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 01 月 24 日 推荐推荐（维持维持）托卡马克的发展史全梳理托卡马克的发展史全梳理 中游制造/机械 托卡马克是当前最具商业化潜力的核聚变托卡马克是当前最具商业化潜力的核聚变技术路径技术路径之一，也是各个大国开展聚之一，也是各个大国开展聚变实验时重点聚焦的技术路径。变实验时重点聚焦的技术路径。随着高温超导技术的突破，民营资本大量涌入随着高温超导技术的突破，民营资本大量涌入可控核聚变赛道，“洪荒可控核聚变赛道，“洪荒 70”（能量奇点）、“”（能量奇点）、“SUNIST-2”(星环聚能星环聚能)等托等托卡马克装置卡马克装置运行运
2、行进程提速。进程提速。在这篇报告中，我们主要梳理了托卡马克的运行原在这篇报告中，我们主要梳理了托卡马克的运行原理及构成理及构成、其长达、其长达 50 年的年的发展史发展史、目前、目前面临的技术上的挑战面临的技术上的挑战，以及各国科学，以及各国科学界界对于对于托卡马克托卡马克未来未来发展发展的展望。的展望。托卡马克：磁约束聚变路径的主流装置，磁体系统是核心部件。托卡马克：磁约束聚变路径的主流装置，磁体系统是核心部件。磁约束聚变，顾名思义，就是利用磁场来约束带电的等离子体。磁约束聚变装置包括托卡马克、仿星器、磁镜等。托卡马克在技术上最成熟，理论上更可行，已成为可控磁约束聚变研究的主流。由各种线圈组
3、成的磁体系统是托卡马克的核心部件。发展史：从越建越大到越建越紧凑。发展史：从越建越大到越建越紧凑。大半径、小半径和磁场强度这三个参数共同决定了托卡马克装置能实现多少聚变三重积。因此，在没有超导材料或其他技术加成的情况下，托卡马克建得越大，它的等离子体约束能力和净能量输出的能力就越好。随着经济、时间成本水涨船高，如何提升磁场强度成为了人们关注的方向，超导（包括普通超导和高温超导）技术就是实现托卡马克小型化、紧凑化的突破口。目前，托卡马克还处于实验堆的阶段，一切目前，托卡马克还处于实验堆的阶段，一切技术上技术上的突破都是为了之后的示范堆和的突破都是为了之后的示范堆和聚变电站聚变电站打基础。打基础。
4、主要难点：等离子体“大破裂”的预防和应对，以及材料的选择。主要难点：等离子体“大破裂”的预防和应对，以及材料的选择。首先，由于等离子体的不稳定性，“大破裂”是几乎所有的托卡马克在运行中都会遇到突发的失控事件，具体表现为等离子体极快的冷却和电流损失。截至目前，还没有哪个托卡马克装置能够完全避免这种现象的发生。其次，“大破裂”发生时，面对等离子体的材料元件会受到很大的机械应力和电磁负载，然后变形。因此，器壁材料的选择非常重要，包括第一壁材料和偏滤器材料。未来展望：未来展望：各国原先的规划为 2030 年-2050 年左右完成示范堆和聚变电站的建设。我国计划 2030 年建成 CFETR 工程堆，2
5、050 年建成 PFPP 原型电站。但是，高温超导、混合堆等技术的加速突破，以及民营资本的涌入可能会加速这一过程。以我国为例，初创公司能量奇点计划在 2024 年内建成运行“洪荒 70”并点燃等离子体，未来 10-15 年内建成经济聚变发电商业示范堆。2023 年 7 月，我国清华大学和星环聚能联合建设的 SUNIST-2 球形托卡马克建成并开展了首轮运行，获得 100 千安培等离子体电流。投资建议：投资建议：可控核聚变产业已经进入了从 0-1 的加速阶段，建议关注产业内相关动态。风险提示：风险提示：遇到新的技术瓶颈遇到新的技术瓶颈、被其他技术路径替代被其他技术路径替代、花费资金金额超预、花费
6、资金金额超预期期、资金投入不及预期资金投入不及预期 行业规模行业规模 占比%股票家数（只）467 9.2 总市值（十亿元）3082.5 4.4 流 通 市 值（十 亿元）2531.4 4.1 行业指数行业指数%1m 6m 12m 绝对表现-13.1-19.9-16.8 相对表现-9.6-4.2 6.2 资料来源：公司数据、招商证券 相关相关报告报告 1、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2024-01-04 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 S109051
7、4080007 鄢凡鄢凡 S02 方嘉敏方嘉敏 研究助理 -30-20-10010Jan/23May/23Sep/23Dec/23(%)机械沪深300未来产业系列研究：可控核聚变专题报告未来产业系列研究：可控核聚变专题报告（二）（二）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、托卡马克：地球上的“人造太阳”.4 1、托卡马克是磁约束聚变路径的主流装置.4 2、磁体系统是托卡马克的核心部件.5 三、托卡马克发展史全梳理.5 1、托卡马克发展史中的“里程碑”事件.5 2、各国群雄逐鹿，实现了哪些科学目标？.9 四、托卡马克价值量拆分及主要技术
