华泰证券：“夸父”追“日”，可控核聚变离我们还有多远？

市场资讯2025-04-24

炒股就看金麒麟分析师研报，权威，专业，及时，全面，助您挖掘潜力主题机会！　　华泰睿思　　可控核聚变四问四答　　随着全球公共和私营部门投入加码，可控核聚变产业趋势持续增强。本篇深度我们希望回答有关可控核聚变“为什么、看什么、投什么”的问题，建立对聚变产业发展的跟踪框架。我们看好全球聚变产业规模来到每年100-900亿元，关注渗透率边际提升的高温超导环节和重要性边际提升的耐高温耐中子材料环节。 ...

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　　华泰睿思\n　　可控核聚变四问四答\n　　随着全球公共和私营部门投入加码，可控核聚变产业趋势持续增强。本篇深度我们希望回答有关可控核聚变“为什么、看什么、投什么”的问题，建立对聚变产业发展的跟踪框架。我们看好全球聚变产业规模来到每年100-900亿元，关注渗透率边际提升的高温超导环节和重要性边际提升的耐高温耐中子材料环节。 ...</p>\n\n<a 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　　华泰睿思\n　　可控核聚变四问四答\n　　随着全球公共和私营部门投入加码，可控核聚变产业趋势持续增强。本篇深度我们希望回答有关可控核聚变“为什么、看什么、投什么”的问题，建立对聚变产业发展的跟踪框架。我们看好全球聚变产业规模来到每年100-900亿元，关注渗透率边际提升的高温超导环节和重要性边际提升的耐高温耐中子材料环节。 \n　　核心观点\n　　为什么我们认为可控核聚变正从短期主题投资变成长期产业投资？\n　　中美日韩英等大国均已提出到2040年前后建成聚变示范堆的中长期目标，通过聚变工程攻关解决能源资源约束、撬动科技进步、实现产业孵化“沿途下蛋”，是国家队加码的战略意义所在。与此同时，2024年可控核聚变股权融资来到创新高的30亿美金，私营部门参与度持续提升，正是得益于聚变+AI+超导产业正循环的形成：一方面，AI既是可控核聚变的需求引擎，也是技术突破的加速器；另一方面，高温超导的规模化降本和可控核聚变装置工程经济可行性相互成就。我们预计未来几年全球每年有约2~3个核聚变装置建设投产，行业加速从0到1，产业链招标和订单有望迎来持续催化。\n　　“夸父”追“日”，可控核聚变离我们还有多远？\n　　可控核聚变是将氢的同位素加热至等离子体态发生原子核碰撞，损失质量释放能量的过程，发生聚变的条件是更高温度x更高密度x更长约束时间（聚变三乘积，单位m⁻³·keV·s）。目前，核聚变产业已完成原理性研究和规模实验，在50年内实现了聚变三乘积4个数量级的提升；当前产业在从燃烧试验到反应堆工程试验的攻坚阶段，目标是实现聚变堆芯输出输入能量的净增益，三乘积需再提升一个数量级到1021，2026-27年即将投产的美国SPARC、中国BEST装置计划实现这一目标；在此之后，若进入示范堆阶段，需实现聚变装置输出输入电量的净增益，三乘积再提升一个数量级到1022，2030-40年目标投产的美国ARC、中国CFETR均向这一目标迈进；最终，走向2040-50年商业化目标需要三乘积再提升一个数量级到1023。\n　　可控核聚变的投资机会、产业的空间变化在哪里？\n　　可控核聚变反应的约束方式和原料组合众多，当前氘氚磁约束聚变仍是主流，占在运和在建约一半。磁约束托卡马克装置目前单位造价在100~300元/瓦不等，其中约45%是装置核心造价，包括磁体系统52%、真空室16%、包层第一壁系统11%、偏滤器5%等。从托克马克装置的发展趋势来看：\n　　1．一方面，可以实现更强磁场（15T以上）、更紧凑结构（聚变功率一定，装置体积和磁场四次方成反比）的高温超导磁体渗透率明显提升。目前全球高温超导带材产能约1.5万公里，年产值在十亿元量级；而未来一个250MW紧凑型托卡马克装置需求就达到1.7万公里，覆盖现有产能。产业规模化又有望促进降本，打开电力、工业等场景的高温超导应用空间。从产业壁垒来看，带材环节的性能提升、单根长度提升、生产成本下降拉开企业差距，磁体环节的应力控制、失超检测与保护、接头电阻降低是研发重点。我们认为高温超导产业已进入1-10阶段，相关企业梳理，请见研报原文。\n　　2．另一方面，随着氘氚反应真正发生，耐中子耐辐照材料迎来真正挑战。核聚变产物为14MeV高能中子，相比核裂变产物2MeV快中子给反应装置结构、材料带来的耐热负荷、耐中子冲击、耐辐照挑战不可同日而语。未来随着我国环流三号装置和BEST装置等于2026-27年前后进入氘氚实验阶段，第一壁、偏滤器、包层等部件将迎来“大考”，相关企业梳理，请见研报原文。\n　　风险提示：技术进步不及预期，政策支持不及预期，不可抗力风险。\n　　正文\n　　投资概要\n　　为什么我们认为可控核聚变正从短期主题投资变成长期产业投资？中美日韩英等大国均已提出到2040年前后建成聚变示范堆的中长期目标，通过聚变工程攻关解决能源资源约束、撬动科技进步、实现产业孵化“沿途下蛋”，是国家队加码的战略意义所在。与此同时，2024年可控核聚变股权融资来到创新高的30亿美金，私营部门参与度持续提升，正是得益于聚变+AI+超导产业正循环的形成：\n　　1． AI拉动聚变需求的同时推动聚变技术发展。以美国为首的国家地区，AI对能源的需求推动核能政策复兴及核聚变投资热情，而与此同时，AI技术本身将通过“自主学习、精准预测、智能决策”的特点和强大的数据处理能力，实现控制技术逻辑深度迭代，催化核聚变走向可控路径。\n　　2． 高温超导的规模化降本和聚变工程经济可行性相互成就。高温超导材料可以提高核聚变的磁场强度与等离子体约束能力，且核聚变装置尺寸与磁场强度的四次方成反比。因此，高温超导材料的引入使得可控核聚变装置小型化、紧凑化，降低了装置的投资建设门槛，使得可控核聚变从过去仅“国家队”有能力参与的“大科学装置”变成了更多初创团队可以触及的工程项目。这在推动可控核聚变产业规模扩容的同时也打开了高温超导材料的需求空间，促进高温超导产业和可控核聚变产业规模提升成本下降的正向循环。\n　　我们预计未来几年全球每年会有约2~3个核聚变装置建设投产，拉动产业链招标和订单，行业迎来持续催化。\n　　全球可控核聚变走到哪儿，离夸父追日还有多远？ 可控核聚变是将氢的同位素加热至等离子体态发生原子核碰撞，损失质量释放能量的过程，发生聚变的条件是更高温度x更高密度x更长约束时间（聚变三乘积，单位m⁻³·keV·s）。目前，核聚变产业已完成原理性研究和规模实验，在50年内实现了聚变三乘积4个数量级的提升；当前产业在从燃烧试验到反应堆工程试验的攻坚阶段，目标是实现聚变堆芯能量输出输入的净增益（即Qsci>1），三乘积需再提升一个数量级到1021，2026-27年即将投产的美国SPARC、中国BEST装置计划实现这一目标；在此之后，若进入示范堆阶段，需实现聚变装置电量输出输入的净增益（即Qeng>1或Qsci>6），三乘积再提升一个数量级到1022，2030-40年目标投产的美国ARC、中国CFETR均向这一目标迈进；最终，走向2040-50年商业化目标需要Qeng>5或Qsci>20，三乘积再提升一个数量级到1023。\n　　可控核聚变的投资机会、产业的空间变化在哪里？可控核聚变反应的约束方式和原料组合众多，当前氘氚磁约束聚变仍是主流，占在运和在建约一半。磁约束托卡马克装置目前单位造价在100~300元/瓦聚变功率不等，我们按照每年新建2-3个装置，每个装置聚变功率50~100MW，对应未来可控核聚变每年的全球投资规模有望达到100~900亿元不等。其中，45%是装置核心造价，包括磁体系统52%、真空室16%、包层第一壁系统11%、偏滤器5%等。从托克马克装置的发展趋势来看：\n　　1． 一方面，可以实现更强磁场、更小装置的高温超导磁体渗透率明显提升。2018年美国CFS公司率先启动紧凑型托卡马克装置用高温超导环向场线圈的研发工作，2025年全球首个全高温超导托卡马克于中国上海落成。目前全球高温超导磁体的主要原料高温超导带材产能约1.5万公里，年产值在十亿元量级；未来一个250MW紧凑型托卡马克装置需求就达到1.7万公里，核聚变对带材需求弹性显著。