重点：

可控核聚变有望成为动力最优惩处决议。1）可控核聚变所需氘等燃料地球上储量丰富（海水中氘储量约45亿吨），不存在资源敛迹；2）可控核聚变反馈仅在几亿度高温等离子体状态下进行，反馈条件坑诰，发生故障可自动罢手，具有固有安全性；3）可控核聚变所需燃料氘氚是清洁动力，氚仅在反馈经过中产生，且半衰期很短，发射性危害较小；4）可控核聚变反馈经过产生的深广高能中子简略应用于科研界限。

推行不断取得突破，产业和风险老本不断涌入。一方面咱们看到近几十年推行不断取得突破，现在聚变三重积已接近劳森判据，聚变增益因子Q曾经经接近生意发电所需Q>10的基础要求；另一方面咱们看到各人范围内从事生意化聚变堆探索的企业数目曾经达到43家，招引到风投投资金额不断攀升，驱散2023年头，各人聚变公司累计招引零散 60 亿好意思元投资，国内包括能量奇点、星环聚能等初创公司相通开启了我国生意化聚变堆的尝试，何况收效获取风险老本投资。咱们觉得酌量投资有望快速摇荡为对上游的采购订单，从而拉动聚变产业链需求放量。

高温超导磁体、第一壁是聚变发电托卡马克安设中枢。现在适用于民用发电的门道以磁敛迹托卡马克安设为主，为了结束三重积大于劳森判据需要有磁体提供满盈强的磁场，以钇钡铜氧为代表的二代高温超导时刻以及由此繁衍的磁体时刻发展，为托卡马克安设提供了大幅超越以往的磁场强度，从而加快了聚变发电产业化弘扬。此外，为了结束燃烧后系统线路安全出手以及氚自握，第一壁材料的研发老到亦然结束聚变发电的先决条件。咱们觉得高温超导带材、磁体、第一壁材料产值占比高，时刻壁垒高，是最优投资门径。

正文

什么是可控核聚变

核聚变是指两个或多个质料较轻的原子核团聚为一个或多个较重的原子核和其他粒子，并开释出能量的经过。可控核聚变指在东谈主工限制下哄骗聚变产生能量，在现在条件下，具有应用后劲的聚变反馈主要有以下几种：

图表1：现在可用的几种核聚变反馈

良友起原：《聚变堆里面部件材料名义条件对氢同位素浸透的影响机理研究》，王露，2022，中金公司研究部

氘氚聚变的反馈截面（反馈概率）高出其他聚变反馈两个数目级以上，是现在具备科学可行性的反馈，亦然现在聚变堆设想的主要标的。

图表2：氘氚反馈暗示图

良友起原：Contemporary Physics Education Project，中金公司研究部

可控核聚变有哪些分类

结束可控核聚变有三种敛迹形势，分辨是引力敛迹、磁敛迹和惯性敛迹。

► 引力敛迹是通过物资自身质料产生宏大的引力来结束对燃料的敛迹（如太阳），现在在地球上无法结束。

► 磁敛迹指将氘氚燃料加热为等离子身形，哄骗强磁场敛迹等离子体沿着磁场标的作念回旋畅通，等离子体在畅通经过中发生碰撞从而发生核聚变。

► 惯性敛迹的旨趣是把几毫克的氘氚气体装入直径几毫米的小球内，向球面射入强劲的激光或粒子束，外球面因受到能量而向外挥发，而球面内层受到反作使劲向内压缩，球内气体受挤压后达到高温、高压力状态。当温度达到燃烧温度时，球内气体发生爆炸，爆炸后的气体会在飞散之前充分扬弃并开释深广热能。

图表3：可控核聚变的三种敛迹形势

良友起原：《超导磁体时刻与磁敛迹核聚变》，王腾，2022，中金公司研究部

磁敛迹现在被觉得是最有可能结束可控核聚变发电的门道

磁敛迹聚角色置主要有托卡马克、磁镜、仿星器、反向场箍缩等门道，现在的研究多集会于托卡马克门道，且时刻弘扬较快，如海外热核聚变推行堆（ITER），我国的EAST均采取托卡马克手脚敛迹安设。

