电力设备行业深度报告：可控核聚变：从科幻到商业

凝 聚 智 慧·创 造 财 富可控核聚变：从科幻到商业分析师：杨阳SAC执业证书编号：S0230523110001联系人：许紫荆SAC执业证书编号：S0230124020004——电力设备行业深度报告证券研究报告2024年04月30日Ø 可控核聚变的优势和原理：核聚变能即小质量元素的原子核（通常是氘和氚）聚合成为重核所释放的能量。与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，安全可靠、不产生放射性废物，2023年国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。“聚变”的实现需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，聚变的“可控”理论上通过可磁约束、激光约束和箍缩实现，目前世界上主流路线为磁约束装置托卡马克。Ø 当前进展与商业化可能：1968年后苏联科学家发明的托卡马克装置成为主流路线，并经历了托卡马克→超导托卡马克→全超导托卡马克的技术迭代升级。2006年，中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国等正式签署ITER协定并于2007年成立ITER国际组织实施计划，项目总计划投资高达200亿欧元。2023年，美国NIF装置创造能量净输出记录，日本JT-60SA也成功实现点火，我国EAST装置也不断刷新等离子体运行记录。据美国聚变能协会FIA统计，截至2023年初全世界核聚变公司吸引了超过60亿美元的投资，全球43家聚变能公司中有26家认为聚变供电将在2035年之前实现，19家认为届时聚变发电将具备商业可行性。我国目前有2个前期建设阶段项目，总投资计划接近300亿元，将为相关产业链提供重大机遇。Ø 可控核聚变产业链：可控核聚变产业链上游为原材料，包括第一壁材料钨、高温超导带材原料REBCO和氘氚燃料；中游为相关设备，核心设备包括超导磁体、第一壁和偏滤器，其中超导磁体占总投资成本约40-50%。高温超导磁体可大幅提升磁场强度，是装置运行的核心部件，第一壁的作用是控制进入等离子体的杂质、传递辐射到材料表面的热量等，偏滤器的作用是控制等离子体与真空室壁面的相互作用，减少壁面的热负荷和粒子轰击；产业链下游为应用环节，核聚变技术主要用于发电、医疗、科研等领域。Ø 投资建议：近年来，全球领域可控核聚变技术突破和商业投资加速，将为相关产业链带来重大机遇。首次覆盖，给予行业“推荐”评级。个股方面，建议关注超导磁体环节联创光电，高温超导带材制造商精达股份、永鼎股份，低温超导带材西部超导，偏滤器制造商国光电气、安泰科技等。Ø 风险提示：行业政策不及预期，重要技术进展不及预期，相关投资不及预期，建设进展不及预期，运行实验结果不及预期，设备交付不及预期，商业化进展不及预期，重点关注公司业绩不及预期等。 摘要目 录3可控核聚变产业链2当前进展与商业化可能可控核聚变：“聚变”与“可控”的原理14相关公司及投资建议5风险提示 核能分为裂变能和聚变能01•核能是一种清洁高效的能源，核变化释放的能量可以分为两种类型：1）核裂变（nuclear fission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量。铀是核裂变的关键原料，铀原子在中子的轰击下会裂变为钡和氪，裂变时会产生大量能量，同时还会产生3个新的中子，激发其他铀原子裂变。目前核能发电用的主要是裂变技术，核裂变技术还用于原子弹中。2）核聚变（nuclear fusion），即小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量。氘和氚聚合在一起会产生氦和1个中子，同时可以释放出能量。数据来源：洞察化学，华龙证券研究所图1：核裂变示意图数据来源：洞察化学，华龙证券研究所图2：核聚变示意图 可控核聚变能量密度高、原料丰富、安全无污染01•与核裂变相比，可控核聚变释放能量大，原料来源丰富，安全可靠、环境友好、产生的放射性废物少。能量密度来看，每单位质量的聚变燃料释放出的能量是裂变的4倍；原材料来看，聚变燃料通常使用氘和氚，地球上氘储量丰富，氚可以通过中子和锂制备，而核裂变采用的铀元素我国储量有限仍需进口，2023年进口量1.7万吨，进口金额达到19亿美元；安全性来看，聚变实现难度高，且不产生放射性废料，而核裂变是链式反应，难以控制，并产生大量放射性物质，切尔诺贝利（1986年）和福岛（2011年）福岛核事故曾造成巨大危害。•2023年国务院国资委启动实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。数据来源：创新中心CXZX，华龙证券研究所图4：我国铀资源进口量图3：核聚变的优势数据来源：Wind，华龙证券研究所能量密度高• 每单位质量的聚变燃料释放出的能量是裂变的四倍，“燃烧”一千克氘相当于四千克铀，相当于七千吨汽油或一万吨煤。原材料充足• 地球上氘的含量丰富，每升海水中含有0.03克氘，地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。• 氚可通过中子和锂作用产生，而海水中含有大量锂。• 按目前世界能源消费的水平，核聚变燃料可供人类使用上亿年。安全可控• 核聚变堆的聚变反应条件要求极端，需高达上亿摄氏度的超高温的条件下进行，且需要燃料的持续输入，某环节出现问题，反应就会自动终止，不会出现“失控”链式反应。环保无污染• 可控核聚变过程中只会产生少量的氦气，不产生高放射性、长寿命的核废物，也不会产生二氧化碳或其他有害气体 由于反应原理不同，核聚变进度不及核裂变01l核裂变从实验室走向裂变电站仅用了约10年。1939年，科学家首次揭示了铀原子核的分裂现象；1945年，利用核裂变原理制造出的第一颗原子弹在美国阿拉莫戈多沙漠爆炸；3年后，第一座核裂变电站便在美国田纳西州橡树岭实现发电。1951年，利用核聚变原理制造的氢弹在太平洋上的恩尼威托克岛实现爆炸，然而至今70年人类依然未能实现可控核聚变发电。l核聚变无法复制核裂变发电的模式。从核裂变的反应方程式可以看出，核裂变的触发需要中子（n）。当铀核由1个中子引发裂变时，会同时放出2-3个中子，这些中子可以再引起其他铀核裂变，裂变反应可不断持续下去，这一过程也被称为链式反应。通过加入控制棒吸收核裂变产生的中子，可以控制核裂变的反应速率，从而实现核裂变发电。而核聚变的反应过程则不需要中子，因此无法复制核裂变控制反应速率的方式。图5：核裂变发展路线示意图数据来源：《核裂变——无尽的探索》裴俊琛等，华龙证券研究所图6：核聚变无法复制裂变发电的模式数据来源：深度产业研究院，华龙证券研究所 如何实现“聚变”:温度、密度、时间01l实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。l1）足够高的温度：要在地球实现高效核聚变反应，温度大约需要维持在1亿℃以上可获得较高反应几率，这个温度是太阳核心温 度的近10倍；2）一定的密度：等离子体约束区单位体积内氘氚原子核的数量越多，能够有效提高原子核间的碰撞效率，以获得足够的核聚变反应率；3）能量约束时间：高温等离子体的能量以辐射和热传导的形式逸出，能量损失的时间被定义为能量约束时间，高能量约束时间意味着装置具有良好的隔热性能，能量流失得缓慢，