过去十年，高温超导带材年销量每翻一倍、成本下降13%，当前高温超导带材价格基本来到80~100元/米，在核聚变需求的进一步拉动下若推动价格降至30~40元/米还有望打开电网、储能、风电、工业加热等领域对高温超导的需求空间。从产业壁垒来看，带材环节的性能提升、单根长度提升、生产成本下降拉开企业差距，磁体环节的应力控制、失超检测与保护是研发重点。\n　　2． 另一方面，随着氘氚反应真正发生，耐中子耐辐照材料迎来真正挑战。历史上仅美国TFTR和欧洲JET装置发生过真正的氘氚核聚变反应，产生过聚变产物（能量和中子），中国尚未挺进这一阶段。核聚变产物为14MeV高能中子，相比核裂变产物2MeV快中子给反应装置结构、材料带来的耐热负荷、耐中子冲击、耐辐照挑战不可同日而语。未来随着我国环流三号装置和BEST装置等于2026-27年前后进入氘氚实验阶段，第一壁、偏滤器、包层等部件将迎来“大考”。\n\n　　我们与市场的不同\n　　一方面，可控核聚变技术路线和专业概念众多。我们在问题二和问题三中试图建立了一套基于聚变三乘积和聚变净能量增益Q值的跟踪框架，对于不同技术路线的演进思路和发展阶段进行归类梳理，并将聚变三乘积、科学Q值、工程Q值这三个行业常用且易混淆的概念进行了明确与关联，便于投资人理解和跟踪可控核聚变行业。\n　　另一方面，可控核聚变的一个经典质疑就是“永远还有五十年”，投资人担心产业发展的速度和节奏。我们在问题一中对于当前发展可控核聚变的必要性，以及近年来产业发展明显加速的几重原因进行了分析归纳；并在问题四中对于未来三到五年年可控核聚变行业主要值得跟踪的与产业空间、产业份额、投资机会相关的趋势进行了讨论。\n　　问题一：为什么我们认为可控核聚变正从短期主题投资变成产业趋势投资？\n　　可控核聚变过去在很多场合被定义为短期的主题投资甚至炒作，我们认为底层逻辑正在发生积极变化。中国已在可控核聚变的多项前沿技术领域取得国际领先，随着各国官方、民间对于可控核聚变投入和支持的加大，以及中国在本轮技术竞争中持续发力，可控核聚变实验装置数量和体量有望加速扩容，并在这一过程中孵化相关技术和产业，成长为一个持续扩大的投资板块。\n　　原因1：国际技术竞赛加码，核聚变正成为不确定性中的相对确定性\n　　可控核聚变不仅是终极能源，也是打开未来多种技术发展之钥。每当经济增长遇到瓶颈，新的技术便会成为突破口，从1990s的信息技术革命，到2000s的新能源革命、2010s的智能化革命，以及2020s的AI革命 ------ 下一个可能的技术突破点会不会是可控核聚变？我们认为围绕可控核聚变的国际军备竞赛加码正成为不确定性中的相对确定性，这来源于核聚变不仅是人类目前可以掌握的能量密度最高的终极能源，也对人类的自我探索有重要意义：\n　　1． 能源意义；核聚变的能量密度达到3.37×108MJ/kg，不仅没有二氧化碳排放，相比裂变辐射极少，也不生产核废料，由于反应难度高，因此也不存在无法停堆的风险，是清洁能源的终极形态。\n　　2． 材料意义：可控核聚变的反应堆堆温度需要达到1亿-1.5亿度，而约束使用的磁场超导体需要10-77K的超低温，约束磁场达到2-10T+，同时需要高真空环境，这些极端条件都对材料技术提出更高的挑战，也使得高温超导，第一壁，中子屏蔽等材料技术得到发展。\n　　3． 资源意义：核聚变反应需要的氘资源在海水中非常丰富，氚则可通过锂资源增殖产生；此外，核聚变反应还可以采用氘氘、氢硼、氘氦三等不同的元素组合，缓解核裂变的原料如天然铀等的资源问题、对推动人类文明的持续发展具有不可估量的战略意义。\n　　4． 研究意义：地球上大多数物质以固、液、气态形式存在，而宇宙中99%物质是以等离子体形式存在，可控核聚变需要实现长时间等离子体的约束控制，因此推动人类认识宇宙的技术之钥。\n　　2025年3月德国联盟和社民党组成的联合政府在首次联合声明中提出要“加强核聚变研究，目标是拥有世界第一个核聚变反应堆”。过去二十年持续提倡“退核”的德国正重新回到牌桌，是全球大国加码可控核聚变军备竞赛的一个缩影：2012年，韩国启动“K-DEMO”核聚变堆的概念设计研究，目标是在2037年开始建设，在2050年实现净发电；2018年，中国国家发改委批复了中国聚变工程实验堆（CFETR），计划到2035年建成并开始大规模科学实验、到2050年建设商业示范堆；2021年，美国国家科学院、工程和医学联合院在《将核聚变引入美国电网》中提出到2035年建造核聚变装置、2040 年建成并投入使用的构想；2021年同年，英国政府在《Spherical Tokmak for Energy Production》（STEP）计划中目标到2040年建造出核聚变电站；2023年，日本正式确定了首个核聚变能源开发战略方案，计划推出企业参与研发实验的核聚变反应堆，力争在2050年左右实现核聚变发电。\n　　在全球可控核聚变 “军备竞赛” 中，中国并非落后者，而是以多维度突破展现出强劲的竞争力与创新活力。2025 年 3 月，我国新一代人造太阳 “中国环流三号” 率先实现原子核温度 1.17 亿度、电子温度 1.6 亿度的 “双亿度” 突破，标志着可控核聚变研究正式迈入燃烧实验阶段，在核心参数与关键技术上逐步跻身国际前列。\n\n　　原因2：可控核聚变从理论研究到工程验证，0-1阶段或迎密集催化\n　　过去五年全球可控核聚变的商业化进展爆发式增长，2021年随着科研团队产业化进程加速全球可控核聚变企业股权融资总规模达到27.5亿美金，2022、23年虽回落至7.5、12.5亿美金但仍显著高于此前区间，2024年在AI发展刺激下全球可控核聚变企业股权融资规模来到创新高的近30亿美金。根据Fusion Industry Association，截至2024年末全球有约55家企业正在从事可控核聚变装置的商业化开发，较五年前翻倍。从装置数量来看，根据IAEA统计追踪，截至2025年4月目前全球在运核聚变试验装置102个（其中公有、私营分别91个、11个）、在建装置16个（其中公有、私营分别12个、4个）、规划装置27个（其中公有、私营分别6个、21个），可以看到随着装置阶段的推进，私营企业的参与度持续提升。\n\n\n　　我们认为本轮可控核聚变商业化进程的加速主要得益于几方面的突破：\n　　1． 可控核聚变科学问题的逐步解决：自1950年前苏联科学家提出首个核聚变装置构想以来，过去70余年内全球近百个科研装置的运行和数据积累使得学界对等离子体物理和聚变科学原理的认知与验证逐步完善，国际热核聚变实验堆ITER的重金投入、美国NIF装置首次实现净能量增益，均体现出全球主要国家和科学界对于实现可控核聚变的信心提升。\n　　2． 可控核聚变工程卡脖子技术的突破：磁约束路线中，高温超导材料的突破带动装置磁场增强、体积缩小，改善了磁约束路线的等离子体约束能力并提升了工程经济性；惯性约束路线中，为攻克传统激光器面临的能效和成本问题，新型二极管激光器或成为解决方案；磁惯性约束路线中，满足脉冲式运作对开关耐久、高效、可靠要求的高功率固态开关技术逐步成熟。此外，计算能力的提升也整体促进了等离子体控制理解提升和核聚变装置参数优化。\n　　3． AI应用的启动催化对可持续能源的终极追求。可控核聚变是兼具清洁、稳定、可持续三大特征，因此也被称为“终极能源”。随着AI应用的突破，投资者意识到未来对于能源需求的增长及其持续性潜在超预期的可能，因此推动资本加速往新一代能源领域投资。\n　　这一背景下，我们认为可控核聚变正在跨越从理论科学研究到工程试验装置的0-1阶段。这一阶段将有两个标志性的事件，一方面，未来五年我们预计重点国家地区多个重要装置将进入关键验证期，包括2026-27年中国BEST装置和美国SPARC装置目标投运并逐步实现Q>1（净能量增益，我们将在下一章节的问题二中详细讨论）；另一方面，在净能量增益目标达成后，我们预计更多装置也将进入带氘氚运行阶段（由于氚原料在自然界的稀缺性，成本高达上千万元每克，因此当前行业内装置在日常运行试验过程中仅采用便宜的原料氘进行等离子体研究，并不实际发生氘氚聚变反应），可控核聚变从模拟走向实战。\n　　落地到国内投资端，0-1阶段我们预计无论是装置信息还是招标信息或将密集催化。过去几年在国际热核聚变实验堆ITER以及多个海外核聚变商业装置如Tokmak Energy、SPARC等采购需求的拉动下，我国企业通过海外订单已形成了对核聚变装置部分核心部件的供货实力和交付经验，并在高温超导带材、包层第一壁和屏蔽模块等领域实现了国际领先。