 需要外界物质/能量冲击激发,但是激发条件低(一个中子冲击即可),而且裂变过程会释放更多中子,产生链式反应 核电站发电 核电站泄漏、原子弹 核聚变核聚变 氢的同位素(氘、氚)需要大量能量,比如太阳的 1500 万度高温+3000 亿个地球海平面大气压 暂时还未实现暂时还未实现 氢弹 资料来源:华东理工大学核科学与工程学院、科普中国、招商证券 核辐射小:核辐射小:核辐射就是核衰变过程产生的粒子流,对人类威胁最大的核辐射是衰变产生的射线。核聚变的原材料和产物中,只有氚有辐射,其他都是中子、质子和粒子(辐射),一张纸或一块木板就屏蔽掉了,不需要担心辐射。相反,核裂变会产生各种微观粒子和电磁辐射或
20、能量。聚变反应的聚变反应的自限性自限性,使得其若用于发电,安全性远高于核裂变,使得其若用于发电,安全性远高于核裂变:核裂变的触发条件非常低,一个中子的冲击即可,且裂变过程会释放更多中子,产生链式反应。因此,核电站中的核岛(反应发生的地方)通常需要用控制棒、冷却剂、中子慢化剂等装置和物质来控制链式反应。相反,核聚变反应中,两个带正荷的质子相互靠近,产生的极端排斥力需要巨大的能量才能克服。所以,控制核聚变的装置一旦损坏,核聚变的发生条件就不存在了,核聚变自己也就停止了,这就是聚变反应的自限性。但这一点也导致实现核聚变,比实现核裂变的条件更苛刻。原材料原材料较为充足较为充足:裂变的原材料是铀-235
21、 等易裂变核素,但铀-235 只占自然界铀资源的 0.71%,大多数铀以铀-238 的形态存在。相比之下,核聚变的原材料是氢的同位素(氘、氚):仅在海水中就有超过 45 万亿吨氘。氚虽然在自然界中含量极少,但可以由中子辐照锂-6 来生产。正因聚变能的这些优势,我国将核聚变反应堆(简称聚变堆)视为核能发展重要正因聚变能的这些优势,我国将核聚变反应堆(简称聚变堆)视为核能发展重要方向之一方向之一。1983 年,原国家计委、国家科委联合召开“核能发展技术政策论证会”,首次提出我国核能“热堆-快堆-聚变堆三步走”的发展战略。2023 年年 11月月 11 日,“三步走”发展日,“三步走”发展 40 年
22、论坛在京举行,明确了“热堆走稳,快堆走实,年论坛在京举行,明确了“热堆走稳,快堆走实,聚变堆走好”的原则。聚变堆走好”的原则。热堆:热堆:又称热中子反应堆。利用中子能量小于 0.1eV 的热中子实现可控裂变链式反应,缺点是铀资源利用率不足 1%,会产生大量的放射性废物;快堆:快堆:又称快中子反应堆。能够有效利用铀-238 等核废料,实现增殖,将铀利用率提升至 60-70%。释放的放射性废物虽较热堆有所减少,但仍不可忽视。聚变堆聚变堆:与前两者不同,聚变堆产生的放射性废物近乎为零。表表 2:热堆、快堆和聚变堆:热堆、快堆和聚变堆 热堆热堆 快堆快堆 聚变堆聚变堆 所用能源类型所用能源类型 核裂变
23、能 核裂变能 核聚变能 所用中子类型所用中子类型 中子能量小于 0.1eV 的热中子 中子能量大于 0.1MeV 的快中子 工作原理工作原理 将裂变时释放出的中子减速后,再引起新的核裂变,形成链式裂变反应。由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态,这种中子被称为热中子 用钚-239 为燃料,并在其外包裹一层铀-238。钚-239 裂变时释放多个快中子,外围的铀-238 就会捕捉这些快中子,并转变为可裂变的钚-239。这样,核燃料越烧越多,快速增殖 用氢的同位素氘或氚作为燃料,通过高温、高压使其发生聚变反应,释放能量 铀资源利用率铀资源利用率 不足 1%6070%敬请阅读末页的重要说明 7
24、行业深度报告 当前我国发展水平当前我国发展水平 技术成熟,经济性和安全性好,装机规模、建造能力、运行业绩都已达到世界领先水平 已经形成了完备的科研技术体系,示范工程有序推进,后处理示范工程按计划建设 计划到 2050 年聚变工程实验堆试验成功,建设聚变商业示范堆 资料来源:中国科学院、国家原子能机构、招商证券 2、核聚变发电的核聚变发电的最大难点最大难点:Q1、氚自持、氚自持 尽管在原理上,利用核聚变发电显著优于核裂变,但尽管在原理上,利用核聚变发电显著优于核裂变,但目前较成熟目前较成熟的的用于发电的,用于发电的,是核裂变是核裂变,核聚变发电仍然是个尚未解决的问题,核聚变发电仍然是个尚未解决的
25、问题。截至 2022 年 12 月 31 日,全球共有统计在内的核发机组 411 台,其中中国 57 座,占比 14%,仅次于美国。这些核电厂全部是以核裂变为基础的。核裂变发电,已经是主流的发电方式之一。图图 6:各国家核电站:各国家核电站数量占比(数量占比(%)资料来源:世界核电反应堆(2023 年版)、招商证券 为什么目前核电技术以核裂变为主?为什么目前核电技术以核裂变为主?这这要从核能发电的两个基本要求说起,那就要从核能发电的两个基本要求说起,那就是:可控是:可控、持续、持续。(1)可控:可控:可控对于核能来说非常重要可控对于核能来说非常重要,它意味着核反应可以缓慢,它意味着核反应可以缓