图表4：托卡马克基本结构

良友起原：《J-TEXT托卡马克偏滤器位形的模拟与结束》，朱立志，2020，中金公司研究部

图表5：ITER的托卡马克安设

良友起原：ITER官网，中金公司研究部

激光敛迹核聚变已取得Q值上的突破，可用于星际漂荡等界限

好意思国国度燃烧安设（NIF）于2022年12月结束“净能量增益”，推行输入的激光能量为2.05兆焦耳，输出的能量为3.15兆焦耳，能量增益达到153%。这项突破展示了东谈主类迈向可控核聚变时期的后劲。

图表6：好意思国国度燃烧安设

良友起原：《激光惯性敛迹聚变的基情愿趣和燃烧安设》，粟敬钦， 2018，中金公司研究部

1）极高的温度。如氘氚反馈和氘氘反馈分辨要求燃料温度不低于1亿度和5亿度。在如斯的高温下，燃料粒子处于电离状态，即“等离子体”。

2）保证燃料超高的密度。等离子体需有超高的密度，才气保证有满盈多的粒子发生反馈，并输出聚变能。

3） 须将等离子体敛迹在有限空间内，并保管满盈长的时刻。

凭证劳森判据，当等离子体密度n，温度T，敛迹时刻三者的乘积（聚变三重积）大于5 ×1021m- 3·s·keV时，聚变反馈才气自握进行。

图表7：结束可控核聚变的三个条件

良友起原：《超导磁体时刻与磁敛迹核聚变》，王腾，2022，中金公司研究部

► 燃料资源丰富。核聚变燃料之一的氘（D）无为地漫衍在海水中，1升海水中索求的氘在实足的核聚变反馈中开释的能量十分于扬弃300升汽油的能量。氚不错通过聚变反馈产生的中子与聚变堆增殖层中的锂发生反馈产生氚，锂的储量较为丰富，海水中约有2600亿吨锂。

► 可控核聚变具备固有安全性。高温等离子体一朝形成，任何出手故障齐能使等离子体赶紧冷却，从而使聚变反馈在短时刻内自动罢手，这意味着核聚变反馈堆不会发生要紧事故。

► 核聚变能是清洁动力。核聚变反馈不会产生温室气体，也险些莫得发射性玷污。尽管氘氚聚变反馈中的氚具有发射性，但氚的半衰期很短，且在聚变堆中很快地被扬弃。

► 核聚变具有无为的应用。核聚变产生的深广高能中子在科研以过头他界限均有无为的用途。

聚变能量增益因子（Q值）和聚变三重积不断取得突破

聚变能量增益因子指核聚变反馈产生的能量与输入聚角色置的能量之比。当Q=1，聚变反馈所开释的功率便是保管反馈所需的加热功率，称为进出均衡。由于实质工程中存在多样能量蚀本，在至少达到Q>5时，聚变反馈自愿产生的热量才足以保管反馈，结束聚变燃烧；而念念要结束聚变发电的商运，正常要求Q>10。

聚变三重积与Q值呈正酌量干系，三重积越大，则Q值也会随之增大。从可控核聚变研发于今，Q值与聚变三重积均显耀加多，使异日的生意化可控核聚变成为可能。

图表8：主要聚角色置的Q值

良友起原：《海外核聚变动力研究近况与长进》，核工业西南物理研究院，2014，中金公司研究部

图表9：聚角色置Q值的发展趋势

良友起原：《海外核聚变动力研究近况与长进》，核工业西南物理研究院，2014，中金公司研究部

图表10：聚变三重积的变化趋势图

良友起原：《Fusion: Power for the future》，Anthony J Webster，2003，中金公司研究部

超导体具有零电阻效应，在电流传输经过中险些不存在能量耗尽，且超导线圈载流才气强，能得到更强的磁场，是聚变堆磁体的势必选拔。磁敛迹可控核聚变需要提供高温高压的环境来敛迹等离子体，而磁场强度是结束这些条件的要津参数。托卡马克的聚变功率与磁场强度的4次方及安设半径的3次方成正比，加多磁场强度不仅不错擢升聚变功率，还不错有用减小反馈安设的尺寸。因此，一个磁敛迹聚变发电厂的范围、时刻和经济性在很猛进程上取决于磁体的质料。

图表11：核聚变功率狡计公式

良友起原：《On the size of tokamak fusion power plants》, Hartmut Zohm，2019，中金公司研究部

高磁场强度将鼓舞聚变堆的成本裁减。ITER的中心磁场强度为5.3特斯拉，而现在高温超导磁体最大能产生45.5特斯拉的磁场，且异日磁场强度会进一步擢升。咱们觉得，磁场强度越大，聚角色置的尺寸会随之减小，聚变堆的成本也将随之大幅下落。