8、难点.15 五、如何看托卡马克的未来？.17 六、风险提示.18 图表图表目录目录 图 1：等离子体带电（电子与原子核剥离开来）.4 图 2：三种约束等离子体的方式.4 图 3：托卡马克、仿星器、磁镜.4 图 4：托卡马克装置的构成.5 图 5：托卡马克磁体系统构成示意图.5 图 6：苏联 T-3 装置.6 图 7：泵（Hg）的超导性.6 图 8：超导托卡马克示意图.6 图 9：苏联的 T-7，中国东方超环的前身.7 图 10：等离子体高、低约束模式下温度、密度示意图.7 图 11：JET 的“D”形截面设计.8 图 12：ITER 的三个科学目标和一个工程目标.8 图 13：ITER 装置结
9、构构成.8 图 14：ITER 七方贡献比例（%）.8 图 15：各国家承接的 ITER 部件.9 图 16：托卡马克等离子体的性能提升速度比 CPU 芯片还要快.10 图 17：EAST 东方超环（中国科学院等离子体所）.10 hYaXoXjUMBdYhZdUMAnPoMnPbR8Q8OoMnNtRtPlOqQqRiNpNmR6MoOwPNZnQpMwMqRpO 敬请阅读末页的重要说明 3 行业深度报告 图 18：HL-3 环流三号（核工业西南物理研究院）.10 图 19：TFTR 装置.11 图 20：DIII-D 装置.11 图 21：JT-60SA 装置.11 图 22：K-STAR
10、装置.12 图 23：托卡马克实验参数用定标率.12 图 24：越造越大的托卡马克装置.13 图 25：东方超环超导线圈实物截面.13 图 26：C-Mod 率先开启“紧凑型”托卡马克新纪元.14 图 27：SPARC 的诞生彻底点燃研究热情.14 图 28：ITER 托卡马克装置中除磁体外的核心部件及其作用.15 图 29：ITER 各部件价值量占比（%）.16 图 30：等离子体破裂的典型特征波形（左等离子体环电压、右等离子体电流）16 图 31：我国磁约束聚变发展路线图.17 图 32：美国 CFS 的 SPARC 项目设计图.18 图 33：我国能量奇点的“洪荒 70”.18 表 1：
11、主要托卡马克装置的参数及成本.13 表 2：托卡马克中的最高记录及创造记录的装置.14 表 3：各国对于可控核聚变发电的规划.17 敬请阅读末页的重要说明 4 行业深度报告 一、一、前言前言 在上篇可控核聚变专题报告中，我们重点解释了聚变-裂变混合堆这一方案的技术优势。混合堆的堆芯是聚变反应发生的地方，很多堆芯的设计采用的是“托卡马克”的形式。可以说，托卡马克是当前最具商业化潜力的核聚变技术路径之一，也是各个大国开展核聚变实验时重点聚焦的技术路径。在这篇报告中，我们主要梳理了：（1）托卡马克的运行原理及构成；（2）托卡马克的发展史；（3）托卡马克面临的技术上的挑战；（4）对于托卡马克未来的展望
12、。二、二、托卡马克：地球上的“人造太阳”托卡马克：地球上的“人造太阳”1、托卡马克是磁约束聚变路径的主流装置托卡马克是磁约束聚变路径的主流装置 等离子体有三种约束方式等离子体有三种约束方式，磁场约束磁场约束在民用领域在民用领域最为常见最为常见。聚变反应堆中，氘、氚等离子体在极高的能量下，电子和原子核完全剥离开来，原子核带正电，电子带负电。磁约束聚变，顾名思义，就是利用磁场来约束带电的等离子体。受到洛伦兹力（运动电荷在磁场中所受到的力）的影响，等离子体在磁场中会绕着磁力线不断旋转，这就是磁约束聚变的原理。除磁约束聚变外，还有另外两种约束等离子体的方式：引力约束和惯性约束。引力约束聚变无法在地球上
13、实现，惯性约束聚变虽已实现了较高的能量增益因子（Q 值），但更常用于军事领域。图图1：等离子体带电（电子与原子核剥离开来）等离子体带电（电子与原子核剥离开来）图图2：三种：三种约束等离子体的方式约束等离子体的方式 资料来源：酷玩实验室、招商证券 资料来源：超导磁体技术与磁约束聚变、招商证券 托卡马克是磁约束聚变中的主流托卡马克是磁约束聚变中的主流装置。装置。磁约束聚变装置包括托卡马克、仿星器、磁镜几种。托卡马克在技术上最成熟，原理上更可行，已成为可控磁约束聚变研究的主流。图图 3：托卡马克、仿星器、磁镜托卡马克、仿星器、磁镜 资料来源：中国科学院、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 5 行业深度
14、报告 2、磁体系统是托卡马克的核心部件磁体系统是托卡马克的核心部件 托卡马克托卡马克的的形状酷似一个“甜甜圈”，主要形状酷似一个“甜甜圈”，主要由由极向场线圈、环向场线圈和欧姆极向场线圈、环向场线圈和欧姆加热线圈三个加热线圈三个部分构成部分构成。为什么为什么要采用这样的设计？要采用这样的设计？第一，第一，洛伦兹力能用来约束等离子体，但它只对垂直于磁力线运行的等离子体起作用。因此，为了防止不垂直于磁力线运行的等离子体向外飞散，托卡马克采用的是环状的设计（将等离子体圈起来）。第二，第二，为了均匀这个“甜甜圈”内外磁场的强度，防止等离子体向外漂移，还需要在托卡马克的中间加一个欧姆加热线圈，使等离子体