26、慢地、地、按照按照需需要要地地发生发生,而不是像,而不是像原子弹(核裂变)、氢弹(核聚变)原子弹(核裂变)、氢弹(核聚变)一样一样,瞬间释放瞬间释放巨大的巨大的能量能量。原子弹、氢弹的能量很难用于发电,这就好像雷雨天的闪电,虽然能量很大,但想利用闪电供给电灯照明,就很困难。核能如果不能做到可控,就像闪电之于点灯。对于核裂变发电来说,对于核裂变发电来说,“可控”“可控”是已经解决的问题。是已经解决的问题。在核岛中,控制棒通过吸收裂变反应产生的部分中子,来调节中子的数量和核裂变反应的速度,使裂变能能够更好地被人类所利用。22141496233美国中国法国俄罗斯韩国加拿大其他 敬请阅读末页的重要说明
27、 8 行业深度报告 图图 7:核电站中的核岛通过:核电站中的核岛通过控制棒控制棒控制链式反应控制链式反应 资料来源:核电站工作原理、招商证券 对于核聚变来说,理论上“可控”也是一个可以解决的问题,只需要控制聚变燃料的浓度即可,但目前核聚变发电,还远没有到达但目前核聚变发电,还远没有到达解决“可控”的阶段解决“可控”的阶段。(2)自持:)自持:自持指的自持指的是反应是反应能够自我持续地能够自我持续地发生,这对于核能的发电价值同样发生,这对于核能的发电价值同样非常重要非常重要。(这里不难发现,“自持”本质是“自限”的反义词,核聚变的自限性使其安全性高于核裂变,却也在实际发电应用上成为了它的劣势。)
28、对于核裂变来说,自持并不难做到对于核裂变来说,自持并不难做到。这是因为链式反应本身具备“自循环”的性质:中子能够从反应堆中输出,撞击铀-235 使其裂变。对于核聚变来说,对于核聚变来说,自持却非常困难,目前纯聚变堆的研究,仍无法实现反应的自自持却非常困难,目前纯聚变堆的研究,仍无法实现反应的自持。持。为了更好地理解为了更好地理解为什么核聚变难以实现可控和自持,为什么核聚变难以实现可控和自持,以下以下我们对里面涉及的技术我们对里面涉及的技术原理及目前的技术方案进行了详细的原理及目前的技术方案进行了详细的分析分析。(1)“可控”的难点:长时间约束原子核“可控”的难点:长时间约束原子核、净能量输出、
29、净能量输出“可控”的“可控”的核心难点在于难以将核心难点在于难以将等离子体等离子体长时间长时间约束在某一个空间内约束在某一个空间内,让它们抵让它们抵抗排斥力抗排斥力、相互碰撞相互碰撞,并实现净能量输出(,并实现净能量输出(Q1)。)。实际上,在太阳这样的恒星当中,聚变反应无时不刻都在发生,那是因为太阳内部温度高达 1500 万 K,压力高达 2500 亿个标准大气压。(因此许多核聚变装置被称为“人造小太阳”)敬请阅读末页的重要说明 9 行业深度报告 图图 8:太阳内部的聚变反应:太阳内部的聚变反应 资料来源:火花学院、招商证券 在地球上要做到这一点需要极大的、稳定且有效的能量输入在地球上要做到
30、这一点需要极大的、稳定且有效的能量输入。拿最常见的氘氚聚变反应为例,当氘、氚等核聚变原料被人为地加热到上亿摄氏度时,它们会进入到一种叫“等离子体”的状态:电子被剥离后,原子核完全裸露,为碰撞创造条件。聚变反应真的发生则需要三点:聚变反应真的发生则需要三点:上亿摄氏度的高温;等离子体有足够的上亿摄氏度的高温;等离子体有足够的密度;足够长的时间将带电的等离子体约束住。密度;足够长的时间将带电的等离子体约束住。早在 1957 年,英国物理学家劳森就提出了聚变三重积的概念:聚变三重积=等离子体的温度等离子体的密度约束时间 这就是著名的劳森判据。当这一数值等于1022时,聚变输出的功率才等于输入的功率,
31、当聚变输出的功率大于输入功率时,聚变体才是有利可图的能源。另一个重要的指标是能量增益因子Q值。Q=输出功率/输入功率,当这一指标大于1时,就说明输出功率大于输入功率。综上,综上,聚变三重积聚变三重积达到达到,又或是,又或是 Q 值值达到达到 1,才是科学上的“盈亏平衡点”(才是科学上的“盈亏平衡点”(scientific break-even)。这也是核聚变能商业)。这也是核聚变能商业化的第一步。我们通常认为,化的第一步。我们通常认为,Q 值大于值大于 30 后,核聚变反应才能真的用于发电,后,核聚变反应才能真的用于发电,真正具备商业价值。真正具备商业价值。为了实现等离子体长时间约束和净能量输
32、出,物理学家们花费了数十年的精力、为了实现等离子体长时间约束和净能量输出,物理学家们花费了数十年的精力、披荆斩棘,发展出了两条披荆斩棘,发展出了两条主流主流技术路径:磁约束聚变和惯性约束聚变。技术路径:磁约束聚变和惯性约束聚变。目前实现目前实现的最长的稳定等离子体约束时间是的最长的稳定等离子体约束时间是 8 分钟分钟(磁约束聚变装置(磁约束聚变装置 WX-7),最高的净,最高的净能量输出值能量输出值是是 Q=1.5(出自出自惯性约束聚变装置惯性约束聚变装置 NIF)。)。图图9:WX-7 仿星器装置(德国)仿星器装置(德国)图图10:NIF(国家点火设施)(国家点火设施)激光激光型惯性聚变装置
33、型惯性聚变装置 资料来源:德国马克斯普朗克等离子体物理研究所、招商证券 资料来源:劳伦斯利福摩尔国家实验室、招商证券 有关磁约束聚变和惯性约束聚变,我们只有关磁约束聚变和惯性约束聚变,我们只对其原理和装置类型做对其原理和装置类型做简单介绍:简单介绍:磁约束聚变磁约束聚变 原理:原理:在特定的强大磁场下,等离子体会绕着指定的路径高速转动。磁约束 敬请阅读末页的重要说明 10 行业深度报告 聚变利用这样的磁场将等离子体约束在有限的体积内,通过低密度、长时间燃烧的方式实现氘、氚等离子体的碰撞。图图 11:磁场下的等离子体绕着制定路径高速转动磁场下的等离子体绕着制定路径高速转动 资料来源:酷玩实验室、