中国核聚变产业融资启动较海外（美国）滞后1~2年，我们摸排国内主要从事可控核聚变的公有、私营企业项目进度预期（下图），对于未来五年行业招标和订单释放预期积极，具备国际领先技术实力的国内核聚变部件供应商有望受益于国内装置进程的加速，内需接力外需，实现来自核聚变方向的订单持续性的提升和业绩增长动能。\n\n　　原因3：可控核聚变、AI、高温超导产业发展共振，正向循环正在形成\n　　本轮可控核聚变的产业化加速离不开AI技术和高温超导材料技术突破的助力。一方面，AI既是可控核聚变的需求引擎，也是技术突破的加速器；另一方面，高温超导的规模化降本和可控核聚变装置工程可行性和经济性突破相互成就。我们认为可控核聚变、AI、高温超导产业发展共振，正向循环正在形成。\n\n　　AI既是可控核聚变的需求引擎，也是技术突破的加速器\n　　一方面，AI对能源的需求推动核能政策复兴及核聚变投资热情。短期芯片功耗的进步在一定程度上缓和了AI“吞电”的担忧，但我们认为中长期来看，随着AI大模型从训练走向推理，从大语言模型走向多模态模型，从聊天机器人应用走向AI Agent应用，AI算力对电力的需求仍将指数级增长，AI的能源焦虑和能源安全问题仍然存在，而可控核聚变作为清洁、稳定、可持续的终极能源形式，各国核能政策复兴以及核聚变投资热情提升正在发生。特别是在美国，多家核聚变企业已获得了来自AI企业的投资或合作意向，如比尔盖茨的突破能源风险投资基金在2019年与其他投资方一起对联邦聚变系统公司（CFS）进行了1.15亿美元的初始投资；Helion公司在2021年获得了来自OpenAI创始人Sam Altman的E轮投资，此后在2023年与微软达成合作意向，在2028年实现对后者的供电。\n　　另一方面，AI技术本身将通过“自主学习、精准预测、智能决策”的特点和强大的数据处理能力，实现控制技术逻辑深度迭代，催化核聚变走向可控路径。可控核聚变的商业化目前面临的一大关键挑战便是对等离子体的有效控制，等离子体行为类似湍流，极易“撕裂”并逃脱磁场约束，难以通过解析解来精准描述，只能依靠大量数据和经验公式开展数值模拟，传统方法往往力不从心。根据Jaemin et al．《Avoiding fusion plasma tearing instability with deep reinforcement learning》（2024/2/21），研究团队在托卡马克装置DIII-D上用传统反馈控制试图维持标准化等离子体压力（βN = 2.3）时，实验进行至2.6秒大型撕裂不稳定性突然出现，到3.1秒等离子体中断。而该团队借助DIII-D过去的实验数据，集成OpenAI Gym 库和深度确定性策略梯度方法，构建强化学习模型。该模型通过在模拟环境中持续积累经验，自主摸索出控制等离子体的有效策略。模型依据实时监测的多方面等离子体特征，精确预测未来300ms撕裂模式不稳定性的发生概率。基于预测，模型能够动态调整束流功率和磁线圈电流，引导等离子体沿着狭窄路径运行，使等离子体在保持高压力的同时，又不会超出稳定极限，确保撕裂度（通过动态模型预测的未来 25ms 内发生撕裂不稳定性的连续概率值）始终不超过0.5的阈值，维持了等离子体的稳定运行。随着 AI 技术深入发展，未来不仅有望在材料和装置设计优化、反应堆智能运维等领域加速研究进展，更有望在等离子体自适应优化与实时调控等方面实现技术痛点突破。\n　　超导尤其是高温超导产业规模化与可控核聚变装置工程经济突破的相互成就\n　　对于磁约束（尤其是托卡马克）可控核聚变来说，超导材料的发现和引入对于推动聚变工程和经济可行性提升有重要贡献。\n　　1． 从工程可行性角度来看，超导尤其是高温超导材料可以显著提升托卡马克装置的磁场强度，改善等离子体约束性能。最早期的托卡马克装置用传统铜线圈通电产生约束等离子体的外部磁场，由于线圈存在电阻导致发热，会限制磁场的稳定性和对等离子体的约束能力。超导材料具备在一定临界温度以下电阻降为零的特性，1970年代苏联科学家首次在托卡马克中引入低温超导材料（临界温度20K）替代铜圈制作环向场磁体，将环向磁场强度最大值从2.5个特斯拉（T-3装置）提升至5个特斯拉（T-7装置）；2018年，美国MIT和CFS公司首次提出将临界温度更高（77K）、磁场强度更强（最高20个特斯拉以上）的高温超导材料应用于托卡马克装置，相关装置SPARC预计于2026年投运，设计环向场强度为12.2T。\n　　2． 从经济可行性角度来看，超导尤其是高温超导材料的引入可以降低托卡马克装置的尺寸和造价，未来或还可降低一部分运营成本。从投资造价来看，根据Hartmut et al．《On the size of tokamak fusion power plants》（2019/2/4），聚变功率和磁场强度的四次方以及装置尺寸的一次方（约等于外半径的三次方）成正比。因此，为实现同样的聚变功率，磁场强度越大，装置所需尺寸越小。下图对比国际热核实验堆ITER和美国CFS公司的ARC装置，其设计的聚变功率均为500MW左右（转换为电功率约200-250MW左右），采用低温超导路线的ITER真空中心场强为5.3T，装置外半径为6.2米；而采用高温超导路线的ARC真空中心场强为9.2T，装置外半径为3.2米；对比来看，ARC和ITER设计功率略高5%，但体积仅有ITER的14%，折合ARC的功率密度接近ITER的近7倍，这得益于ARC应用高温超导带来更强的磁场强度（以真空中心场强表征，是ITER的174%）。由此可见，通过高温超导材料提升磁场强度对于缩减装置尺寸具备明显的杠杆效应，推动可控核聚变建造成本的节省。从运营成本来看，当前为获得最好的超导效果，高温超导和低温超导一样应用了价格和功耗较高的液氦作为冷却剂，未来若技术进一步成熟，采用功耗为液氦1/10、价格为液氦4%的液氮冷却有望进一步降低运营成本。\n\n　　与此同时，可控核聚变的需求也推动了高温超导产业技术升级，并促进了高温超导材料的规模化降本。根据全球最大二代高温超导带材供应商之一日本FFJ对于2013-2023年高温超导带材价格和市场规模的统计，高温超导带材年销量每翻一倍，带材成本下降13%。过去高温超导材料最主要的应用场景是科研领域和电缆领域，对产业销量规模拉动有限。以超导电缆为例，全球累计在运不过数十个项目，目前全球最大的国网上海公司1.2公里35kV高温超导电缆项目也仅使用了350~400公里的4.8mm 高温超导带材。核聚变的出现打破了这一僵局，美国MIT和CFS的首个聚变用环向场磁体示范项目TFMC在2018-21年四年时间内累计采购了270公里高温超导带材，推动带材每米成本累计下降40%。而根据ARC的设计参数，一个3.2米外半径，9.2T真空中心场强的托卡马克装置对高温超导带材的需求达到1.7万公里，而我们自下而上统计截至2024年末全球高温超导带材的年产能我们估算也不过1.5万公里，可控核聚变对高温超导需求的拉动倍数级提升。\n　　综上，我们认为高温超导材料的引入使得可控核聚变装置小型化、紧凑化，降低了装置的投资建设门槛，使得可控核聚变从过去仅“国家队”有能力参与的“大科学装置”变成了更多初创团队可以触及的工程项目。这进一步推动了可控核聚变产业规模的扩容，进而反作用于扩大高温超导材料的需求空间，促进高温超导产业和可控核聚变产业规模提升成本下降的正向循环。\n\n\n\n　　问题二：全球可控核聚变走到哪儿？“夸父”追日还有多远？\n　　一方面要仰望星空，但同时要脚踏实地，所以理解目前全球核聚变的科学、工程、商业化进展到底如何是非常重要的。为了回答这一问题，我们首先明确衡量可控核聚变产业发展的几个阶段和各个阶段的目标，然后衡量目前全球装置实际的发展阶段，然后展望未来的发展前景。\n　　如何实现可控核聚变，如何测量可控核聚变？\n　　可控核聚变是指通过人为控制条件，使轻原子核通过碰撞反应结合成较重原子核，并在此过程中折损质量、释放能量的过程，其底层原理是E=mc2，也即释放能量=亏损质量x光速的平方。可控核聚变的理论难点在于原子中，原子核直径仅为原子直径的万分之一。要让两个原子核碰撞融合需要足够高的原子密度，且需要足够多的能量克服原子核之间的静电排斥力。氢原子核之间静电排斥里最小，因此氢及其同位氘、氚成为了核聚变的首选燃料。\n\n\n　　可控核聚变发生的判定方式有两种：\n　　1． 一种是氘氚反应实际发生，直接测量系统输入输出能量。