15、产生沿着环运动的电流。第三，第三，等离子体电流产生的磁场与环向场线圈产生的磁场一起构成磁力线，将等离子体扭成“麻花状”。最后，最后，在托卡马克上方的极向场线圈会产生磁场，用来控制等离子体截面形状和位置平衡。综上所述，由各种线圈组成的磁体综上所述，由各种线圈组成的磁体系统系统能够形成螺旋状的磁场能够形成螺旋状的磁场，将等离子体约将等离子体约束住束住。这个磁体系统就。这个磁体系统就是托卡马克的核心部件。是托卡马克的核心部件。图图4：托卡马克装置的构成：托卡马克装置的构成 图图5：托卡马克磁体系统构成示意图：托卡马克磁体系统构成示意图 资料来源：超导磁体技术与磁约束聚变、招商证券 资料来源：托卡马克
16、聚变堆研究进展、招商证券 三、三、托卡马克发展史全梳理托卡马克发展史全梳理 科学的发展有其内在规律，没有时间的积累，科技无法发生突破性的进展。因此，我们复盘了托卡马克的发展史，重点梳理了几大“里程碑”事件及代表性的装置。1、托卡马克发展史中的“里程碑”事件托卡马克发展史中的“里程碑”事件（1）1960s：苏联苏联 T-3 装置让托卡马克装置让托卡马克正式正式走入人们的视野走入人们的视野 托卡马克（Tokamak）在俄语中由“环形（toroidal）”“真空室（kamera）”“磁（magnit）”“线圈（kotushka）”几个词组成，最早被苏联库尔恰托夫研究所的科学家在 20 世纪 50 年
17、代提出。1958 年年底，世界上第一个托卡马克装置 T-1 诞生。1968 年，该装置发展到了第三代年，该装置发展到了第三代（T-3），实现了，实现了 1 千电子伏千电子伏的等离子体电子温度和的等离子体电子温度和 0.5 千电子伏的离子温度，千电子伏的离子温度，Q 值十亿分之一。值十亿分之一。这一结果在苏联新西伯利亚国际会议上公布后，引起了轰动。英国卡拉姆实验室于次年 敬请阅读末页的重要说明 6 行业深度报告 证实了该实验结果，随后，全球掀起了研究托卡马克研究的热潮。图图 6：苏联苏联 T-3 装置装置 资料来源：托起明天的太阳、招商证券（2）1970s：苏联：苏联 T-7 开启托卡马克“超导
18、”时代开启托卡马克“超导”时代 聚变反应需要在高温、高压的极端环境发生，因此，磁体材料的性能变得尤为重要。早期的托卡马克采用的磁体材料为铜导体，这种导体在强大的电流下容易发热，导致能量耗散严重。1911 年，荷兰物理学家末林昂内丝发现金属汞（Hg，也就是常说的水银）在温度冷却到 4.2K 时，其电阻会突然消失。这种在特殊低温条件下电阻能够降为零的材料就叫超导材料，能够尽量避免或减弱线圈的发热问题，利于托卡马克的长时间运行。图图7：泵（泵（Hg）的超导性）的超导性 图图8：超导托卡马克示意图：超导托卡马克示意图 资料来源：Hyperphysics、招商证券 资料来源：国家能源网、招商证券 苏联的
19、苏联的 T-7 是世界上第一个是世界上第一个使用超导材料的使用超导材料的托卡马克装置，也是我国著名的托卡马克装置，也是我国著名的“东方超环”的前身。“东方超环”的前身。T-7 在 1978 年建成，1991 年，该装置被转交给了中国科学院等离子体物理研究所。1994 年，中科院将其改造成为后来的 HT-7。2006 年，HT-7 又被改造成现在的“东方超环”（EAST）。这一系列的改造过程，成就了现在“全超导”形态的东方超环：T-7 的环向场采用了超导线圈，HT-7 则是在纵场磁体上采用了超导体绕制。EAST 的整个磁体系统采用的都是超导材料。敬请阅读末页的重要说明 7 行业深度报告 图图 9
20、：苏联的苏联的 T-7，中国东方超环的前身，中国东方超环的前身 资料来源：中国科学院等离子体物理研究所、托起明天的太阳、招商证券（3）1980s：德国：德国 ASDEX 发现发现 H-模模，突破托卡马克研究瓶颈，突破托卡马克研究瓶颈 早期的托卡马克研究主要利用等离子体电流的欧姆加热效应来加热等离子体。但欧姆加热效率会随着电子温度的升高而迅速下降。这种约束状态称为低约束模式（Low-mode，L 模）。简单来说，在这种状态下，温度越高，等离子体越难约束。1982 年，德国物理学家瓦格纳在年，德国物理学家瓦格纳在 ASDEX 托卡马克装置上托卡马克装置上首次首次发现了发现了H 模（模（High-m
