机械行业未来产业系列研究-可控核聚变专题报告(二)：托卡马克的发展史全梳理

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（维持） 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技术路径之一，也是各个大国开展聚变实验时重点聚焦的技术路径。随着高温超导技术的突破，民营资本大量涌入可控核聚变赛道，“洪荒 70”（能量奇点）、“SUNIST-2”(星环聚能)等托卡马克装置运行进程提速。在这篇报告中，我们主要梳理了托卡马克的运行原理及构成、其长达 50 年的发展史、目前面临的技术上的挑战，以及各国科学界对于托卡马克未来发展的展望。 ❑ 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。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。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，一切技术上的突破都是为了之后的示范堆和聚变电站打基础。 ❑ 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：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，2050 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：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：遇到新的技术瓶颈、被其他技术路径替代、花费资金金额超预期、资金投入不及预期 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 % 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 S1090522050002 huxiaoyu1@cmschina.com.cn 宋盈盈 S1090520080001 songyingying@cmschina.com.cn 林喜鹏 S1090522050001 linxipeng@cmschina.com.cn 王超 S1090514080007 wangchao18@cmschina.com.cn 鄢凡 S1090511060002 yanfan@cmschina.com.cn 方嘉敏 研究助理 fangjiamin@cmschina.com.cn -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（二） 敬请阅读末页的重要说明 2 行业深度报告 正文目录 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难点 ....................................................... 15 五、 如何看托卡马克的未来？ ......................................................................... 17 六、 风险提示 ................................................................................................... 18 图表目录 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 ..............