对于实际投入了聚变燃料（如氘和氚）的反应来说，可直接测量反应是否有能量输出，一般以核聚变堆芯为系统边界，系统输出能量与系统输入能量的比值为Qsci值（对于磁约束而言系统边界指真空室，对于惯性约束而言指靶丸；系统输出能量即聚变反应释放的能量；系统输入能量即施加给聚变燃料的能量），若Qsci值> 1则认定核聚变反应实现了净能量增益。举例而言，如欧洲JET在其最后一次实验中，投入了0.2mg的氘氚燃料，实现了5秒氘氚聚变，释放了69MJ聚变能量。\n　　2． 另一种是氘氚反应未发生，根据系统参数进行等效判定。考虑到投入聚变燃料的高成本（特别是氚）和反应对设备的损伤（高能中子冲击），实际实验情况一般只投入氘进行等离子体研究，并不真正投入氘氚聚变燃料，因此并不发生可控核聚变，没有能量输出就无法测量Qsci值。这种情形下，业内一般采用聚变三乘积 = 等离子体温度 x 等离子体密度 x等离子体能量约束时间，来判定实验条件是否能支持可控核聚变净能量增益，即著名的劳森判据。其中，等离子体温度提高可以使得原子核之间克服静电排斥力、实现等离子体态；等离子体密度提高可以提高压力从而提高等离子体碰撞几率；等离子体约束时间越长，越容易发生核聚变。对于氘氚聚变来说，一般认为聚变三乘积达到2.8×10²¹ m⁻³·keV·s对应Qsci=1。\n　　从反应方式来看，磁约束在民用商业领域仍然是主流地位。引力约束的原理是依靠恒星自身巨大质量产生的引力，将高温高压的等离子体约束在恒星内部，使其发生核聚变反应，这只有在恒星内实现，地球上主要采取磁约束和惯性约束。其中，惯性约束的原理是利用高能量激光或粒子束照射微型燃料靶丸，使其表面迅速加热、蒸发并向外喷射，产生向内的反冲压力，使燃料靶丸在极短时间内达到高温高密度从而引发核聚变。而磁约束的原理是利用强磁场将高温等离子体约束在特定的空间区域内，使等离子体沿着磁力线运动，同时通过加热等手段提升等离子体的温度和密度，实现核聚变。从发展方向来看，惯性约束为短脉冲型，牺牲约束时间、冲击更高温度、更高密度，从而达到聚变三乘积条件，模拟的是氢弹的原理；磁约束为长脉冲型，通过追求更长的约束时间，同时提升温度和密度来达到聚变三乘积条件，更加适用于民用的场景。\n　　从原料体系来看，氘氚是众多核聚变核素组合中（还有氘氘、氘氦三、氢硼等）实现概率最高的。氘氚反应的反应截面大，满足发生可控核聚变反应发生条件所需的聚变三乘积阈值更低（2.8 x 1021m⁻³·keV·s，比氘氦三反应容易一个数量级，比氘氘和氢硼反应容易两个数量级，对应更低的点火温度要求，也即聚变反应发生条件更容易达到），且单次反应释放的能量更多（17.59MeV，仅次于氘氦三反应，是氢硼反应的2x、氘氘反应的5x），仍是目前主流的产业化方向。考虑到氘氚反应中氚燃料在自然界储量少、成本高，后续面向核聚变工程化还需解决氚燃料循环自持的问题。因而，也有部分产业化路线追求原料可得性相对更好、聚变三乘积阈值仅次于氘氚、反应释放能量最多的氘氦三路线（特别是月球上存储了大量的氦三）。此外，反应原料最丰富，且没有高能中子释放、对材料要求最低的氢硼路线目前也得到了产业界一定的关注。\n\n　　可控核聚变已解决大部分原理问题，进入燃烧试验和工程试验阶段，Q值目标持续提升\n　　国际上一般将可控核聚变的发展阶段分为原理性研究规模试验燃烧试验反应堆工程试验示范堆商用堆六个阶段。我们认为当下全球可控核聚变发展已解决大部分原理问题，进入燃烧试验和工程试验阶段，我们对当前产业发展阶段和全球进程对比总结如下：\n\n　　回望过去，可控核聚变已基本解决了聚变的原理性问题，跨过了规模试验阶段，当前正处于燃烧试验的重要阶段，以发生核聚变反应、产生净能量增益为目标：\n　　1． 早在1991年，欧洲JET托卡马克装置便使用6%氚/94%氘的混合燃料和12MW加热输入功率产生了1.7MW聚变输出功率，实现了人类首次受控氘氚核聚变反应；此后在1993年，美国TFTR托卡马克装置再次使用氘氚混合燃料和24MW的加热输入功率实现了3MW的聚变输出功率。来自欧洲JET和美国TFTR等早期实验装置的努力证明了受控核聚变是可以实现的，推动全球可控核聚变跨过原理性研究和规模试验阶段。\n　　2． 2022年，美国国家点火装置NIF用192束合计2.05MJ的高能激光间接驱动氘氚靶丸内爆压缩，产生的热核聚变释放了3.15MJ的聚变输出功率，全球可控核聚变首次实现净能量增益（输出能量3.15MJ vs 输入能量2.05MJ，但由于NIF装置技术路线中，氘氚靶丸对激光能量的效率低，学界对这一装置是否实现了Qsci>1存在一定争议），美国NIF装置标志着可控核聚变燃烧试验的阶段性成功，向下一阶段开始继续迈进。\n　　展望未来，我们认为可控核聚变产业化之路还有几个重要节点需要突破（以典型托卡马克磁约束核聚变装置，氘氚聚变为例）：\n　　1． 从燃烧试验到反应堆工程试验阶段：突破Qsci（科学Q）> 1。目前，磁约束可控核聚变装置实际投入了氘氚燃料反应创造的Qsci值最高记录为来自欧洲JET的Qsci= 0.7；而对于没有真正发生氘氚反应的磁约束装置来说，以聚变三乘积衡量各国装置的最高记录分别是欧洲JET的6.1×1020 m⁻³·keV·s，日本JT-60U 的5.6×1020 m⁻³·keV·s，德国ASDEX的2.2×1019 m⁻³·keV·s、中国EAST的1.0×1019 m⁻³·keV·s，可以看到距离氘氚核聚变反应产生净能量增益的条件（聚变三乘积大于2.8×10²¹ m⁻³·keV·s）还有1~3个数量级的差距。目标于2026、27年投运的中国聚变新能BEST装置、美国CFS公司SPARC装置均以Qsci > 1为目标。\n　　2． 从反应堆工程试验到示范堆阶段：突破QEng（工程Q）>1，等效于QSci（科学Q）>6。如前面所讨论的QSci > 1代表着以核聚变堆芯作为系统边界，聚变输出能量大于聚变输入能量，实现了净能量增益；而对于真正的工程装置来说，需考虑将市电转换为聚变输入能量的过程损失、以及将聚变输出能量转换为电力的过程损失，将系统边界拓宽至整个核聚变装置后，输出电能大于输入电能或者说QEng（工程Q）> 1是这一阶段的目标，实现这一目标相当于可控核聚变装置可以实现自持燃烧，不再依赖外部燃料输入，只需要投入反应原料。其中，对于典型托卡马克磁约束核聚变装置来说，从市电到聚变输入能量的转换效率ηE一般认为在70%，损失主要来自装置运行过程中辅助系统包括冷却系统、磁体供电系统等的能耗；从聚变输出能量到发电的效率ηele一般认为在40%，损失主要来自聚变输出能量主要以高能中子形式存在，需通过中子慢化将能量转变为热能由冷却剂带走，再通过热交换器生成蒸汽驱动汽轮机做功，进而通过发电机产生电能，这一过程的转换效率遵循卡诺循环极限。考虑上述因素后，研究认为要实现QEng > 1，需要QSci > 6，对应氘氚反应的聚变三乘积需要达到1022 m⁻³·keV·s数量级，包括国际ITER、中国CFETR、美国ARC等装置目标在2030-40年投运并最终实现这一水平。\n　　3． 从示范堆阶段到商用堆阶段：突破QEng（工程Q）>5，等效于Qsci（科学Q）>20。进入这一阶段，核聚变可持续发生已经得到保证（点火后不依赖外部燃料输入，只需要投入反应原料），走向商业化的最后一步是衡量装置的经济性是否可以和其他电源形式竞争，Q值越大，聚变功率越大，单位成本越低，商业经济性条件越有可能实现。一般认为满足商用发电需求，需要QEng（工程Q）>5，等效于Qsci（科学Q）>20，对应氘氚反应的聚变三乘积需要达到1023 m⁻³·keV·s数量级。目前结合各国和各科研机构的路线图，2040-50年或将是可控核聚变商用的“夸父”追日时刻。\n\n\n　　问题三：提升可控核聚变Q值有哪些技术路线和工程思路？\n　　众人拾柴火焰高，技术实现Qsci>1的路径已逐渐清晰\n　　典型托卡马克装置的运作流程与结构紧密相连，从核心反应区到外围系统形成完整的闭环体系：\n　　1． 最内部，氢同位素氘和氚被加热至等离子体态后注入真空室内，真空室外是由环向场线圈、极向场线圈及中央螺线管构成的磁场结构构建起约束“牢笼”——环向场线圈产生强环形磁场，极向场线圈形成垂直磁场，二者叠加成螺旋形磁力线，将高温等离子体约束在环形真空室内，避免与装置壁接触；中央螺线管则通过感应电流辅助加热并维持磁场形态。\n　　2． 