21、ode），这种高约束模，这种高约束模在高功率加热下的能量约束时间基本是之在高功率加热下的能量约束时间基本是之前低约束前低约束模模的的 2 倍。倍。这一发现使得托卡马克的规模和建造经费至少比之前减少一半。图图 10：等离子体高、低约束模式下温度、密度示意图等离子体高、低约束模式下温度、密度示意图 资料来源：托卡马克聚变堆研究进展、招商证券（4）1980s：欧盟欧盟 JET 非圆截面创新设计非圆截面创新设计 此外，科学家们还在研究中发现，托卡马克腔室截面的形状也会影响等离子体的约束。在最早期的托卡马克设计中，其腔室的截面为圆形。研究发现，如果将这种形状改为“D”形，磁体线圈内部的张力就会更加均衡，
22、能够承载更大的等离子体电流，其约束等离子体的能力也会变得更好。1983 年，欧洲联合环年，欧洲联合环（JET）正式建成并投运。）正式建成并投运。JET 采用了非圆截面（“采用了非圆截面（“D”形）环向场线圈，有效”形）环向场线圈，有效地降低了实验的成本，为后来核聚变装置的设计和建造提供了极大的参考价值。地降低了实验的成本，为后来核聚变装置的设计和建造提供了极大的参考价值。之后美国的 DIII-D 装置和日本的 JT-60 装置也采用了这种设计。敬请阅读末页的重要说明 8 行业深度报告 图图 11：JET 的“的“D”形截面设计”形截面设计 资料来源：中国核电网、招商证券（5）2000s：国际热
23、核国际热核聚变实验堆聚变实验堆（ITER）启动启动建设建设 超导、H 模、非圆截面腔室等发现和创新大大提升了托卡马克建造的性价比。1988 年，美、苏、欧、日共同启动了 ITER 计划。2006 年，年，ITER 正式启动建正式启动建设，选址在法国，由设，选址在法国，由 35 个国家共同参与，个国家共同参与，7 方方（欧盟、印度、美国、俄罗斯、（欧盟、印度、美国、俄罗斯、韩国、日本和中国）参与建设。韩国、日本和中国）参与建设。欧盟对该项目贡献 45.46%，其余六方各贡献了9.09%。ITER 采用的是托卡马克这一技术路径，目标是建造一个可自持燃烧的核聚变实验堆。为了实现这个大目标，ITER
24、设定了三个阶段性的小目标，如图 12 所示。ITER 的启动标志着可控核聚变的启动标志着可控核聚变的研究的研究将集聚各个国家的将集聚各个国家的科研科研力量，聚变能正式力量，聚变能正式成为全人类共同追求的清洁能源。成为全人类共同追求的清洁能源。图图 12：ITER 的三个科学目标的三个科学目标和一个工程目标和一个工程目标 资料来源：托起明天的太阳、招商证券 图图13：ITER 装置结构构成装置结构构成 图图14：ITER 七方贡献比例（七方贡献比例（%）资料来源：中国核电网、招商证券 资料来源：托起明天的太阳、招商证券 受技术瓶颈、疫情等因素影响，受技术瓶颈、疫情等因素影响，ITER 计划进展不
25、及预期，预算也从最开始的计划进展不及预期，预算也从最开始的45.46%9.09%9.09%9.09%9.09%9.09%9.09%欧盟印度美国俄罗斯韩国日本中国 敬请阅读末页的重要说明 9 行业深度报告 50 亿欧元（折合人民币亿欧元（折合人民币 450 亿元）上涨至亿元）上涨至 200 亿欧元（折合人民币亿欧元（折合人民币 1800 亿亿元）。元）。项目最初计划在 2016 年开机，后延期至 2025 年。ITER 进展不及预期进展不及预期的主要原因的主要原因如下如下：一、关键部件质量问题修复影响关键部件质量问题修复影响了了安装安装的的进度：进度：质量差的部件主要包括韩国与欧盟负责的真空室部
26、件及韩国承制的冷屏部件。二、新的重大技术变更二、新的重大技术变更，尚未获得各方一致同意：尚未获得各方一致同意：新任总干事出于铍的毒性等原因，提议将第一壁材料（直接与等离子体接触的材料）由铍换成钨，但换钨后将引入新的第一壁硼化系统，且面临诸多技术问题。三：三：基准方案重大调整、技术难度与风险增加基准方案重大调整、技术难度与风险增加：从第一束等离子体到开始运行，原基准计划是 10 年四个阶段。ITER 组织提议只进行一次升级改造，赋予了第一等离子体阶段更多目标使命，技术难度与风险增加。图图 15：各国家承接的：各国家承接的 ITER 部件部件 资料来源：托起明天的太阳、招商证券 2、各国群雄各国群
27、雄逐鹿，实现了哪些科学目标？逐鹿，实现了哪些科学目标？除了除了 ITER 项目外，世界上还有很多有名的核聚变装置都是托卡马克。项目外，世界上还有很多有名的核聚变装置都是托卡马克。实际上，承接 ITER 项目建设的七方都无一例外地将托卡马克视为实现核聚变能发电的重要技术路径。托卡马克研究的进展也并没有人们想象的那么慢。据有关研究表示，近近 50 年，托卡马克等离子体的性能提升速度比年，托卡马克等离子体的性能提升速度比 CPU 芯片还要快。芯片还要快。敬请阅读末页的重要说明 10 行业深度报告 图图 16：托卡马克：托卡马克等离子体的性能提升速度比等离子体的性能提升速度比 CPU 芯片还要快芯片还