34、招商证券 装置类型装置类型:磁约束聚变装置主要有托卡马克和仿星器两种。磁约束聚变装置主要有托卡马克和仿星器两种。托卡马克的中央是一个环形真空室,外面缠绕着线圈。通电的时候,托卡马克内部产生的螺旋型磁场会将里面的等离子体加热到很高的温度,将其约束住。仿星器也是环形的,但它的磁场更加“扭曲”,被认为能够更好地控制等离子体,防止其破裂;缺点是结构复杂、体积大,成本过高。目前,托卡马克是所有核聚变约束装置中应用最成熟的类型。著名的 ITER 国际实验堆项目就是一个大型的托卡马克,预计于今年完成第一期装置建设,于 2025 年获得首次等离子体放电。图图12:全球设计规模最大的托卡马克装置全球设计规模最大
35、的托卡马克装置 图图13:托卡马克和仿星器(“甜甜圈”和“麻花”)托卡马克和仿星器(“甜甜圈”和“麻花”)资料来源:ITER、招商证券 资料来源:德国马克斯普朗克等离子体物理研究所、招商证券 惯性约束聚变惯性约束聚变 原理:原理:惯性约束聚变是利用粒子的惯性作用来约束粒子本身,从而实现核聚变反应的一种方法。它的本质是利用驱动器提供的电能使存放在微型靶丸中的核聚变燃料气体变成等离子体,在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内,通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态。装置类型:装置类型:按照驱动方式可分为激光驱动和按照驱动方式可分为激光驱动和 Z-箍缩驱动两种箍缩驱动两种,分
36、别通过激光和磁场的能量来“点燃”氢气体燃料。国际上备受关注的国家点火设施”(NIF)属于激光驱动型惯性约束聚变装置,于 2022 年年底首次“点火”,Q 值略超 1.5。敬请阅读末页的重要说明 11 行业深度报告 图图14:激光驱动原理激光驱动原理 图图15:Z-箍缩驱动原理箍缩驱动原理 资料来源:了不起的中国制造、招商证券 资料来源:新石器公园、招商证券 表表 3:各类纯核聚变装置对比:各类纯核聚变装置对比 磁约束聚变磁约束聚变 惯性约束聚变惯性约束聚变 托卡马克托卡马克 仿星器仿星器 激光型激光型 Z-箍缩箍缩 亮点亮点-目前最成熟的装置-能够较好地控制/约束等离子体-输出能量/输入能量比
37、最高-有望解决激光型装置维持时间短的问题-能量转换效率比激光型高:电能到 X 射线的转换效率高达 15%劣势劣势-建造规模大-技术复杂-成本高-落后托卡马克两代,技术不成熟-成本高-维持时间短,难以作为能源使用-成本高-离商用标准还有一定距离-成本高 代表性装置代表性装置 ITER(国际)、EAST(中国)、环流三号(中国)、Jet(欧盟)、JT-60SA(日本)W7-X(德国)NIF(美国)、神光系列(中国)Z(美国)、聚龙一号(中国)最新进展最新进展 EAST 实现 403 秒稳态高约束等离子体运行(2023.4)JT-60SA“点火”(2023.11)环流三号实现 100 万安培等离子体
38、电流下的高约束模式运行(2023.8)W7-X 持续放电 8 分钟(2023.3)NIF“点火”,Q1.5(2022.12)资料来源:腾讯新闻、澎湃新闻、中国科学院、招商证券(2)“自持”的难点:氚自持“自持”的难点:氚自持、能量自持、能量自持 核聚变发电的第二个难点是“自持”。自持的核心难点有两个自持的核心难点有两个:一个:一个是氚(原料)是氚(原料)的自持,另一个是能量的自持。的自持,另一个是能量的自持。氚的自持:氚的自持:氚是核聚变反应所需的燃料当中最稀缺的。地球表面自然环境中任一时刻拥有的氚只有几公斤,海水中并没有取之不竭的氚,也取不出来。因此,如果只是用现有的氚来实现核聚变发电的话,
39、反应没有足够的原料,无法长时间持续。因此必须想办法在核聚变的过程中,自己不断的产生氚,也就是实现氚自持。能量的自持:能量的自持:我们之前提到过,要实现等离子体长时间约束和净能量输出需要巨大的能量。如果仅靠外界来输入所需的能量,是非常不现实的。最好的方式就是将反应自身产生的能量循环利用。然而,聚变反应产生的是高能量的中子,这种中子并不能让氢同位素燃料再次聚变。因此,能量的自我持续也很难实现。敬请阅读末页的重要说明 12 行业深度报告 正因为“可控”和“自持”这两大痛点难以得到解决,各大纯聚变堆的经济性大正因为“可控”和“自持”这两大痛点难以得到解决,各大纯聚变堆的经济性大大降低,人们对于核聚变实
40、现发电的预期年限大降低,人们对于核聚变实现发电的预期年限也也逐步提升。逐步提升。经济性上经济性上,据我国核物理专家彭先觉院士,一个 100 万千瓦的磁约束聚变电站的成本预计超过 100 亿美元。一个 100 万千瓦的激光型惯性约束聚变电站估计需要 100 亿美元左右;Z 箍缩驱动的则有可能超过 100 亿美元。相较之下,同等级能量的热中子电站成本仅不到 20 亿美元,快中子电站则可能加倍。因此,无论是哪种技术路径,纯聚变能在经济性上都缺乏优势。表表 4:全球主要几大磁约束聚变装置经济性分析:全球主要几大磁约束聚变装置经济性分析 EAST Torus-60SA ITER JET WX-7 建设花