在高温（超1亿℃）、高密、高约束条件下，氘氚发生聚变反应生成氦和中子，产物氦通过位于装置底部的偏滤器排出，而携带能量的中子和反应能量则穿过由耐高温材料制成的第一壁，进入外围的包层系统。第一壁即要允许中子和能量穿过，又要具备出色的耐高温和抗热冲击性能。\n　　3． 包层承担双重功能，一方面，中子在此被慢化，能量由冷却剂（如氦气、液态金属等）带走并在辅助系统中通过热交换器生成蒸汽驱动汽轮机运转，并经由发电机转换为电能，原理与传统裂变发电类似；另一方面，包层中的锂与中子反应生成氚，作为原料重新回到反应体系，实现燃料循环。\n　　上述整个反应装置被置于高真空环境的真空室内，以减少杂质干扰，外部支撑结构则为磁场线圈等核心部件提供机械支撑，承受运行时强大的电磁力。此外，还有定心系统、冷却系统等辅助设施，起到支撑中央螺线管、确保各部件在适宜的温度范围内工作等作用\n\n　　托卡马克装置聚变三乘积向更高温度，更大密度，更长时间综合演进\n　　结合上文的讨论，我们认为全球的磁约束核聚变正在攻克Qsci>1的关键阶段。结合聚变三乘积公式，托卡马克装置要实现Qsci>1主要围绕更高等离子体温度、更高等离子体密度、更长等离子体约束时间进行参数优化。下图总结了过去数十年全球主要托卡马克科研装置和科研机构对托卡马克路线实现更高聚变三乘积所作出的贡献和提出的思路，其中大部分思路已由国际热核聚变实验堆ITER采用并论证了Qsci>1的可行性（D.J． Campbell et al．《ITER Research Plan within the Staged Approach》（2024/4/10）），也有部分思路正由更多新型的私营企业进行尝试。\n\n　　实现更高等离子体温度的主要方式包括但不限于：\n　　1． 在欧姆加热等离子体的基础上同时采用辅助加热：欧姆加热依赖于等离子体电阻发热的原理，但随温度上升，等离子体电阻变小，欧姆加热效率达到瓶颈，一般欧姆加热只能将等离子体加热到2-3000万℃，而后需要通过辅助加热（如中性束加热、射频加热、低杂波驱动等方式）的能量输入将等离子体进一步加热至聚变反应所需要的1亿℃。中性束加热技术于1988年由欧盟JET装置首次引入，并应用于ITER项目。\n　　2． 磁重联加热技术也是一种等离子体辅助加热的一种手段，与主流托卡马克装置使用的中性束加热方式不同，磁重联加热技术通过感应线圈形成上下两个等离子体环，然后控制极向磁场将两个环靠拢发生磁重联，这一过程中磁力线会“断开”并重新连接形成新的磁场结构，原本储存在磁场中的能量会被快速释放，进一步加热等离子体。1990年由英国START装置首次尝试磁重联加热，目前中国初创公司星环聚能联合清华大学的SUNIST-2装置正开展磁重联加热技术工程验证。\n　　3． 第一壁作为承受聚变堆芯能量的第一道防线，提高其材料的耐高温能力为等离子体温度提升提供了支撑。托卡马克装置发展初期，第一壁材料采用不锈钢，此后尝试了包括碳、铍、钨等不同材料体系，新一代装置普遍采用钨作为第一壁材料，主要考虑到其更好的耐高温能力（钨熔点3422℃，铍熔点1287℃）。钨第一壁于2007年由德国ASDEX装置首次引入，目前ITER项目的第一壁正在从铍向钨过渡。\n\n\n　　实现更高等离子体密度的主要方式包括但不限于：\n　　1． 通过外部加料直接增加等离子体密度。外部加料的技术路线包括超声分子束注入（SMBI）、冷冻弹丸注入（Pellet Injection）、气体喷注（Gas Puffing）等。其中，SMBI技术在1984年由中国核工业西南物理研究院的HL-1装置首次提出并应用；Pellet injection技术最早的应用之一是在1985年投运的日本JT-60装置上。ITER最终采用了冷冻弹丸注入这一外部加料方式。\n　　2． 限制等离子体密度上限的格林沃尔德极限理论得到修正。于1988年首次提出的格林沃尔德极限认为当等离子体密度超过某个值时，由于等离子体之间的相互作用，聚变的等离子体就会变得无法控制，这一理论限制了现代托卡马克装置的加料密度和装置设计。2022年瑞士洛桑联邦理工学院基于新的理论和实验证明，通过更复杂精确的燃料注入控制，这一极限实际上可以提高两倍。\n　　3． 此外，约束模式的转换可以同时实现更高温度和更高密度：从L-mode 到 H-mode，通过抑制湍流，在等离子体边缘形成梯度很陡的垒，使得核心密度、温度、压力、约束陡然提升。这一现象1982年由德国ASDEX装置首次意外发现并广泛应用于包括ITER在内的装置当中。\n\n\n　　实现更长等离子体约束时间的主要方式包括但不限于：\n　　1． 托卡马克装置截面形态的持续优化，与等离子体形态匹配。研究发现采用非圆截面的托卡马克截面设计，可以将等离子体在垂直方向拉长以获得更大电流和更好的约束性能，由1965年苏联T-12装置首次引入椭圆截面，1978年欧洲联合体JET装置首次引入D型截面，ITER装置也采用了这一设计。近年来，也有部分装置在尝试与D型正三角截面相反的负三角截面设计，由瑞士TCV装置首次提出，其后美国DIII-D、欧洲JET和德国ASDEX-U等都展开了相关研究，结果发现负三角等离子体普遍具有第一壁热负荷降低、边界局域模消失、约束改善、密度更高等优势，国内目前星环聚能正在进行基于原生负三角设计的球形托卡马克装置NTST的建设。\n　　2． 约束磁场的材料由常规铜圈到超导材料的演进。如前面讨论的，超导材料在一定临界温度下呈现零电阻特性，因而可以很好的避免常规装置因为电阻导致铜线圈发热的问题，提供更强、更稳定的约束磁场。1970年代苏联T-7装置上首次尝试了低温超导环向场线圈部件，到 2007年中国EAST装置投运成为全球首个全低温超导（包括16个环向场线圈，14个极向场线圈以及中心螺线管，矫正场线圈不用超导材料）托卡马克装置，目前ITER亦采用了全低温超导的设计思路。2018年，美国MIT和CFS公司首次提出了应用高温超导的磁场技术方案并推动了产业发展，相较于ITER的低温超导，高温超导可以提供高大的理论磁场强度，实现更强的约束能力，全球首个高温超导装置由中国能量奇点公司于2025年建成（洪荒70）。\n　　3． 偏滤器的引入：偏滤器的作用包括排出反应产物氦灰、排出其他杂质、以及排出热量，通过偏滤器控制边缘粒子流为实现H-mode约束模式提供了干净的等离子体边界环境。偏滤器由1982年德国ASDEX装置首次引入，并沿用至ITER装置。\n　　4． 此外，第一壁从铍换成钨，不仅能提高温度，也能帮助减少溅射以维持等离子体纯度，从而实现更长的约束时间。\n\n　　颠覆性技术路线涌现，在三重积上做取舍\n　　不同于国家队项目大多选择主流托卡马克技术路线，对于私营企业来说，则更多采取了一些更加前沿、更可能具备颠覆性的技术路线，从聚变三乘积的不同角度上（温度/密度/约束时间）去实现和提升Qsci > 1。对于中美等大国来说，在技术路线上也是多线发展不做选择题。\n\n　　具体来看：\n　　1． 仿星器（Stellarator）：托卡马克装置的变种，理论上可提升约束时间。仿星器的核心特点在于约束等离子体无需依靠等离子体电流产生极向磁场，而是完全通过精细的外部线圈产生，故从原理上避免了托卡马克由于等离子体电流自身的复杂性所导致的失控问题，如电流中止、等离子体大破裂等。全球第一个仿星器装置最早1953年在美国普林斯顿诞生，目前全球最大的仿星器装置为德国的文德尔施泰因 7 - X（（2015年建成）。与此同时，仿星器的发展有多项挑战：磁场结构设计上，精确构建所需磁场形态对理论研究和计算能力要求极高；运行控制方面，多线圈控制难以精准协同；材料技术上，装置需承受高温等离子体热冲击和强磁场，复杂线圈结构对加工精度要求极高。\n　　2． 激光聚变（ICF）：牺牲约束时间，最大化温度和密度。相比磁约束技术路线，惯性约束通过牺牲约束时间，来实现更高能量和更大密度的快速突破，以实现Q值提升。激光约束核聚变的研究始于20世纪70年代，目前美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）是世界上最大的激光装置。2023年该装置采用2.2 MJ激光驱动能量，获得了 3.4 MJ的氘氚聚变放能。