28、要快 资料来源：科学大院、招商证券 我们对中、美、欧盟、日本、韩国我们对中、美、欧盟、日本、韩国五五个国家个国家/地区地区的托卡马克研究做了复盘。的托卡马克研究做了复盘。中国：中国：自上世纪自上世纪 70 年代开始，我国集中选择托卡马克为主要研究路径，年代开始，我国集中选择托卡马克为主要研究路径，先后建成并运行了中科院物理所的 CT-6、中国科学技术大学的 KT-5、中科院等离子体所的HT-6B、HT-6M、HT-7（EAST 前身）、核工业西南物理研究院的 HL-1A、HL-1M、HL-2A、HL-2M、HL-3 等托卡马克装置。中科院等离子体所的中科院等离子体所的 EAST（东方超环）（东
29、方超环）和核工业和核工业西南物理研究院的西南物理研究院的 HL-3（环（环流三号）是最值得关注的两大装置。流三号）是最值得关注的两大装置。东方超环（2006 年建成）：我国第一台全超导非圆形截面托卡马克。2017 年，该装置实现 1.2 亿摄氏度101 秒等离子运行；2021 年，实现7000 万摄氏度下 1056.7 秒的等离子体放电；2023 年实现 403 秒稳态长脉冲高约束模式等离子运行，创造了托卡马克装置 H-模运行的世界纪录。环流三号（2020 年建成）：我国“环流”系列的第三代装置，也是我国目前设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置。2023 年 8 月，环流三号成功实现了 1
30、00 万安培等离子体电流下的高约束运行模式。图图17：EAST 东方超环（东方超环（中国科学院等离子体所中国科学院等离子体所）图图18：HL-3 环流三号（环流三号（核工业西南物理研究院核工业西南物理研究院）资料来源：中国科学院等离子体物理研究所、招商证券 资料来源：中国核技术网、招商证券 美国美国：美国美国政府政府在惯性约束、托卡马克、仿星器、在惯性约束、托卡马克、仿星器、Z 箍缩等方式都有投入，其中托卡箍缩等方式都有投入，其中托卡马克在美国聚变基金中占据较大比例。马克在美国聚变基金中占据较大比例。我们重点介绍我们重点介绍 TFTR 和和 DIII-D 两大装置。两大装置。敬请阅读末页的重要
31、说明 11 行业深度报告 TFTR（1982 年建成，1997 年退役）：世界上第一台大型托卡马克装置，也是世界上第一个产生超过 10 兆瓦核聚变功率的装置。DIII-D（1986 建成）：通用原子能公司（GA）旗下的、目前仍在运行的美国最大的磁约束聚变装置，在先进托卡马克运行模式、等离子体诊断、偏滤器物理等方面处于世界领先水平。中美双方在该装置的实验上有过合作。图图19：TFTR 装置装置 图图20：DIII-D 装置装置 资料来源：凤凰网、招商证券 资料来源：General Atomics、招商证券 欧盟：欧盟：欧盟欧盟除托卡马克外还开展除托卡马克外还开展仿星器等其他技术研究仿星器等其他技
32、术研究。JET 是欧盟最具代表性的托卡马克装置是欧盟最具代表性的托卡马克装置。该装置于 1983 年开始运转，于 1997年创下 0.67Q 值、21.7 兆焦耳的记录。2021 年，该装置刷新了自己的记录，在 5 秒内产生了 59 兆焦耳持续能量。日本：日本：和我国一样，日本也将和我国一样，日本也将托卡马克托卡马克作为了主要研究的聚变技术路径作为了主要研究的聚变技术路径。日本资源匮乏，对核能的需求格外迫切。同时，因为日本宪法有禁止使用氚的明确规定，日本的托卡马克装置进行的是氘、氘的聚变实验，且主要目的是实现临界等离子体聚变条件。JT-60SA（Super Advanced）是日本最受关注的托
33、卡马克装置是日本最受关注的托卡马克装置，由日本和欧，由日本和欧盟共同建造盟共同建造。它和 EAST 一样，也经历了两次的改造。“初版”JT-60 于 1985年开始运行并成功产生第一个等离子体。1989 年下半年，JT-60 开始改造，改造后的装置被称为 JT-60U（JT-60 Upgraded）。JT-60U 在一次实验中实现了1.5 1021 3的聚变三重积（Q 值 1.25），至今仍是托卡马克历史上的最高记录。2009 年，JT-60U 拆除后被重建成 JT-60SA（JT-60 Super Advanced），该装置于去年 11 月“点火”。图图 21：JT-60SA 装置装置 资料
34、来源：fusionforenergy、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 12 行业深度报告 韩国：韩国：韩国也将托卡马克作为了主要研究的聚变路径韩国也将托卡马克作为了主要研究的聚变路径，“韩国太阳”，“韩国太阳”KSTAR 与与 EAST在在 H-模运行时间上展开角逐。模运行时间上展开角逐。KSTAR 是韩国最有名的托卡马克装置，被誉为“韩国太阳”。2017 年，KSTAR 先是实现了 70 秒的高温等离子体运行，这一记录在同一年被 EAST 用 101 秒7000 万度的记录打破。2023 年，EAST 实现了 403 秒的等离子体约束运行记录，又一次刷新了自己在 2017 年的记录。图图
