核聚变产业专题报告：终极能源愈行愈近，可控核聚变产业持续加速
核聚变产业专题报告：终极能源愈行愈近，可控核聚变产业持续加速
核聚变能源作为未来人类的理想能源，具有能量密度高、原料来源广泛、安全性高等特点。当前，全球各国都在积极布局核聚变产业，其中中国在该领域的投资规模和技术创新方面表现突出。本文将从技术、经济、产业链等多个维度，全面解析核聚变产业的发展现状和未来前景。
核聚变能是未来人类的理想能源
核聚变能是未来人类的理想能源：能量密度高：单位质量的聚变燃料释放的能量大，燃烧1千克氘(D) 相当于四千克铀 （U），相当于七千吨汽油或者一万吨煤，也就是说“燃烧”1千克海水和燃烧210千克（300升）汽油所获得能量相当。原 料来源广泛：每公斤海水含D 0.03g，即使考虑能源消耗水平逐年增加，地球上的D也足以用上几百亿年；氚(T)可以通过 中子轰击6Li得到,根据USGS数据及计算得到6Li的储量为193万金属吨。而如果使用月球上的3He来核聚变，可满足全球2600 年的能源需求；安全性高：环境友好，不排放有害气体，没有放射性污染；依赖核燃料的连续输入，几秒内就能停止，不 存在熔毁风险。
可控核聚变的经济性
D-T聚变度电燃料成本理论上具有较高性价比：当前大多数实验聚变装置都使用D-T混合物作为燃料。D的成本：根据盖得 化工网数据，重水（D2O）价格为31494元/kg，通过精馏、电解可获得D气体，考虑一定的能耗和损耗，假设D价值量约为 3.94万元/kg。T的成本：1）商业来源：全球唯一的商业 T 供给来自19座加拿大CANDU反应堆，每座反应堆每年可生产 0.5kg T，价格可达3万美元/克，换算得到21840万元/kg，我国秦山核电三期也有CANDU型重水堆。2）6 Li转换：氚(T)可 以通过中子轰击6Li得到。上海有色网数据显示，电池级碳酸锂报价7.64万元/吨，6Li丰度为7.42%，考虑一定的能耗和损 耗，则氚的价格约为6.85万元/kg，未来有望随技术进步而降低。由此得到聚变燃料成本：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0.0365元/kWh，对比中国核电平均燃料成本为0.0418元/kWh，理论测算具备性价比， 如果未来转换损耗和能耗持续降低，燃料成本有望更具性价比。
核聚变发电的主要技术路径
核聚变发电的主要有两种：惯性约束聚变（通过激光产生的巨大的压强，使核燃料体积在极短的时间内变小，密度变大， 原子核发生聚变反应，释放出能量）和磁约束聚变（利用磁场来约束温度极高的等离子体的核燃料，以使其反应）。
如何判断核聚变的成熟度
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。 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。
全球聚变堆的投资规划
2024年全球聚变投资71亿美元，2031-2035年有望实现可控核聚变商业化。全球核聚变投资相较于2023年增加9亿美元， 其中公共资金的投入占比达到60%。根据核聚变能协会（FIA）调研，大部分核聚变公司预计2031-2035年可实现可控核聚 变向电网第一次供电，同时可以研发出低成本高Q值的商业化核聚变装置。
国内聚变投资情况
国内聚变以科研院所牵头，国外聚变募资超过3亿美元的有6家。国内聚变主要是由中核集团、中物院、中科院领头，少 量初创公司参与；国外聚变投资超过3亿美元的公司为COMMONWEALTH FUSION SYSTEMS、 GENERAL FUSION、HELION、 SHINE TECHNOLOGIES、 TAE TECHNOLOGIES、 TOKAMAK ENERGY。
中科院合肥物质科学研究院
聚变新能（安徽）有限公司（以下简称“聚变新能”）于2023 年8月24日进行BEST项目招标，总投资规划85亿；2023年11月16日，举行聚变产业联盟启动大会；2024年5月16日，聚 变新能完成A轮融资，注册资本145亿。
中核集团西南物理研究院
2023年11月12日中核集团与江西省政府签订可控核聚变项目，技术目标Q值 大于30，实现连续发电功率100MW，总投资规划超过200亿元；2023年12月29日，举行聚变产业联盟启动大会，成立中 国聚变公司（筹）；2024年9月5日成立中国聚变能源有限公司，并于2024年11月5日将注册地搬入上海。
中物院流体物理研究所
“十四五”重大专项设立聚变堆主机关键综合研究设施项目，四川发改委立项建设用于验证Z箍 缩局部体点火聚变可行性科学目标的50MA装置及其专用建筑设，预计投资49.996亿元，计划建设工期90个月。
上海市
2022年3月，上海市出台《上海打造未来产业创新高地发展壮大未来产业集群行动方案》，其中包含研发高温超 导可控核聚变实验装置，开展新型核聚变能源系统技术预研；2024年11月20日，上海市成立上海未来聚变能源科技有限 公司，公司股东包括上海国投科创投资有限公司、上海电气控股集团有限公司、上海申能诚毅股权投资有限公司，持股比 例分别为49.32%、31.19%、19.49%，这三家公司均由上海市国资委直接或间接100%控股。除上海电气系企业外，上海 市在核聚变领域还涌现出上海超导、上创超导、翌曦科技、太洋科技、能量奇点等一众上下游企业，为可控核聚变产业的 发展奠定了良好的基础。