激光惯性约束核聚变在不断取得显著进展的同时，在工程化上仍面临诸多挑战，如其短脉冲式的聚变反应（每次聚变反应维持1ns）与民用发电装置的需求不一致；此外，相比磁约束核聚变市电输入转化为堆芯能量输入的转换效率ηE一般可达70% vs 激光聚变的能量转换效率仅10%，以及磁约束核聚变堆芯能量输入可由聚变原料吸收的效率ηabs一般可达90% vs 激光聚变的能量吸收效率仅0.9~6%。低能量转换效率意味着，激光聚变路线要实现Qeng>1需要Qsci需>100（与此对比，磁约束仅需Qsci达到>6）。\n　　3． 磁惯性聚变：磁惯性聚变是利用磁约束等离子体驱动惯性聚变点火，而惯性聚变中等离子体密度不受到传统磁约束路线中格林沃尔德极限的限制，从而可以在等离子体密度这一指标上有所突破。磁惯性聚变中，目前初创公司在尝试的方向包括：\n　　直线形场反转装置（MIF），此类设计在直线形装置两端将燃料加热至等离子体态，并用磁铁磁约束将等离子体限制在场反转（FRC）装置中，磁铁进而以160万公里/小时的速度推动等离子体环向中间靠近，在装置中心位置等离子体加速碰撞压缩，在高温高压状态下发生惯性约束聚变。这一路线目前进展最快的的商业化项目是美国Helion，目前已迭代到第七代装置，目标2028年向微软公司供电。此外中国瀚海聚能采取了类似的技术路线（为国内首家）。\n\n　　Z箍缩装置（Z-pinch），Z 箍缩利用大电流脉冲通过柱形导体（导电物质一般为钨丝）使其变为等离子体态，脉冲电流产生的强磁场产生的洛伦兹力推动等离子体向轴心运动产生内爆；内爆高温高压压缩而发生惯性约束聚变。目前进展较快的包括中国的成都先觉聚变（Z-FFR混合堆路线，中国工程物理所彭院士领衔，中核九院技术支持，国光电气参股项目，原型为中国工程物理研究院的“聚龙一号”装置），以及美国的SNL的ZR装置。\n　　磁化靶装置（MTF），MTF的主要原理是将氘氚等离子体团注入一个液态金属的自旋涡流中，然后用一组活塞向内挤压。如果这种挤压在几微秒内完成，等离子体就会向心聚爆，引发聚变反应。目前实现较快进展的是General Fusion于2023年提出的MTF演示机器LM26，该装置于 2025 年 3 月成功在靶腔内首次形成磁化等离子体，目标在未来两年内实现1keV、10keV的关键里程碑，在2030年代初至中期发电。\n\n\n　　工程上新思路，有望加速Qsci>1之后的商业化进程\n　　我们在问题二中讨论了突破Qsci > 1（聚变堆芯输出能量大于输入能量）意味着可控核聚变从燃烧试验阶段全面进入反应堆工程试验阶段，再下一个里程碑是Qeng > 1（聚变装置输出电量大于输入电量）对应进入示范堆阶段，而最终的终点是实现Qeng > 5从而真正实现商业可行性。对于传统磁约束托卡马克装置来说，实现第一步Qeng > 1需要Qsci> 6，而最终实现Qeng > 5需要Qsci > 20，Qeng和Qsci之间的差距主要来自聚变电热/热电转换效率的制约，尤其是在聚变输出能量转换为发电的过程若采用传统的热交换+蒸汽轮机+发电机路线将受制于卡诺循环效率制约。如何突破这一制约？目前我们看到起码两种路线可以提升核聚变堆芯输出能量转化为电力的转换效率，进而缩短可控核聚变产业从反应堆工程试验阶段走向示范堆阶段所需要的时间。\n　　1． 思路一：采用裂变聚变混合堆路线，通过裂变包层实现中子增殖和能量增殖，降低商业化对Qeng值的要求。传统核聚变装置用核聚变反应释放的中子进行氚增殖，用核聚变反应释放的能量去发电。而裂变聚变混合装置中，核聚变反应的直接输出（中子和能量）变成了裂变反应的的输入，用核聚变反应释放的中子作为裂变反应的中子源，一方面用于进行核裂变反应发电（原理是一个中子击打U258会裂变出2~3个中子，并释放能量），另一方面增殖的中子进一步用于氚增殖包层产氚。裂变聚变混合堆的设计思路理论上可以通过核裂变反应放大核聚变反应效果，因此只需要聚变部分Qeng > 1，而不需要Qeng > 5，理论上裂变聚变混合装置就具备商业化意义。目前国内联创光电与中核集团联合的江西“星火一号”项目，以及成都先觉聚变（中国工程物理所彭院士领衔，中核九院技术支持，国光电气参股项目）均采取了裂变聚变混合的技术路线。\n　　2． 思路二：仅氘氚聚变、氘氘聚变的聚变能发电受限于卡诺循环，氢硼聚变和氘氦三聚变可直接发电缩小Qsci和Qeng之间的差距。Qsci和Qeng之间的差距有很大一部分来自聚变输出能量转换为电能的转换效率，对于传统氘氚聚变来说，其聚变输出能量约80%以高能中子形式存在，聚变输出能量到电能的转化需经过1）中子慢化释放能量；2）冷却剂带走中子能量；3）热交换生成高温蒸汽；4）蒸汽推动蒸汽机做功；5）发电机发电多个步骤，受限于卡诺循环，极限效率ηele约40%。而对于氢硼和氘氦三聚变来说（如美国Helion的技术路线），聚变能量主要以带电粒子而非中子形式携带，带电粒子动能可通过电磁场直接捕获转换为电能，其转换效率极限ηele可达80-95%。研究表明，在ηele等于95%的情形下，实现Qeng > 1所需的Qsci 要求可以从从ηele等于40%情形下的 > 6降低至 > 3。（当然，对于氢硼聚变和氘氦三聚变来说，实现Qsci > 1所需的聚变三乘积较氘氚聚变高1~2个数量级，不同路线的难点不同）。\n\n\n　　问题四：可控核聚变的投资机会、产业的空间变化在哪里？\n　　聚焦托卡马克装置本身，高温超导、产氚包层或是边际变化方向\n　　托卡马克装置中，超导磁体、真空室、包层第一壁、偏滤器造价占比较高\n　　我们估算全球可控核聚变设备年产值可达数百亿元，其中超导磁体、真空室、包层第一壁是最主要构成。从总造价来看，目前全球可控核聚变装置的单位造价概算区间在100~300元/瓦聚变功率不等，若按照每年2~3个50~100MW规格聚变功率的项目同时开工（参考IAEA的装置数量统计），我们预计对应在反应堆示范阶段，全球可控核聚变对应100~900亿元/年的总项目投资需求，以ITER为参照，根据ITER于2002年公开的项目造价明细，项目总投资额中~81%为工程系统的直接造价，而工程系统中~53%为托卡马克装置核心，而托卡马克装置中成本构成为磁体系统52%、真空室16%、包层第一壁系统11%、偏滤器5%等（以上为基于低温超导路线的托卡马克装置的成本构成；对于高温超导路线来说，磁体系统的成本构成会更高，我们估算或达到70%的磁体系统成本占比）。\n\n　　方向一：高温超导渗透率加速提升，高技术壁垒带来龙头机会\n　　我们观察到高温超导技术在托卡马克装置中的应用比例正在显著上升。正如我们在前面几章所讨论的，磁体系统从常规铜圈、到低温超导、到高温超导是磁约束托卡马克装置实现更强约束能力、更小装置规模的重要技术发展方向。最早一批于1970-90年代建造的欧洲JET、日本JT-60、美国TFTR、德国ASDEX、中国HL-1等重要装置均采用常规铜线圈导体；进入2000年代后，包括2006年投运的中国EAST（及其前身HT-7）、2017年开建的ITER均从常规铜线圈升级至了全低温超导。自2018年美国CFS和MIT推动高温超导在可控核聚变的应用以来，全球采用/计划采用高温超导材料的托卡马克装置比例逐渐跃升，2025年随着中国能量奇点公司洪荒-70装置投产，全球高温超导托卡马克实现了零的突破，我们预计接下来渗透率还将持续提升：\n　　1． 已经确定的项目包括2027年将投产的美国SPARC装置、中国星环聚能的在研装置CTRFR、2030年中国联创光电和中核集团合作的星火一号项目、以及英国Tokmak Energy公司的先导堆，预计均是全高温超导设计；\n　　2． 此外，多个后续项目预计一定比例采用高温超导，潜在项目包括中国BEST项目部分磁体（如中心螺线管）、以及聚变能源公司的系列项目规划。\n\n　　高温超导托卡马克装置的核心是高温超导磁体，及其原材料高温超导带材（约占磁体成本~1/3）。目前第二代REBCO（REBa2Cu3Ox， RE = Y或某些稀土元素）稀土钡铜氧化物导电高温超导带材已成为行业主流，其以哈氏合金（HastelloyTM）为基带，上方依次沉积氧化铝、氧化钇、氧化镁、镧锰氧化物、二氧化铈等数层缓冲层后，沉积约1μm左右厚度的高温超导REBCO材料层，沉积完成后上下两面均依次镀有银保护层和铜保护层。其中，哈氏合金基带起到结构支撑、机械缓冲等作用，缓冲层起到1）阻止基底中的金属原子和超导层中的氧相互扩散2）为超导层生长提供织构衬底的作用，REBCO层是带材实现高温超导特性的核心，而银铜保护层起到机械保护、应力缓冲、失超保护等作用。