35、22：K-STAR 装置装置 资料来源：SciTechDaily、招商证券 通过复盘托卡马克历史上的重要事件及各个国家的装置，我们得出了以下两点通过复盘托卡马克历史上的重要事件及各个国家的装置，我们得出了以下两点观察和结论观察和结论。（1）这几十年的发展史，托卡马克经历了从越建越大到越建越紧凑的过程。这几十年的发展史，托卡马克经历了从越建越大到越建越紧凑的过程。为什么越建越大？为什么越建越大？这里我们不得不提到定标率的概念：通过不断地建造各种托卡马克装置，科学家们发现，托卡马克的能量输出功率主要是由电流、纵场、大半径、加热功率等参数决定的，具体公式如下图所示。其中，我们最需要关注的三个参数就是
36、大半径（环的大小）、小半径（环有多粗）和磁场强度。大半径影响了等离子体电流的强度（影响温度），小半径和电流强度一起决定了等离子体密度的极限，而磁场强度又决定了等离子体约束的时间。大半径、小半径和磁场强度这大半径、小半径和磁场强度这三个参数共同决定了托卡马克装置能实现多少聚变三重积。三个参数共同决定了托卡马克装置能实现多少聚变三重积。因此，在没有超导材料或其他技术加成的情况下，托卡马克建得越大因此，在没有超导材料或其他技术加成的情况下，托卡马克建得越大（大半径（大半径和小半径变大）和小半径变大），它的等离子体约束，它的等离子体约束能力和净能量输出的能力能力和净能量输出的能力就越好。就越好。图图
37、23：托卡马克实验参数用定标率：托卡马克实验参数用定标率 资料来源：nuclear fusion、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 13 行业深度报告 图图 24：越造越大的托卡马克装置：越造越大的托卡马克装置 资料来源：ITER and the road to fusion energy、招商证券 注：图形越大，说明装置越大 为什么为什么后来又后来又开始走“紧凑”路线？开始走“紧凑”路线？因为随着托卡马克越建越大，经济成本和时间成本也变得越来越高。因为随着托卡马克越建越大，经济成本和时间成本也变得越来越高。ITER 项目就是最好的例子。所以，如何从提升磁场强度的角度来提升聚变三重积成为了所以
38、，如何从提升磁场强度的角度来提升聚变三重积成为了人们关注的方向。人们关注的方向。怎么才能提升磁场强度呢？怎么才能提升磁场强度呢？首先，首先，普通的超导金属材料就普通的超导金属材料就可以提升一定等离子体电流下的磁场强度。可以提升一定等离子体电流下的磁场强度。从下表就可以看出，采用超导设计的 EAST 和 KSTAR 虽然大半径和小半径没有DIII-D、JT-60SA 高，磁场强度却高达 3.5T。图图 25：东方超环：东方超环超导线圈实物截面超导线圈实物截面 资料来源：中国科学院等离子体物理研究所、招商证券 表表 1：主要托卡马克装置的参数及成本：主要托卡马克装置的参数及成本 DIII-D KS
39、TAR（超导）EAST（超导）JT-60SA ITER ARC（高温超导）大半径 1.67m 1.8m 1.8-1.9m 3.0m 6.2m 3.2m 小半径 0.67m 0.5m 0.45m 1.18m 2.5m 1.1m 磁场强度 2.1T 3.5T 3.5T 2.3T 5.3T 9.2T 建造成本 4 亿美金 1.65 亿元 153 亿元 200 亿欧元 建造所花时间 12 年 5-6 年 13 年 未建成 资料来源：托卡马克聚变堆研究的进展、各实验室官网、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 14 行业深度报告 注：ARC 是 SPARC 项目聚变电厂的名称 其次，高温超导材料进一步提升了
40、一定电流下允许的最高磁场强度。其次，高温超导材料进一步提升了一定电流下允许的最高磁场强度。美国 MIT建造的阿尔卡特 C-Mod 托卡马克率先开启了高磁场紧凑型托卡马克的新纪元。该装置于 1993 年开始运行，在 2016 年正式退役，是世界上唯一一个紧凑型强磁场托卡马克装置。其高强度磁场可达 8 特斯拉，相当于 16 万倍地球磁场，其离子体压强比其他托卡马克装置至少高 70%。阿尔卡特 C-Mod23 年的运行史为 MIT 积 累 了 丰 富 的 技 术 经 验 和 实 验 数 据，促 使 其 衍 生 公 司 CFS（Commonwealth Fusion Systems）在 2021 年顺