41、费时间建设花费时间 6 年 15 年 19 年(预估)4 年 9年(100万个工时)建设投入资金建设投入资金 3 亿元人民币 200 亿美元 10 亿欧元 资料来源:中国核技术网、澎湃、腾讯新闻、招商证券 时间上,时间上,纯聚变装置的建设常常因为资金的紧缺和技术突破的难度而延缓。以国际项目 ITER 为例,2023 年,该项目各项开支严重超标,成本预计翻番。2015年,经项目审核确认,时间轴至少往后延 6 年。图图 16:ITER 项目进展复盘项目进展复盘 资料来源:澎湃新闻、央视网、招商证券 3、混合堆混合堆:“可控”“可控”、“自持”“自持”、“安全性”、“安全性”问题问题有望有望一并解决
42、一并解决 在纯聚变能应用的重重困境下,聚变在纯聚变能应用的重重困境下,聚变-裂变混合堆裂变混合堆应运而生应运而生。混合堆被认为是目混合堆被认为是目前最具商业化机会的堆型之一,也被视为纯聚变堆真正应用前的“过渡”堆型。前最具商业化机会的堆型之一,也被视为纯聚变堆真正应用前的“过渡”堆型。混合堆通过一种非常特殊的设计,有效地结合了聚变能和裂变能的优势,能够同混合堆通过一种非常特殊的设计,有效地结合了聚变能和裂变能的优势,能够同时达到核能发电安全、可控、可持续的要求。时达到核能发电安全、可控、可持续的要求。和聚变堆相比,和聚变堆相比,混合堆的核心优势在于能够解决纯聚变能应用“可控”和“自持”混合堆的
43、核心优势在于能够解决纯聚变能应用“可控”和“自持”两大痛点。两大痛点。我们我们首先首先从混合堆的结构设计来从混合堆的结构设计来理解混合堆。理解混合堆。一个聚变-裂变混合堆有两个构成部分:聚变堆和裂变堆,聚变堆在混合堆的中心位置,裂变堆以包层的形式出现在混合堆的外围。聚变堆中有氘、氚等燃料。裂变包层中通常有铀-238 或钍-232(这两个元素被认为是核废料)以及锂-6。敬请阅读末页的重要说明 13 行业深度报告 图图 17:聚变:聚变-裂变混合堆结构裂变混合堆结构 资料来源:聚变-裂变混合堆在未来核能系统中的作用和发展前景、招商证券 其次,我们可以通过混合堆的运行过程来理解它如何其次,我们可以通
44、过混合堆的运行过程来理解它如何解决解决了“可控”和“自持”了“可控”和“自持”两大问题。两大问题。运行过程:一方面,运行过程:一方面,聚变堆中的氘和氚反应后,产生高能中子,这些中子撞击外层铀-238 或钍-232,裂变反应发生:铀-238 增殖成钚-239,钍-232 增殖成铀-233,释放能量。此外,生成的钚-239 和铀-233 都是核燃料,这些核燃料可循环利用,再次燃烧产生能源。另一方面,另一方面,高能中子撞击外层的锂-6 后形成氚,这些氚又能再次作为聚变堆的燃料。图图 18:聚变:聚变-裂变混合堆运行示意图裂变混合堆运行示意图 资料来源:聚变-裂变混合堆在未来核能系统中的作用和发展前景
45、、招商证券(1)如何解决了“可控”?如何解决了“可控”?等离子体性能要求更低,能量需求更低:等离子体性能要求更低,能量需求更低:纯聚变堆依赖聚变能来实现发电,因而要求聚变产生的能量远大于消耗的能量。混合堆中的聚变堆主要作用为生产高能 敬请阅读末页的重要说明 14 行业深度报告 中子来使裂变包层释放裂变能,要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了。因此,混合堆对堆芯等离子体性能及第一壁材料(用于制造聚变堆内包容等离子体区和真空区部件的材料)要远低于纯聚变堆。(2)如何解决了自持?如何解决了自持?氚自持:氚自持:聚变堆中,氚是不可多得的消耗品。但是混合堆中,堆芯产生的中子可以使裂变外包层中
46、的锂-6 变成氚,补充氚的消耗。能量自持:能量自持:裂变包层中,裂变反应产生的钚-239 和铀-233 本身就是核燃料(而非核废料),能够进一步燃烧释放能量,这个能量大大超过了聚变部分点火消耗的能量。综上,综上,混合堆混合堆较聚变堆较聚变堆更具商业化的可能性更具商业化的可能性,具体,具体表现表现为为值较纯聚变堆高出值较纯聚变堆高出几个数量级几个数量级。据Fusion-Fission Hybrid:Yesterday,Today,and Tomorrow,Q 值并不是衡量能量应用技术成熟度的唯一指标。除 Q 值外,中子质量产率(缩写:,单位:克/天)、稳态运行时间(缩写:,单位:年),以及工作因
47、子 C 也是重要的考虑因素。因此,一个叫的指标经常被用来衡量现有以及未来装置的可行性,=20。表 7 展示了几个纯聚变装置(JET、NIF、ITER)、混合堆(FNS-ST、DEMO-FNS、DEMO)以及 PROTO(一个理想的商用聚变能电站)的主要指标。可以看到,PROTO 所需的的值为1 104,几个纯聚变装置的值离 PROTO 的值还有很大的距离。对比之下,混合堆的值离 PROTO 的值就要接近得多:纯聚变装置和混合堆的值差了五个数量级。表表 5:几大主要装置的核心指标几大主要装置的核心指标 ()T(keV)(s)(g/day)(yr)C Q JET 1 10 0.3 0.35 3.5
48、 107 0.1 1 4 108 NIF 1012 0.2 2 1011 108 106 0.1 0.015 4 1015 ITER 1 10 3.5 25 104 0.25 10 2 102 FNS-ST 1 2 0.05 0.2 1 0.3 0.2 6 103 DEMO-FNS 1 4 0.3 2 1 0.3 1 7 101 DEMO 1 15 5 50 1 0.5 25 2 103 PROTO 1 15 6 150 1 0.8 30 1 104 资料来源:Fusion-Fission Hybrid:Yesterday,Today,and Tomorrow、招商证券 和裂变堆相比,混合堆的