企业工艺路线个各异，缓冲层沉积技术路线包括离子束辅助沉积（IBAD）或倾斜衬底沉积（ISD）等，目前以IBAD路线为行业主流；REBCO层沉积技术路线包括脉冲激光沉积（PLD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、金属有机盐沉积（MOD）等，目前各家企业仍采取了不同的工艺路线。\n\n\n\n　　真正实现了REBCO系高温超导带材产业化商业化的企业全球范围内不出十家，技术壁垒大、市场集中度高。最主流厂家包括美国 Super Power、韩国SuNam、俄罗斯 SuperOx、日本 FFJ 、德国Theva和中国上海超导等。我们根据各公司公开交流信息逐一排摸了上述企业的产能情况，统一到4mm幅宽计算：\n　　1． 截至2023年末我们估算全球REBCO高温超导带材产能不足1万公里，其中日本FFJ、上海超导、东部超导分别达到3000公里、2500公里、900公里，产能占比约32%、27%、10%，其余企业年产能均在百公里级别，市场份额均在个位数百分点；\n　　2． 截至2024年末我们估算全球REBCO带材产能提升至接近1.5万公里，扩产主要来自上海超导和东部超导，分别达到6000公里和2000公里，推动其产能份额提升至42%和14%。\n　　3． 展望后续，各家REBCO高温超导带材企业均有不同幅度的扩产计划，三年内全球供给能力有望来到3-4万公里。未来单个核聚变装置对高温超导带材的需求就相当于目前全球的产能水平：以美国CFS公司的ARC项目为例，该项目设计功率200~250MW，外半径3.3米，环向场线圈全部计划采用REBCO二代高温超导带材，预计需要12mm幅宽带材5730km，折合4mm标准幅宽1.72万公里，已经超过了我们统计的截至2024年的全球REBCO带材供给能力。在可观的潜在需求下，我们看到日本FFJ、东部超导、德国Theva、上海超导分别目标到2025年、2025年、2027年、2028年产能扩张至4500公里、5000公里、7500公里、1.5万公里；此外，日本/美国SuperPower此前规划扩产至1500公里，韩国SuNAM宣称现有厂房最多可支持3000公里产能，上述提产仍在规划中未明确落地时间。\n　　REBCO高温超导带材的生产难度来自多个方面：1）REBCO材料只有在一定晶格取向下才会表现出优异的超导特性，对多层缓冲层的织构化、生长的精度控制、缺陷控制提出挑战。不同层之间的膨胀系数差异和应力问题可能会导致裂纹或脱层。2）REBCO本身属于陶瓷材料天然有脆性，受到应力易导致性能衰减，为减少对后道加工（如磁体绕制产生的弯曲应力）和运行工况（如运行过程中的环向电磁应力、材料热收缩不匹配导致的热应力等）的影响，对基底和稳定剂的选择、各层沉积工艺的应力控制、缓冲层的结构设计、金属保护层的制备工艺均提出挑战。3）综合来看，REBCO带材的成品长度在百米到千米之间不等，在这一长度下控制厚度、成分、性能的一致性的同时，兼顾沉积速率和成本，给沉积工艺和设备选择带来挑战。\n　　从竞争格局来看，目前全球高温超导带材厂家的产品在实际性能表现以及带材批产的单根长度等方面还存在一定差距（并不是所有厂家都可以实现接近数百米级长带材的稳定生产）。一方面，带材在实际运行环境中的性能衰减容易诱发失超；另一方面，带材拼接过程中引入的接头电阻发热也是失超的诱因。失超即超导体在运行过程中失去超导态、恢复到正常电阻，高温超导磁体失超往往伴随剧烈发热，对磁体和设备造成不可逆损伤。因此，我们认为下游客户对具备更好产品性能、更长带材长度的头部超导带材厂家具备一定的需求粘性。\n\n　　考虑到聚变强场磁体往往需要承受超大电流和超强磁场，实际应用中，首先需将几十甚至上百根高温超导带材通过堆叠、扭绞、换位等方式，或者外加金属圆形或方形套管等方式，加工成高温超导集束缆线，进而加工成高温超导导体，实现载流能力和机械特性增强，再以该缆线或导体为大型超导磁体绕制的基本单位，最终应用于磁约束核聚变装置中产生强约束磁场。行业从业者研发或提出的高温超导缆线或导体结构包括但不限于：罗贝尔涂层导体电缆RACC、圆芯电缆CORC、扭绞叠带电缆TSTC、管内导体电缆CICC、高温超导十字导体HTS-CroCo、准各向同性缆线QIS和方形窄堆线3Swire等。\n　　从壁垒方面来看，对于核聚变用高温超导磁体系统，具备磁场强度特别大、制造和集成容差特别小、耐久性和可靠性要求特别高、稳定性要求特别苛刻等显著特点，亦具备较高的技术难度和壁垒。相比低温超导，高温超导磁体更容易出现失超问题（即导体失去超导态），应力变化、电流过载、接头电阻、磁场变化等因素均容易诱发失超。同时，高温超导的失超识别难度更大，传统的电压监测无法有效识别高温超导的状态变化；一旦失超导致局部发热，容易导致磁体结构破坏、设备损坏、冷却失效等不可逆反应。高温超导磁体制作加工工艺本身也是核聚变企业的核心竞争力之一，众多高温超导磁约束可控核聚变初创企业均外采高温超导带材后自己加工成高温超导磁体（包括但不限于能量奇点的“经天磁体”，星环聚能的“SH-150亥姆霍兹磁体”，CFS的“SPARC TFMC磁体”，Tokmak Energy的“Demo4 磁体系统”），核心技术壁垒包括但不限于：\n　　1． 接头技术：由于生产良率限制，目前REBCO带材一般长度在100~1000m，平均4~500m，而聚变用的高温超导磁体单个可能需要几十甚至几百公里的带材，过程中涉及到带材的拼接、线圈的连接和闭合。在焊接过程中，要控制接头电阻，接头电阻过高会导致发热进而引发失超问题。\n　　2． 外加预应力技术：机械应力、热应力等导致带材性能（临界条件变化）均是发生失超问题的诱因。需要确保从常温的状态的磁体绕制装配，到实际极低温、极高场、大电流的运行环境，磁体能保证机械结构稳定性。\n　　3． 固化浸渍技术：需要在磁体绕制过程中，或者绕制完成后，对磁体进行固化浸渍处理以提升其传热性能和机械完整性。\n　　4． 磁场测量与控制：高温超导磁体系统需要精确测量和控制磁场，以保证系统的稳定性和工作效率，并且提供失超识别，若出现失超情况需保护停堆。通常采用磁力计或磁通传感器等设备进行测量和控制。\n\n\n\n\n　　方向二：氘氚实验重启，由内到外第一壁、偏滤器、包层、屏蔽层结构材料迎来真正挑战\n　　当前对于受控核聚变能源研究的挑战除了燃烧等离子体自身的加热和稳定性等问题外，抗高通量中子辐照的包层材料及氚循环过程的挑战也是制约聚变发展的重要因素。正如我们前面讨论的，在全球可控核聚变的发展历史上，真正发生过氘氚反应的磁约束可控核聚变装置只有欧盟的JET和美国的TFTR，分别已于2023年末、1997年初退役。除此之外，也只有日本的JT-60装置发生过等效Q>1的氘氘反应。这也就意味着，除了上述装置外，全球大部分的磁约束可控核聚变装置（包括我国的几个实验装置）均没有真正发生过+⟶++17.59MeV的氘氚聚变反应（而是以氘等离子体运行为主，因为氘氘聚变反应条件比氘氚难两个数量级达到，因此也并未发生氘氘聚变反应），没有真正输出过聚变功率，亦没有释放出高能快中子。\n　　越来越多装置明确了实现Q>1的路线图以及带氘氚运行的时间点。从国内来看，包括核工业西物院的环流三号装置目标在两三年时间内实现全面升级，开始氘氚燃烧实验；中科院合肥等离子体所（聚变新能公司）BEST项目投2027年投运后的目标是实现氘氚运行；最江西联创光电和中核集团合作的“星火一号”项目到2030-32年左右实现氘氚运行。根据国务院1987年颁布的《中华人民共和国核材料管制条例》（现行），氚和锂-6均是管制类核材料，实行许可证制度。任何单位累计调入量或生产量大于或等于3.7×1013贝可（1000居里）的氚、含氚材料和制品（以氚量计），或累计调入量或生产量大于或等于1公斤的浓缩锂、含浓缩锂材料和制品，均需首先获得由国家核工业部审查、颁发的核材料许可证。这也意味着接下来我国核聚变装置真正可以实现氘氚反应的将以“国家队”或与国家队合作的企业为主。\n\n　　随着氘氚聚变反应的真实发生并释放能量和中子产物，高能快中子既是聚变能的重要载体，又是聚变工程化的重要挑战，对材料可靠性和寿命带来新考验。\n　　1． 高能快中子的作用，一是携带了反应80%的输出能量，通过包层中的慢化材料对快中子能量进行吸收，并由冷却剂带出该能量用于发电；二是作为包层中氚增殖反应的原料与锂-6反应生成聚变原料氚，使得氘氚聚变反应得以自持发生。