41、利推出 SPARC 项目。SPARC 是一个采用托卡马克技术路径的聚变原型堆，其磁体系统由高温超导体稀土氧化钡铜组成的线圈构成，可支撑 20 特斯拉的超强磁场。图图26：C-Mod 率先开启“紧凑型”托卡马克新纪元率先开启“紧凑型”托卡马克新纪元 图图27：SPARC 的诞生彻底点燃研究热情的诞生彻底点燃研究热情 资料来源：SPARC and the high-field path to commercial fusion energy、招商证券 资料来源：SPARC and the high-field path to commercial fusion energy、招商证券（2）托卡马克
42、尚处于实验阶段，一切实验都是“升级打怪”，积累经验。托卡马克尚处于实验阶段，一切实验都是“升级打怪”，积累经验。所有可控核聚变装置最大且首要的目标就是达到远超聚变三重积（温度密度约束时间）的物理条件，实现净能量输出。从三重积这一数据来看，日本的 JT-60U 创造的 1.25 的 Q 值至今未被世界上任何其他托卡马克装置打破。同时，这一结果也无法再复刻，哪怕是 JT-60U 自己。所以，单看这一个值似乎也没有太大的意义，因为可控核聚变最终的用途在于发电，这就需要能量能够源源不断地、随时随地地输出。可控核聚变的研究终究处于实验堆的阶段，目前人们能可控核聚变的研究终究处于实验堆的阶段，目前人们能够
43、做的，就是不断地在各种装置上做实验，不断地实现等离子体性能、约束时够做的，就是不断地在各种装置上做实验，不断地实现等离子体性能、约束时间、放电时间等方面的突破，再将这种经验运用到下一次的实验当中。间、放电时间等方面的突破，再将这种经验运用到下一次的实验当中。每一次的突破都在带着人类朝终极的“发电”目标更进一步。表表 2：托卡马克中的最高记录及创造记录的装置：托卡马克中的最高记录及创造记录的装置 记录名称记录名称 记录记录 记录创造者记录创造者 最大的正在建造的托卡马克 高 30 米，直径 28 米 ITER 最高的聚变能量输出 16.1MW/5 秒内 59MJ 能量 JET（欧盟）最高的等离子
44、体电流 7MA JET（欧盟）最高的等离子体温度 5.2 108 JT-60U（日本）最长的高温等离子体放电时间 温度 7000 万摄氏度下 1056 秒 EAST 最长的 H-模约束时间 403 秒 EAST 最高的聚变三乘积 1.5 1021 3 JT-60U（日本）资料来源：tokamak info、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 15 行业深度报告 四、四、托卡马克托卡马克价值量拆分价值量拆分及主要技术难点及主要技术难点 除磁体系统外，托卡马克还有很多其他部件除磁体系统外，托卡马克还有很多其他部件，包括真空压力室、包层、偏滤器、包括真空压力室、包层、偏滤器、冷屏和外真空杜瓦、支持系统
45、等。冷屏和外真空杜瓦、支持系统等。从价值量占比来看，以 ITER 为例，环向线圈导体（26.5%）诊断系统（19.3%）磁体线圈电源（15.2%）包层第一壁（10.8%）。其中，环向线圈导体属于磁体系统，诊断系统属于支持系统，磁体线圈电源属于磁体系统，包层第一壁属于包层系统。这些部件对于托卡马这些部件对于托卡马克的稳定运行克的稳定运行都都起到了至关重要的作用：起到了至关重要的作用：磁体系统：磁体系统：参考本报告第二章。真空压力室：真空压力室：位于托卡马克环向场线圈的内部，是等离子体直接运行的地方。包层包层系统系统：为整个装置提供中子和高热负荷的屏蔽，用来保护真空室和外部机器部件。偏滤器：偏滤器
46、：位于真空容器的底部，用来减少和排出氦灰等杂质，防止等离子体污染。冷屏和外真空杜瓦：冷屏和外真空杜瓦：位于装置的最外层，用来降低热负荷，保护磁体。支持支持系统：系统：包括诊断系统（用来“诊断”等离子体的状态）、等离子体输运装置、抽气系统等。图图 28：ITER 托卡马克装置中除磁体外的核心部件及其作用托卡马克装置中除磁体外的核心部件及其作用 资料来源：iter.org、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 16 行业深度报告 图图 29：ITER 各部件价值量占比各部件价值量占比（%）资料来源：托起明天的太阳、招商证券 尽管托卡马克已经历了数十年的发展，这一聚变路径仍面临尽管托卡马克已经历了数十年
47、的发展，这一聚变路径仍面临着着许多许多难点。如何难点。如何防止等离子体“大破裂”以及如何防止等离子体“大破裂”以及如何应对“大破裂”应对“大破裂”是最难的两件事。是最难的两件事。1、如何防止等离子体如何防止等离子体“大破裂大破裂”由于等离子体的不稳定性，“大破裂”是几乎所有的托卡马克在运行中都会遇到突发的失控事件，具体表现为等离子体极快的冷却和电流损失。目前减弱及预防等离子体大破裂的方法很多，如，氖氩弹丸杂质注入及大批量氦气吹气法在 DIII-D 实验中取得了很大成功。再比如，之前提到的诊断系统就是专门用来诊断等离子体的状态，及时对“大破裂”进行干预和抑制的系统。然而，截至目前，还没有哪个托卡