49、核心优势在于安全性更高、铀资源利用率和裂变堆相比,混合堆的核心优势在于安全性更高、铀资源利用率、环保性、环保性更高。更高。安全性方面:安全性方面:裂变堆中的链式反应,如果控制不当极易引发安全事故,这也是制约传统核电站发展的一大核心因素。例如,2011 年,日本福岛发生重大核泄漏事故,2012 年,全球核能发电明显减少。反观混合堆,其裂变部分处于次临界(subcriticality)状态(临界是指由某一种状态或物理量转变为另一种状态或物理量的最低转化条件,在核反应中,当裂变材料达到临界状态时,裂变反应就会持续进行下去),不会引起核爆等安全问题。敬请阅读末页的重要说明 15 行业深度报告 图图19
50、:福岛核电站泄漏事故现场福岛核电站泄漏事故现场 图图20:2012 年全球核能发电明显减少年全球核能发电明显减少 资料来源:青岛新闻网、招商证券 资料来源:世界核能协会、招商证券 铀资源利用率方面:铀资源利用率方面:裂变堆需要用到有限的铀-235 作为反应原料;混合堆则是将核废料转化为核燃料,能够从同样数量的铀中获得更多的能量,大大提升了铀资源的使用效率。环保:环保:裂变运行的过程中会不断生产长寿命的裂变产物和锕系核素,对环境安全造成威胁。混合堆可以对锕系核素等长寿命废物进行嬗变(将一种元素通过核反应转化为另一种元素),消除这一环境隐患。三、三、混合堆混合堆“核”时可行?“核”时可行?混合堆的
51、本质是聚变堆和裂变包层的结合,因此,纯聚变技术的发展,以及裂变包层安全性的提升,对于混合堆最终的商用有着深远的意义。实际上,很多混合堆堆芯的设计就是一个小型的托卡马克/Z 箍缩装置,只不过对于能量的要求没有那么高。尽管人类在聚变能上实现的突破已经足以满足一个商业混合堆的理论基础功能,混合堆仍有一些实际应用上的技术难点亟待解决。近年来,近年来,超导材料、超导材料、高约束运行模式高约束运行模式(H 模)模)等等方面的突破已经大大缩短了科学家们对于实现混合堆方面的突破已经大大缩短了科学家们对于实现混合堆商用的的预期。随着资金及人才的不断涌入,商用的的预期。随着资金及人才的不断涌入,这些技术难点有望迎
52、刃而解。这些技术难点有望迎刃而解。1、混合堆研究行至何处?混合堆研究行至何处?混合堆的概念早在 1953 年就被提出,已经历了几十年的发展。在混合堆的研究在混合堆的研究上,上,俄罗斯俄罗斯和和我国我国走在世界前列走在世界前列。俄罗斯俄罗斯 俄罗斯是俄罗斯是世界上研究核聚变资历最深的国家之一世界上研究核聚变资历最深的国家之一,计划于,计划于 2030/2040 年建成原年建成原型型/商用商用聚变聚变-裂变裂变混合堆。混合堆。早在苏联时期,俄罗斯的受控核聚变研究就已经世界领先。1977 年,库尔恰托夫研究所提出了俄罗斯第一代聚变-裂变混合堆设计方案:在等离子体层外安装裂变材料包层,利用等离子体层中
53、产生的高能中子引发包层中的裂变材料发生裂变。如今,俄罗斯已经设立了以托卡马克装置和聚变材料测试装置为基础的混合堆发展战略。该战略可以分为三步:该战略可以分为三步:敬请阅读末页的重要说明 16 行业深度报告 图图 21:俄罗斯的:俄罗斯的聚变聚变-裂变混合堆发展路线图裂变混合堆发展路线图 资料来源:俄罗斯裂变-聚变混合堆研发进展、招商证券 1、建成建成 T-15MD 托卡马克装置托卡马克装置(已完成)(已完成)T-15MD 是是俄罗斯俄罗斯混合堆混合堆的“聚变”部分的“聚变”部分,于,于 2023 年年 4 月首次实现稳定等离子月首次实现稳定等离子体体。T-15MD 由俄罗斯原有的 T-15 装
54、置升级而成。T-15MD 作为聚变中子源的物理原型,用于开展以中子源为基础的混合堆物理基础研究。在原计划中,T-15MD 应当于 2020 年启动,但实际上,该装置于 2021 年 5 月才真正启动。2023 年 4 月,俄罗斯库尔恰托夫研究所宣布,T-15MD 首次实现稳定的等离子体运行。图图 22:T-15MD 托卡马克装置托卡马克装置发展史发展史 资料来源:俄罗斯裂变-聚变混合堆研发进展、招商证券 2、建成建成 DEMO-FNS(未完成)(未完成)DEMO-FNS 是一个为了证明聚变能可以是一个为了证明聚变能可以产生产生净电力的示范装置,也是净电力的示范装置,也是全球全球DEMO 计划的
55、计划的一个代表性装置一个代表性装置。DEMO(Demonstration 的缩写;示范)是一个全球的计划,目标是在 ITER 证明了核聚变能获得净能量后进一步证明聚变能可以产生净电力。DEMO-FNS(DEMO 聚变中子源)是俄罗斯的一个聚变-裂变混合堆示范项目,目标是实现嬗变、增殖氚、生产易裂变核素以及发电功能。除俄罗斯外,欧盟、印度、日本、韩国等国也有自己的 DEMO 计划。表表 6:全球:全球其他地区其他地区的的 DEMO 计划计划 国家国家/地区地区/组织组织 项目项目/装置装置名称名称 所处阶段所处阶段 目标目标/计划计划 欧洲聚变联盟 通过产生几百兆瓦的净电力证明聚变的技术和经济可