核聚变面临的挑战
美国国家科学院提出聚变示范电站建设面临的六大科技挑战:
等离子体稳态自持燃烧：核聚变要实现自持燃烧和稳态运行的条件极为苛刻，一是温度要足够高，使燃料变成超过1亿℃的等离子体；二 是密度要足够高，这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间；
面向等离子体材料：面向等离子体材料（包括第一壁、偏滤器及限制器的装甲材料等）在服役期间需要直接面对超高热流、低能高束流 的氢氦等离子体辐照、高能中子辐照等极端环境，对材料性能提出极高要求；
高温超导磁体：由于聚变磁体在运行时，导体要传输很大的电流；在大绕组尺寸下，线圈要产生很高的磁场；导体要经受瞬变电场分量 的影响和中子辐照的影响，还要承受大的应力；
结构材料：材料除了需要面对聚变反应产生的高能中子辐照外，同时受到核嬗变反应产生的氦、氢及其同位素等气体原子的影响；
等离子体加热技术：目前加热等离子体主要方式有三种：等离子体电流加热、电磁波加热、中性粒子束加热，但总体而言，均面临加热 效率不够高问题；
闭式燃料循环技术：无论是磁约束聚变堆还是惯性约束聚变堆，都面临氘氚燃料“自持”循环挑战。
核聚变产业链价值拆分及超导材料近况
产业链的价值量拆分
超导磁体在实验堆的占比最高。根据ITER的预计投入，超导磁体占比28%最高，接下来依次是堆内构件17%，建筑14%，真空室8%，电源 8%等； 当反应堆正式商运时，维持稳定平衡的系统占比最高，达到25%。其次依次是低温装置和冷却水系统16%，建筑15%，堆内构件15%，磁 体降至12%等。
超导相关情况
高温超导磁场强度更强，低温超导使用成本目前更低：高温超导的外磁场强度普遍高于低温超导，低温超导磁体很难做到15T以上，但是高温 超导磁场强度最高世界纪录已经达到了45.5T；看制造成本，低温超导更低，但需要在液氦环境中使用，维护成本较高；高温超导采购成本目 前高于低温超导材料，因可以在液氮环境使用，维护成本低一些，但综合考虑下暂时难以推广，未来有望随制造水平提高而推广应用。
重点公司分析
西部超导
西部超导成立于2003年，成立之初以ITER用低温超导线材产业化为主要业务。公司立足核心技术、紧跟市场需求，目前形成了高端钛合金 材料、超导产品和高性能高温合金材料三大主业。2010-2011年公司的NbTi和Nb3Sn超导线材通过ITER组织的综合评价，开始向ITER计划 批量供货，并已经完成全部交付任务。 核聚变领域，公司圆满完成ITER项目供应任务，向国家重大科技基础设施项目-聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)批量供货。 2024H1，公司超导线材收入4.82亿元，同比增长19.95%，占公司营收的23.84%。
国光电气
国光电气成立于1958年，是苏联援建“一五六”项目之一。公司产品门类主要包括各类微波器件（电真空、固态）及组件、真空接触器、真 空灭弧室等。 核聚变领域，从技术角度来看，核聚变项目中所需的氚工厂配套系统建设，在涉氚领域，特别是氚兼容、氚防护领域，公司已具有较坚实 的技术储备，第一壁、偏滤器、微波加热设备、水精馏系统等配套都是公司所擅长的部分。公司核工业设备及部件产品主要包括ITER配套 设备、核工业专用泵以及阀门等等。 2024H1，公司核工业设备及部件收入1.45亿元，占公司营收的41.22%。
精达股份
精达股份于1999年2月建厂，2002年9月11日在上海证券交易所上市，是全球领先的电磁线制造商之一。主营业务是特种电磁线、特种导体 以及模具制造、维修等生产、研发和销售。产品广泛用于汽车驱动电机、工业精密电机、机器人伺服电机、光伏逆变器、电动工具、家用电 器等领域，公司产品主要划分为铜基电磁线、铝基电磁线及特种导体三大系列，产品种类主要涵盖铜圆线、铜扁线、铝圆线、铝扁线及合金 导体线。 核聚变方面，公司是上海超导最大股东（持股18.29%），上海超导的高温超导带材产品，在全球核聚变为代表的高场磁体的应用处于加速 发展期，可控核聚变领域的下游客户群体包含全球范围内的多家核心的领先的核聚变研究群体及商业核聚变开发公司，超导电缆在实践应用 中也获得了运行验证，长期运行情况良好。上海超导的扩产、扩建计划已全部完成，新产线的产能快速爬坡，高温超导带材的性能参数也有 巨大提升，在高温超导领域具备了明显的全球竞争力。同时公司在超导电磁线领域也达成了量产。
安泰科技
安泰科技2013年开始为EAST提供钨铜偏滤器，是国内第一家具备聚变钨铜偏滤器生产能力的公司。公司偏滤器，不仅满足国内使用要求， 还得到国际客户的高度认可，为法国WEST装置和国际热核聚变ITER提供多批次的钨铜产品。 核聚变方面，安泰中科作为全球可控核聚变装置的核心供应商，实现钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料等全系列涉 钨产品的研发和生产。供货产品：EAST钨铜偏滤器；ITER钨铜复合部件。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
（转自：未来智库）