48、马克装置能够完全避免这种现象的发生。图图 30：等离子体破裂的典型特征波形等离子体破裂的典型特征波形（左（左等离子体环电压等离子体环电压、右等离子体电流）、右等离子体电流）资料来源：等离子体破裂期间逃逸电流平台的研究、招商证券 2、如何如何应对“大破裂”应对“大破裂”既然无法完全避免，那么接下来要做的就是尽量降低“大破裂”带来的影响。“大破裂”发生时，面对等离子体的材料元件会受到很大的机械应力和电磁负载，然后变形。因此，器壁材料的选择非常重要，这里面包括第一壁材料和偏因此，器壁材料的选择非常重要，这里面包括第一壁材料和偏滤器材料。滤器材料。第一壁是包层系统的一个构成部分，也是直接面向等离子体的
49、那层，在整个聚变堆中的服役环境最为恶劣，面临的材料问题也最为严峻。偏滤器是接收聚变反应产生的杂质的器件，需要具备较高的性能的寿命。总的来说，托总的来说，托卡马克对于器壁材料的要求有以下几点：卡马克对于器壁材料的要求有以下几点：26.5%19.3%15.2%10.8%10.0%7.1%3.7%2.8%2.6%0.9%0.7%0.3%0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%总价值量占比（%)敬请阅读末页的重要说明 17 行业深度报告 （1）具有高熔点、不易熔化；（）低溅射产额，保证器壁寿命；（）良好的机械性能和热传导性能，能够承受高热沉积；（）低的燃料滞留性，以降低氚滞留
50、；（）低原子序数以保证溅射产生杂质与主等离子体兼容。五、五、如何如何看托卡马克看托卡马克的未来？的未来？对于可控核聚变，各国原先的规划为对于可控核聚变，各国原先的规划为 2030 年年-2050 年左右完成示范堆和聚变电年左右完成示范堆和聚变电站的建设。我国计划站的建设。我国计划 2030 年建成年建成 CFETR 工程堆，工程堆，2050 年建成年建成 PFPP 原型电原型电站。但是，高温超导、混合堆等技术的加速突破站。但是，高温超导、混合堆等技术的加速突破可能会可能会加速这一过程。加速这一过程。表表 3：各国各国对于可控核聚变发电的规划对于可控核聚变发电的规划 国家国家 规划规划 美国 2
51、040 年建成示范堆 中国 2030 年建成聚变工程堆，2050 年建成电站 欧盟 2040 年开始建造示范堆，2050 年建成 日本 2050 年建成示范电厂 俄罗斯 2055 年建造聚变电站 韩国 2030 年建成示范堆，2040 年建造聚变电站 印度 2050 年建成两座聚变反应堆 资料来源：托起明天的太阳、国家原子能机构、招商证券 图图 31：我国磁约束聚变我国磁约束聚变发展路线图发展路线图 资料来源：可控核聚变科学技术前沿问题和进展、招商证券 民营资本民营资本大量大量涌入，涌入，立下立下雄心壮志雄心壮志。截至 2021 年 4 月/2022 年 4 月/2023 年 4月，全球聚变行
52、业累计投资金额达 21/48/62 亿美元。62 亿美元中，有 59 亿美元来自民营资本投资。这些民营企业中，很多都采用了托卡马克的设计，并且将示范堆、电厂建成的时间目标提早了十几年。美国的 CFS 计划 2025 年建成示范堆，2030 年建成电厂。我国初创公司能量奇点计划在 2024 年内建成运行 敬请阅读末页的重要说明 18 行业深度报告 “洪荒 70”并点燃等离子体，未来 10-15 年内建成经济聚变发电商业示范堆。2023 年 7 月，我国清华大学和星环聚能联合建设的 SUNIST-2 球形托卡马克建成并开展了首轮运行，获得 100 千安培等离子体电流。图图32：美国美国 CFS 的
53、的 SPARC 项目设计图项目设计图 图图33：我国能量奇点的“洪荒我国能量奇点的“洪荒 70”资料来源：CFS 官网、招商证券 资料来源：能量奇点官网、招商证券 六、六、风险提示风险提示 1、遇到新的技术瓶颈：遇到新的技术瓶颈：在托卡马克的发展史中，科学家们曾遇到过许多瓶颈。随着托卡马克的研究从实验堆转向工程堆再到最后的商用电站，仍可能有许多难点和挑战不断浮出水面。2、被其他技术路径替代：被其他技术路径替代：如果仿星器、激光型惯性约束聚变等其他技术路线进展更快，托卡马克装置或存在被淘汰的风险。3、资金投入不及预期：资金投入不及预期：尽管超导等技术的突破已经大大降低了托卡马克建造和运行的成本，
54、若后续资金投入不及时，许多托卡马克装置可能面临停止运行的风险。敬请阅读末页的重要说明 19 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
55、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
56、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。
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