56、行性 印度 SST-2 装置 在 2027 年左右对 DEMO 的反应堆概念和组件作出鉴定,然后将在 2037年开始建造 DEMO 日本聚变 DEMO 特别联合设计小组 进行稳态 DEMO 的概念研究 在 2035 年左右开始建设 韩国 K-DEMO 概念设计研究 在 2037 年之前开始建设,并有可能在 2050 年开始发电。资料来源:核聚变示范电厂:通往大规模商业发电的石阶、招商证券 计划中,计划中,DEMO-FNS 应于应于 2023 年建成,年建成,聚变功率达聚变功率达到到 3040MW,裂变功率达裂变功率达 敬请阅读末页的重要说明 17 行业深度报告 到到 400500MW。2019
57、 年,库尔恰托夫研究所启动 DEMO-FNS 的设计工作;2010 年完成初步设计方案;2011-2012 年开展概念设计;2013-2014 年开展工程设计。DEMO-FNS 的设计寿命为 30 年,设计的聚变/裂变功率分别为3040MW、400500MW,聚变能增益系数约为 1。该装置计划于 2023 年建成,但截至目前,这个目标尚未实现。图图 23:DEMO-FNS 设计图设计图 资料来源:Design status of the DEMO-FNS Steady State Tokamak in RF、招商证券 3、建设建设原型原型/商用聚变商用聚变-裂变混合堆裂变混合堆(未完成)(未完
58、成)俄罗斯预计于 2030 年前建成原型聚变-裂变混合堆,于 2040 年前建成商用聚变-裂变混合堆。中国中国 我国我国的混合堆研究的混合堆研究已逐步已逐步聚焦于聚焦于 Z 箍缩聚变箍缩聚变-裂变混合堆这一技术路径上裂变混合堆这一技术路径上。1980年中国核学会成立大会上,中国原子能院李寿楠研究院首次提出我国发展聚变-裂变混合堆道路的建议。1985-2000 年,我国政府正式将聚变-裂变混合堆列入高科技“863”发展计划。2000 年后,合肥等离子体研究所开展了系列聚变-裂变混合堆概念的创新设计。2009 年,北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室彭先觉、师学明发表论文,指出传统的混合堆研
59、究陷入了困境:增殖堆有不扩散的制约,嬗变堆则面临超铀元素装量巨大的困难。2010 年,中国工程物理研究院提出 Z 箍缩聚变裂变混合能源堆(Z-FFR)的概念,较传统的混合堆具备更高的技术可行性。Z 箍缩箍缩聚变聚变-裂变混合堆裂变混合堆具备具备下列优势:下列优势:技术要求低:技术要求低:具体表现在聚变功率、材料耐辐照和氚资源消耗等;铀利用率高:铀利用率高:之前提到过,热堆的铀利用率小于 1%,快堆的铀利用率达60-70%,Z 箍缩混合堆能将铀利用率提高到 90%以上。经济性强:经济性强:预计 1GWe 电站造价约为 30 亿美元,不到纯聚变电站的 1/3。敬请阅读末页的重要说明 18 行业深度
60、报告 我国已经完成我国已经完成 Z 箍缩混合堆的概念设计箍缩混合堆的概念设计。2015 年,我国已经初步完成了热功率为 3000 兆瓦的 Z 箍缩聚变-裂变混合反应堆概念设计。预计 2030 年前后通过系统集成建成实验堆。图图 24:Z-FFR 工程设计图工程设计图 资料来源:中国工程物理研究院、招商证券 此外,此外,中核中核集团集团与与联创联创光电光电合作合作的的两百亿混合堆项目正逐步落地。两百亿混合堆项目正逐步落地。11 月 12 日,中核集团与江西省政府签署全面战略合作框架协议,计划在铀资源、综合矿业、核电厂址保护、聚变能源、新能源、核医疗、核技术创新、环保产业、数字经济等 10 大方面
61、开展合作。江西联创光电超导应用有限公司和中核聚变(成都)设计研究院有限公司将联合建设聚变-裂变混合实验堆项目,计划实现 Q 值大于30,连续发电功率 100MW。工程总投资预计超过 200 亿元人民币。2、可控核聚变可控核聚变产业链边际变化产业链边际变化 近年来,近年来,可控可控核聚变产业链实现了许多突破,使得科学家们核聚变产业链实现了许多突破,使得科学家们对于实现混合堆商用对于实现混合堆商用所需时间的预期大幅缩短。所需时间的预期大幅缩短。同时,这些突破也吸引了大量的资金流入核聚变行业,同时,这些突破也吸引了大量的资金流入核聚变行业,有望进一步推动行业发展。有望进一步推动行业发展。超导材料超导
62、材料是实现可控核聚变的是实现可控核聚变的必经之路必经之路。尽管混合堆的应用难度已经较纯聚变堆尽管混合堆的应用难度已经较纯聚变堆减少了许多,很多问题依然存在,其中,最重要的就是等离子体的长脉冲(或稳减少了许多,很多问题依然存在,其中,最重要的就是等离子体的长脉冲(或稳态)运行与控制。态)运行与控制。作为目前最成熟的聚变装置,托卡马克存在能量耗散严重、线圈发热的情况:要想托卡马克内的约束磁场能够长时间稳定运行,必须施加足够强的电流,但这样一来,线圈就容易发热,能量耗散严重。高温超导材料能够解决这一问题。超导材料是拥有完全导电性、完全抗磁性和宏观量子效应三大基本特性的新材料,使用这种材料能够大大提升
63、一定电流强度下所允许的最高磁场强度,实现长时间、高约束等离子体运行。有了足够强的磁场,托卡马克装置的体积也能大幅缩小。敬请阅读末页的重要说明 19 行业深度报告 图图 25:高温超导材料改变了高温超导材料改变了一定电流强度下允许的最高磁场强度一定电流强度下允许的最高磁场强度 资料来源:SPARC and the high-field path to commercial fusion energy、招商证券 部分超导材料制备工艺已经成熟,有望带来百亿级市场空间。部分超导材料制备工艺已经成熟,有望带来百亿级市场空间。目前,高温超导材料中,Bi 系(BSCCO)、Y 系(YBCO)和 MgB2 的
