电力设备及新能源行业：可控核聚变持续取得重要进展，产业链仍处于商业化初期

[Table_yejiao1] 本研究报告由海通国际分销，海通国际是由海通国际研究有限公司，海通证券印度私人有限公司，海通国际株式会社和海通国际证券集团其他各成员单位的证券研究团队所组成的全球品牌，海通国际证券集团各成员分别在其许可的司法管辖区内从事证券活动。关于海通国际的分析师证明，重要披露声明和免责声明，请参阅附录。(Please see appendix for English translation of the disclaimer) [Table_yemei1] 热点速评 Flash Analysis (Please see APPENDIX 1 for English summary) （一）核聚变原理 氘氚聚变（D+T）是最常见的核聚变反应，占比达 65%。根据国际原子能机构定义，核聚变反应是指由质量轻的原子核融合形成质量更重的原子核这一过程，过程中会释放出部分能量，称为核聚变能。在目前条件下，具备应用潜力的主要有 4 种反应，其中最常见的核聚变反应是 DT 聚变，DT 聚变反应是当一个氘核与一个氚核聚在一起，在高温等条件下发生反应，形成一个新的原子核-氦，同时释放出一个中子，反应过程中减少的质量变成了大约 17.6MeV 的能量。由于 DT 反应速率高且反应横截面较大，同时原材料氘容易获取，根据Fusion Industry Association 统计，目前核聚变反应中原料来源中，氘氚聚变反应占比为 65%，是当前最主要的核聚变反应形式。 图 1:主要核聚变反应 图 2: 核聚变原料来源 资料来源:《聚变堆内部部件材料表面条件对氢同位素渗透的影响机理研究》王霞, HTI 资料来源：Fusion Industry Association, HTI 可控核聚变的优点：（1）同等燃料释放能量远高于核裂变：由于氘氚的质量较轻，核聚变反应释放的能量是同等核裂变燃料释放能量的 4-5 倍，地球上化石能源、风力、水力 以及太阳能等多种能源其实都源于太阳内部的核聚变反应所产生的辐射。当前核电利用的是核裂变技术，核聚变作为未来能源的潜力巨大。（2）核聚变原料容易获取，经济性好：根据核工业西南物理研究院冯开明在论文《可控核聚变与国际热核实验堆计划》中披露，1L海水可产生相当于300 L汽油的能量。一座100 万kW 的核聚变电站，每年耗氘量只需304kg。据估计，天然存在于海水中的氘有 45 亿 t，把海水中的氘通过核聚变转化为能源，按目前世界能源消耗水平，足以满足人类未来几十亿年对能源的需求。（3）安全可靠，环境友好：国际原子能机构表示，可控核聚变在运行中不会出现类似裂变型的事故或核熔毁的“失控”链式反应。氘氚核聚变反应的产物是惰性氦，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生有毒有害气体或者温室气体。 （二）可控核聚变的技术路径 地球上实现可控核聚变，就需要对高温等离子体进行约束。在聚变反应中，实现高温等离子体约束的方式主要有三种： 引力约束：引力约束是指通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对等离子体的约束，比如太阳自身具有强大的引力，在高温和高压的合力下，让氢核裸露出来，相互碰撞产生持续源源不断的核聚变。 [Table_Title] 研究报告 Research Report 26 Dec 2023 ESG & Power Equipment & New Energy & Utilities 可控核聚变持续取得重要进展，产业链仍处于商业化初期 Controlled Nuclear Fusion Continues to Make Important Progress, and The Industry Chain is Still in The Early Stage of Commercialization 杨斌 Bin Yang 余小龙 Bruce Yu 张申琪 Allison Zhang bin.yang@htisec.com bruce.xl.yu@htisec.com allison.sq.zhang@htisec.com 26 Dec 2023 2 [Table_header2] ESG & Power Equipment & New Energy & Utilities 磁约束：磁约束是利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，发生核聚变反应需要把核聚变燃料氘氚加热到上亿度，形成等离子体，使得质子不被电子包裹，做高速热运动，两个质子发生碰撞的概率越高，由于等离子体温度极高，科学家通过磁场约束质子运动，从而避免等离子体接触到容器，这种装置是托克马克。 惯性约束：惯性约束采用多台超大功率激光器，对准封装核燃料的氢气小球，同时发射激光，加热和压缩氢燃料，激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出 X 射线，然后这些 X 射线可以将其加热到 1 亿摄氏度，高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应，随之便会放出大量能量。 图 3: 托克马克内部电流和磁场 图 4: 惯性约束装置 资料来源：五十弦惊, HTI 资料来源：Nature, HTI （三）可控核聚变技术发展路线趋势 我国确定了以磁约束聚变发展技术路线，关键技术领先全球。我国可控核聚变研究始于 20 世纪 50 年代中期，1972 年开始研制我国第一台铁芯变压器托卡马克装置 CT-6，1995 年建成了我国第一台超导托卡马克装置 HT-7，2002 年建成了第一台具有偏滤器位形的中国环流器二号Ａ装置（ HL-2A）,2006 年世界上第一台全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次成功放电，2020 年中国环流器二号Ｍ装置（HL-2M）升级改造完毕实现首次放电，根据中国磁约束聚变发展路线的计划，在本世纪中期可以完成第一座用于商业发电的原型聚变电站（PFPP）的建设。在技术方面，EAST 于 2021 年分别实现了 1.2 亿摄氏度等离子体稳态运行 101 秒以及 7000 万摄氏度离子体稳态运行 1056 秒的成绩，均创造了托卡马克实验装置运行的世界纪录， 2023 年 4月，EAST 装置获得 403 秒稳态高约束等离子体，创造该参数下运行时间新的纪录。2023 年 8 月，HL-3 首次实现 100 万安培等离子体电流高约束模运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录，关键技术领先全球。 26 Dec 2023 3 [Table_header2] ESG & Power Equipment & New Energy & Utilities 图 5: 中国磁约束核聚变能发展技术路线 图