\n　　2． 而与此同时，高能快中子同时具备热负荷高、穿透性强、辐照破坏大等特点，容易导致聚变堆内材料构件空洞肿胀、高温氦脆、嬗变污染等问题。如何理解其对现有材料体系带来的挑战？我们直观对比，核裂变产物快中子能量一般平均仅2MeV左右，而核聚变产物高能快中子能量达到14MeV；这使得装置核心结构需承受的热负荷水平从核裂变堆的0.1~0.5MW/m2，提升至核聚变堆第一壁/偏滤器的10~20MW/m2；工作温度从核裂变燃料包壳的300-600℃提升至核聚变第一壁的1000℃以上；同时，核心材料需耐受的中子辐照损伤从核裂变堆的0.5~1dpa/年（相当于全生命周期30~60dpa，dpa是材料辐照损伤的计量单位，表示原子平均离位次数）提升至核聚变堆的全生命周期150~200dpa（作为对比，不锈钢材料的中子辐照理论极限为50 dpa）。\n\n　　在核聚变装置部件中，第一壁、偏滤器、包层承接了大部分的高能中子冲击，为外部的真空室和容器组件提供热屏蔽，对结构和材料的耐高温、耐辐照、耐冲击要求最高。\n　　1． 第一壁和偏滤器：当前主流的核聚变装置设计采用钨作为第一壁和偏滤器材料，国内企业当中，安泰科技钨偏滤器、钨第一壁、钨硼屏蔽材料等钨复合件产品已应用于CFETR/EAST/BEST/ITER/WEST等国内国际核聚变装置；国光电气研制的偏滤器已应用于环流三号等托卡马克装置，此外公司为ITER研制的新的钨第一壁已进入样件生产阶段。\n　　2． 包层：东方电气为ITER研制并批量化生产包层屏蔽模块，首批48件已于2024年11月发往ITER总部所在地法国，其中东方精工参股的贵州航天新力科技有限公司负责包层屏蔽模块中不锈钢锻件模块的制造，远方装备生产的低活性铁素体/马氏体钢应用于包层结构材料。\n　　从产业孵化培育角度来看，“沿途下蛋”的外延商业机会在哪里？\n　　我们认为，投资核聚变企业的价值不仅仅在于核聚变装置本身，还有超出装置的能源意义、材料意义、资源意义和科研意义。可控核聚变的研究推动的等离子体研究进步、超导材料进步、耐高温耐辐射特种材料开发、超低温冷却技术升级等方向都具备超出核聚变本身的产业应用空间。因此，从产业投资的视角看可控核聚变，一方面关注不同技术路线本身的工程化潜力，但同时更要关注产业孵化、沿途下蛋的商业机会。\n　　超导材料的应用远在天边近在眼前\n　　如前面讨论的，从过去经验来看REBCO带材销售规模每翻十倍，成本下降50%。近两年REBCO高温超导带材的价格仍高达80~100元/米（4mm标准幅宽），为低温超导带材的十倍。而一般认为在电缆、风电等领域实现高温超导带材的批量化导入需要高温超导带材价格较当前水平再下降50%+至30~40元/米。单个可控核聚变装置对超导材料的需求达到千公里甚至万公里级别，一个250MW的磁约束托卡马克装置建设需求就能包下全球现有REBCO带材产能一整年的生产，两个250MW的项目就可以覆盖各家带材企业的扩产规划。可控核聚变的需求有望加速高温超导的产业进步和规模降本，从而驱动高温超导材料在更多领域经济性的提升，未来在规模效应的不断驱动下或逐步打开超导材料的应用空间。\n　　1． 电力行业：超导电缆在人口密集地区或率先试点。高温超导电缆有望率先试点的应用场景是人口密集城市地区的地下输电网络，需要大电流中电压的场景。在这类场景中，高温超导的零电阻特性将展现优势：1）一方面，高温超导电缆相比传统电力电缆同样空间下输送容量是后者的3~5倍，结构更加紧凑，因此可以在更加狭窄拥挤的地区铺设线路，且适合对现有线路进行扩容的场景；2）另一方面，高温超导零电阻特性使其不存在发热问题，对环境影响更小，并且可以通过特殊设计屏蔽电磁场，从而与现有设施更加兼容；3）此外，高温超导可以承受更大电流密度也意味着其降低了对输电电压的要求，从而避免了对更昂贵、占地面积更大的高压电力设备的需求。超导电缆的大规模推广仍面临造价相对偏高、运维难度相对较大等阻碍。当前，高温超导电缆已经在美国、中国、德国、法国、日本、韩国等国家和地区拥有试点项目。目前全球范围来看最大的示范项目为2021年中国上海由国家电网投运的35kv公里级超导电缆，采用了REBCO高温超导带材，由三段400米的高温超导电缆整体构成长度1.2公里的示范项目。\n　　2． 量子计算行业：超导量子计算是前沿方向。量子计算是利用量子力学原理与性质对信息进行处理，它能够利用量子算法强大的功能解决现有计算机不能有效处理的一些 NP 问题。固态量子计算采用的基本单元是固态量子比特。基于约瑟夫森结的超导器件能够呈现宏观量子效应，且由于超导器件的小尺度和超导性，环境导致的耗散和噪音能有效地被压制，使得超导量子器件能够很好地展现量子相干行为，使其成为固态量子比特的主要候选者。\n　　3． 军工工业领域：高品质、高能效要求领域加热或率先导入。与传统交流工频感应加热装置相比，超导极低频感应加热装置具备几方面优势：1）高能效，传统交流感应加热效率约40~45%，超导直流感应加热效率可达80~85%，加热效率提升一倍，全生命周期可以带来可观的电费节约；2）超导感应加热具备高穿透深度、高加热均匀性、温度梯度可控等优势，提升产品的良品率。在对质量要求高的航空军工领域，大型铝、镁、钛等合金金属空间有望试点电磁感应加热；类似的，在半导体和光伏领域，采用超导磁控的直拉法单晶生长炉也有望成为单晶硅生长的一种技术方式。\n　　EAST、HL等国内可控核聚变标杆科研项目提供的“沿途下蛋”范本\n　　“沿途下蛋”就是一种科技成果转化的有效措施，通过企业、资本、科技的融合，助力大科学装置诞生科技成果，将其“孵化”并走向市场。以中科院合肥等离子体所EAST项目为例，依托这一大科学装置，中国科学院合肥在等离子体应用技术、离子束生物核心技术、太赫兹激光前沿技术、微波离子源技术、低温制冷技术、高功率特种电源技术、超导材料关键技术、超导磁体关键技术、氧化锌灭磁保护技术、电磁发射技术等方面取得突破，并孵化了西部超导等上市公司，以及中科太赫兹科技、中科离子等成长中的初创企业。无独有偶，核工业西南物理研究所依托其环流装置，成功研制了大面积纳米金属离子源、卷对卷连续产线生产设备，开发了多种异质材料界面活化工艺+高性能薄膜制备工艺，产品广泛应用于物联网技术、5G/6G通信及汽车电子等下游应用消费电子、医疗健康和军工雷达等领域。\n\n\n　　产业链公司详细梳理，请见研报原文。\n　　风险提示\n　　技术进步不及预期。可控核聚变当前在实现Qsci>1的关键攻坚阶段，而最终实现商业化需要Qsci>20，对应聚变三乘积还需要提升三个数量级。若实现等离子体更高温度、更高密度、更长约束时间的技术进步不及预期或技术相互冲突，则可能带来聚变三乘积进步停滞、技术进步不及预期的风险。\n　　政策支持不及预期。单个可控核聚变装置投资在百亿量级，需要公共资金引导结合私营部门投入。此外，可控核聚变仍一定程度遵循核工业较高的准入门槛以及较严的监管条例。包括核聚变装置的选址审核、关键材料和原料获取均需政府部门支持。因此，若政策支持不及预期也将影响产业的发展速度。\n　　不可抗力风险。核聚变反应在产业化初期仍面临较多运行风险，若控制不当造成等离子体大破裂等类型事故，释放的高能中子及其他杂质可能对反应装置及外围环境造成一定损害。若出现此类不可抗力事件亦有可能影响公众对核聚变的心态及产业发展。\n\n新浪声明：此消息系转载自新浪合作媒体，新浪网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述。文章内容仅供参考，不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。\n\n\n海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP\n\n责任编辑：凌辰","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1,"need_auth":false,"code":"91000000","status":"200"},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 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