64、应用最为广泛,铁基超导体也很受关注。Bi 系超导材料中,226+(2201)、2228+(2212)和222310+(2223)三种材料的制备方法已经成熟,美国超导公司、中国西部超导公司等均可批量化生产千米长的带材。铁基超导材料方面,中国科学院电工研究所马衍伟团队于 2016 年成功制备出了世界首根量级达百米的铁基超导线材,又于 2018 年通过热压工艺优化得到了(临界电流密度)高达 150kA/2的铁基带材。整体来看,超导材料整体来看,超导材料已经已经进入了产业化发展进入了产业化发展的初期阶段。据的初期阶段。据基于可控核聚变技术跟踪及商业应用的启示与建议,超导材基于可控核聚变技术跟踪及商业应
65、用的启示与建议,超导材料行业未来料行业未来 5 年年 CAGR 将达到将达到 115.7%,对应市场空间达百亿级别。,对应市场空间达百亿级别。SPARC 基于高温超导技术,基于高温超导技术,进一步点燃人们对于进一步点燃人们对于可控核聚变的希望。可控核聚变的希望。2021 年,麻省理工学院及 CFS(联邦聚变系统)研制出了全球首个大口径高温超导聚变强场磁体,磁场强度达到空前的 20 特斯拉,大幅增强了等离子体的约束性能,也使得聚变堆小型化成为可能。此外,CFS 宣称将在 2025 年完成 SPARC 紧凑型核聚变实验装置,并计划在 2030 年代初完成 ARC 工程实验堆,实现聚变发电。图图 2
66、6:SPARC 发展计划发展计划及进度及进度 资料来源:SPARC and the high-field path to commercial fusion energy、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 20 行业深度报告 大量资金涌入核聚变赛道大量资金涌入核聚变赛道,行业发展按下加速键。行业发展按下加速键。国际上:国际上:SPARC 计划推出计划推出以后,全球以后,全球核聚变核聚变行业行业投资投资出现出现爆发式增长爆发式增长。据FIA全球聚变行业报告数据,2021、2022 年全年投资总额达 28 亿、48亿美元。此前,2011-2020 年十年累计投资金额也才 20 亿美元。国内:国内:
67、国内公司、院所等多方社会团体也在积极布局核聚变领域。国内公司、院所等多方社会团体也在积极布局核聚变领域。2023 年12 月 29 日,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,标志着国家及其他社会团体对于可控核聚变的重视程度及投入力度的进一步提升。四、四、投资建议及投资建议及产业内主要公司产业内主要公司 可控核聚变产业仍处于初期阶段,产业未来会如何发展具备较强的不确定性,我们建议积极跟踪关注行业技术突破进展。此外,我们对我们对部分部分已经布局了可控核聚已经布局了可控核聚变产业的公司做了如下的梳理变产业的公司做了如下的梳理。1、联创光电联创光电 发展重心转向发展
68、重心转向超导超导领域领域:联创光电传统业务为光电通信系统设备及光电元器件,产品包括继电器、微电脑控制器、信息传输线缆、通信终端及系统设备等。2019年起,公司积极开拓超导业务,子公司联创超导研制出全球首个兆瓦级高温超导感应加热装置,能效转化率提升一倍,节能 50%。此后,公司专注于大功率高温超导强磁场感应加热设备等的研发、设计和生产,超导磁体及应用端装备集成的技术已达到全球领先水平。2023 年是公司超大功率高温超导感应加热器实现商用的元年,截止 2023 年第三季度,公司在手订单突破 60 台,累计交付 8 台。与中核聚变设计研究院与中核聚变设计研究院强强联手强强联手:11 月 12 日,公
69、司子公司联创超导与隶属中核集团的中核聚变设计研究院签订战略合作协议。著名的“环流二号”(HL-2M)及“环流三号”(HL-3M)装置均为中核集团的项目,分别于 2022 年 10 月、2023年 8 月突破 100 万安培(1 兆安)等离子体电流。联创超导的超导磁体技术,叠加中核集团丰富的磁约束聚变实验经验,有望达成 1+12 的效果。图图 27:联创:联创超导全球超导全球首台首台兆瓦级高温超导感应加热装置兆瓦级高温超导感应加热装置 资料来源:澎湃、招商证券 2、国光电气国光电气 ITER 及及 CFETR(国产(国产 ITER)项目项目核心核心零件供应商:零件供应商:国光电气主营业务为(1)
70、敬请阅读末页的重要说明 21 行业深度报告 微波器件、(2)核工业设备及零部件、(3)其他民用产品三大块。其中,核工业设备及零部件业务包括热氦检漏设备、偏滤器、包层系统和阀门。核工业核工业设备方设备方面,面,公司于 2014 年开始对 ITER 高灵敏度大型真空热氦检漏技术进行研究,是全球首家研制出满足 ITER 技术标准“ITER 热氦检漏设备”企业,相关产品属于产业独创,技术水平领先行业。热氦检漏是检验聚变堆真空室内高温承压部件真空密封性的核心技术,也是有效保障聚变堆安全稳定运行的关键环节。零部件零部件方面,方面,公司研制的偏滤器是 ITER 项目、我国 CFETR 及 HL-2M 等聚变
