可控核聚变深度：核聚变项目国内外持续推进，有望超预期_42页_3mb

可控核聚变深度总结

核聚变：人类社会发展的终极能源

核聚变是一种轻原子核结合形成较重原子核并释放大量能量的过程，被视为未来能源的终极解决方案。其具备以下优势：

• 能源丰富：聚变反应释放的能量远超化石燃料。
• 能量密度高：以1g物质为例，氘氚聚变能量相当于11.2吨标准煤。
• 零排放：不产生温室气体和有害物质，对环境友好。
• 燃料可获得性高：氘可在海水中提取，氚可通过锂-6中子轰击制备。
• 安全性强：不会发生堆爆炸等事故，可控性高。

尽管具备诸多优势，核聚变仍面临能量平衡尚未实现、氘自持尚未验证、耐辐照材料开发缓慢、经济性不确定等问题。

核聚变的实现方式：多技术路线并行

核聚变主要有两种技术路径：磁约束聚变和惯性约束聚变。

1. 磁约束聚变

• 主要装置：磁镜、仿星器、托卡马克。
• 托卡马克：当前最成熟、最有可能实现可控核聚变的装置。
• 磁体系统：在磁约束中扮演关键角色，其磁场强度与均匀性直接影响聚变性能。
• 低温超导磁体：如ITER、EAST、KSTAR等，使用NbTi或Nb3Sn超导材料，可产生高强度磁场。
• 高温超导磁体：如CFS、星环聚能、能量奇点等公司研发的REBCO材料，可提供更强磁场，缩小装置体积，降低成本。
• 典型装置：EAST（中国）于2025年实现1亿摄氏度、1066秒高约束模运行，刷新世界纪录。

2. 惯性约束聚变

• 原理：通过激光或粒子束在极短时间内压缩和加热氢同位素靶点，实现核聚变。
• 代表装置：美国NIF、Helion Energy的Trenta装置。
• Trenta：磁场强度超过8T，离子密度高达 $3 \times 10^{22}/\mathrm{m}^3$，并宣称实现大规模氘-氦-3聚变。

3. 混合约束方式

• 聚变-裂变混合堆（Z-FFR）：利用聚变中子驱动次临界裂变堆，提高能量增益，具有较高的经济性与安全性。
• 优势：
  • 聚变能量增益 $Q > 30$，远超ITER的 $Q = 10$。
  • 裂变倍增系数 $M = 10-20$，能量输出倍增。
  • 换料周期为3-5年，运维成本低。

核聚变的进展：多国持续投入，成为国家竞争的重要方向

国内外持续投入

• 中国：2025年2月，核电和浙能电力参股中国聚变能源有限公司；EAST实现新纪录。
• 美国：Heilion Energy完成4.25亿美元融资，计划2028年建成首座50MW核聚变发电厂；CFS、TAE等公司推动商业化。
• 国际：ITER项目持续推进，计划2033年实现全等离子体电流，2034年开展完整研究活动。

技术挑战

• 聚变三乘积（nTτ）：必须大于 $5 \times 10^{-2} \mathrm{~m}^{-3} \cdot \mathrm{s} \cdot \mathrm{keV}$，实现“点火”。
• 能量增益因子Q：需 $Q > 1$，实现净聚变能。
• 商业化目标：需达到 $Q > 30$，并实现70%以上等离子体可利用率，100dpa的耐辐照能力。

核聚变的构成及相关产业链

核聚变产业链

核聚变产业链包括磁体系统、偏滤器、包层系统、真空室、冷却系统等。各部分技术要求高，且对材料和工艺有较高要求。

核聚变相关公司

• 磁体系统：西部超导（低温超导）、联创光电、永鼎股份、精达股份。
• 偏滤器与包层系统：国光电气、安泰科技。
• 真空室部件：合锻智能。
• 核聚变子公司：应流股份、航天晨光、久立特材。
• 核电产业链：景业智能、江苏神通、中核科技、佳电股份、纽威股份、海陆重工。

投资建议

• 关注磁体相关公司：磁体系统占装置成本28%，是关键部分。
• 重点公司：
  • 景业智能：2024年预计EPS为0.63元，PE为92.11倍。
  • 应流股份：2024年预计EPS为0.58元，PE为34.12倍。
  • 江苏神通：2024年预计EPS为0.63元，PE为19.60倍。
  • 纽威股份：2024年预计EPS为1.47元，PE为18.01倍。

风险提示

• 技术进展不及预期：核聚变技术尚未成熟，商业化面临挑战。
• 技术路线不确定：磁约束与惯性约束各具优劣，未来技术方向尚不明确。
• 政策支持力度不足：各国政策支持可能影响技术发展。
• 国内外合作不稳定：国际合作项目可能因政治或经济因素受阻。

图表索引

• 图1：稳定同位素比结合能
• 图2：获得核聚变反应的三要素
• 图3：劳森聚变三乘积最低要求
• 图4：聚变能源研究所处阶段
• 图5：聚变方案汇总
• 图6：磁镜效应示意图
• 图7：仿星器线圈配置
• 图8：托卡马克装置概念图
• 图9：托卡马克工作原理
• 图10：AlcatorC-Mod剖视图
• 图11：CFETR设计图
• 图12：EAST装置
• 图13：KSTAR磁体系统
• 图14：TFMC俯视图
• 图15：洪荒70总装
• 图16：经天磁体励磁至21.7特斯拉
• 图17：SUNIST-2装置
• 图18：LIFE示意图
• 图19：Trenta装置

表格索引

• 表1：核聚变与核裂变对比
• 表2：氢同位素聚变反应截面比较
• 表3：聚变能源开发里程碑节点
• 表4：可控核聚变商用化时间表对比
• 表5：主流磁约束装置对比
• 表6：铜基托卡马克磁体性能参数
• 表7：低温超导托卡马克性能参数
• 表8：商业化高温超导托卡马克信息
• 表9：主流惯性约束装置对比
• 表10：Z-FFR关键技术指标
• 表11：Z-FFR建造成本与经济性评估
• 表12：全球主要磁约束装置参数
• 表13：核聚变项目融资情况

结论

核聚变作为未来能源的重要方向，技术进展迅速，各国持续投入。磁约束技术尤其是托卡马克装置是最有希望实现可控核聚变的方式，而高温超导材料的应用将推动其商业化进程。尽管存在诸多挑战，但随着技术突破和商业化尝试的推进，核聚变有望在未来成为清洁、高效的能源解决方案。