71、项目的关键部件,主要功能是有效地屏蔽来自器壁的杂质,减少对中心等离子体的污染。图图 28:偏滤器在一个核聚变实验堆中的位置偏滤器在一个核聚变实验堆中的位置 资料来源:三束材料改性教育部重点实验室、中科院等离子体物理研究所、招商证券 3、雪人股份雪人股份 国内冷库龙头,拓展氦气压缩机新兴领域:国内冷库龙头,拓展氦气压缩机新兴领域:雪人股份是国内冷库行业的龙头企业,传统产品包括制冰设备等。2010 年,公司通过收购瑞典公司 SRM,聚焦制冷压缩机领域,成功将海外技术经验融入到国内科研项目研发中。2015 年雪人股份与中科院理化所合作成立了氦气压缩联合实验室,推动氦气压缩机研发、关键零部件生产装配的
72、完全国产化。目前,公司的“兆瓦级”大型氦气压缩机设备能够模拟接近绝对零度的低温环境(约-271 摄氏度)。氦气螺旋压缩机组氦气螺旋压缩机组是实现超导的必要设备。是实现超导的必要设备。可控核聚变装置不仅需要超高温,也需要超低温。这是因为,超导体通常需要在非常低的环境温度中运用。氦气的临界温度最低,是最难液化的气体。氦气螺杆压缩机能够实现超低温,满足了超导托卡马克装置的需要,是许多“人造小太阳”科学工程的核心部件。2021 年 4月,公司向中科院合肥物质科学研究院提供的氦气螺杆压缩机组成功应用于全超导托克马克核聚变实验装置当中,整体设备实现了-269 摄氏度的超低温制冷。敬请阅读末页的重要说明 2
73、2 行业深度报告 图图 29:SRM 是螺杆压缩机领域的鼻祖是螺杆压缩机领域的鼻祖 资料来源:压缩机网、招商证券 图图 30:氦气螺杆压缩机:氦气螺杆压缩机 资料来源:压缩机网、招商证券 4、合锻智能合锻智能 承接了核聚变真空室构件的研制工作:承接了核聚变真空室构件的研制工作:合锻智能跟能源研究院对聚变能开发、产业发展、技术攻关、应用研究,制造工艺等方面开展深度合作,共同打造服务于核聚变装备的专业化制造平台。真空室是核聚变装置中等离子体直接运行的地方。真空室是核聚变装置中等离子体直接运行的地方。在核聚变装置中,等离子体需要在真空室中运行,以避免其受到外界环境的污染。5、中国核电中国核电 中国核
74、电控股股东中核集团拥有完整核燃料循环产业链,在四代核电技术及可控核聚变等领域均有领先布局。公司坚决贯彻国家核能发展“三步走”战略,有望与中核集团在四代核电技术及聚变技术研究方面产生协同。公司 2023 年获批核电机组 4 台,当前在建及核准待建机组 15 台(1756.5 万千瓦)。6、中中国广核国广核 2023 年,中国广核同样获批核电机组 4 台,目前在建及核准待建机组合计达 11台(1324.6 万千瓦),其中防城港 4 号机组预计于明年上半年投产,2025 年计 敬请阅读末页的重要说明 23 行业深度报告 划新增 1 台核电机组,2026-2027 年分别计划新增 2 台核电机组。五、
75、五、风险提示风险提示 1、技术突破不及预期:技术突破不及预期:可控核聚变产业仍处于预研阶段,技术突破的速度具备较高不确定性。如果研究遇到未预见的瓶颈,产业内公司或受到较大影响;2、资金投入超预期资金投入超预期:许多托卡马克实验堆在建设的过程中所花费的资金都超过了人们最开始的预期,导致了工程的延误。如果这种情况再度发生,产业内零部件供应商或受到较大影响。敬请阅读末页的重要说明 24 行业深度报告 分析师分析师承诺承诺 负责本研究报告的每一位证券分析师,在此申明,本报告清晰、准确地反映了分析师本人的研究观点。本人薪酬的任何部分过去不曾与、现在不与,未来也将不会与本报告中的具体推荐或观点直接或间接相
76、关。评级评级说明说明 报告中所涉及的投资评级采用相对评级体系,基于报告发布日后 6-12 个月内公司股价(或行业指数)相对同期当地市场基准指数的市场表现预期。其中,A 股市场以沪深 300 指数为基准;香港市场以恒生指数为基准;美国市场以标普 500 指数为基准。具体标准如下:股票评级股票评级 强烈推荐:预期公司股价涨幅超越基准指数 20%以上 增持:预期公司股价涨幅超越基准指数 5-20%之间 中性:预期公司股价变动幅度相对基准指数介于5%之间 减持:预期公司股价表现弱于基准指数 5%以上 行业评级行业评级 推荐:行业基本面向好,预期行业指数超越基准指数 中性:行业基本面稳定,预期行业指数跟
77、随基准指数 回避:行业基本面转弱,预期行业指数弱于基准指数 重要重要声明声明 本报告由招商证券股份有限公司(以下简称“本公司”)编制。本公司具有中国证监会许可的证券投资咨询业务资格。本报告基于合法取得的信息,但本公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证。本报告所包含的分析基于各种假设,不同假设可能导致分析结果出现重大不同。报告中的内容和意见仅供参考,并不构成对所述证券买卖的出价,在任何情况下,本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。除法律或规则规定必须承担的责任外,本公司及其雇员不对使用本报告及其内容所引发的任何直接或间接损失负任何责任。本公司或关联机构可能会持有报告中所提到的公司所发行的证券头寸并进行交易,还可能为这些公司提供或争取提供投资银行业务服务。客户应当考虑到本公司可能存在可能影响本报告客观性的利益冲突。本报告版权归本公司所有。本公司保留所有权利。未经本公司事先书面许可,任何机构和个人均不得以任何形式翻版、复制、引用或转载,否则,本公司将保留随时追究其法律责任的权利。