图表12：ITER的磁体安设

良友起原：ITER官网，中金公司研究部

驱散2023年年头，生意核聚变公司共43家，较之2022年年头加多13家，聚变公司数目呈彰着的高潮趋势。核聚变公司招引的投资额也在不断加多，且近两年增长趋势彰着。驱散2023年头，全寰宇核聚变公司招引了零散60亿好意思元的投资，较2022年头的总投资额加多14亿好意思元，较2021年头的18.72亿好意思元加多40多亿好意思元。

图表13：各人聚变公司数目

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良友起原：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部

图表14：各人聚变公司得到的总投资额

注：2023年数据为2022年4月-2023年4月；2021-2022年依此类推良友起原：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部

对21世纪以来与可控核聚变时刻酌量的专利数目进行筛选和分析，不错看到总体呈增长趋势，阐发可控核聚变时刻得到了更多的关爱。

图表15：核聚变时刻酌量专利数目

良友起原：贤惠芽，中金公司研究部

2022年Jonas Degrave于《Nature》上发表的《Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning》中提到，英国DeepMind公司与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家合营，哄骗深度学习花样生成非线性反馈限制器，通过自动学习结束对总共磁线圈的限制。为了小心高温等离子体与容器壁的战斗，必须平等离子体进行精准的限制。传统的托卡马克安设中，每个线圈需配备单独的限制安设，每秒需解救上千次电压，带来了深广的设想和工程任务。由于等离子体在真空室中的畅通存在很高的概略情趣，现在的限制花样还无法万古刻敛迹等离子体。东谈主工智能不错通过与环境的交互，不断地优化和创新限制计谋，使得托卡马克安设中的等离子体限制愈加精准和便捷。

核聚变工业协会（FIA）发布的2023年各人核聚变工业施展中对什么时候简略结束第一座聚变电厂向电网运输电能这一问题作念出调研，有40家核聚变公司针对给出了斟酌。约65%的核聚变公司觉得2035年前简略结束聚变发电，零散85%的聚变公司觉得2040年前不错结束收效发电。

图表16：40家核聚变公司对于聚变发电时刻的斟酌

良友起原：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部

聚变堆的第一壁材料是结束可控核聚变的难点之一

第一壁材料是聚变堆中径直濒临高温等离子体的材料，对于聚变堆的安全出手至关要紧。第一壁材料的作用为：

1）当高温等离子体潜逃磁敛迹时，保护聚变堆的反馈安设；

2）蜕变等离子体辐射到材料名义的热量，并通过冷却剂将热量带走，在二回路产生蒸汽；

3） 发生故障时保护其他部件免受等高温离子体轰击。因此，必须确保第一壁材料领有精粹的性能，以保管聚变堆的安全出手。

图表17：第一壁材料位置暗示图

良友起原：《聚变堆第一壁钨材料辐照毁伤与燃料淹留行动研究》，张学希，2022，《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部

第一壁材料的入伍环境恶劣，常常受到高温等离子体轰击及高能中子辐照。第一壁材料与高温等离子体之间的互相作用会严重影响材料的热导率、力学性能和抗热冲击性能等。中子辐照会导致材料产生辐照肿胀，发生硬化和脆化，严重胁迫聚变堆的安全线路出手。

钨基合金可能是异日聚变堆理念念的第一壁材料。钨具有高熔点、高热导率和低氢同位素淹留等优点，但其自己也存在一些劣势，举例机械加工性差、韧脆调遣温度较高、辐照硬化和脆化等。而向钨基体中添加极少碳化物、氧化物、以及合金化元素不错有用擢升钨的性能。图表18闪现钨基合金受到等离子体辐照后名义产生的气泡彰着小于金属钨受相通辐照所产生的气泡。因此，异日聚变堆的第一壁材料很可能是校正后的钨基合金材料。

图表18：钨及钨基合金受等离子体辐照后的变化

良友起原：《聚变堆第一壁钨材料辐照毁伤与燃料淹留行动研究》，张学希，2022，中金公司研究部

氢淹留是指氢同位素（主如若氚）在跟第一壁材料战斗后，淹留在材料里面，导致难以回收的气候。由于氚燃料稀缺且粗糙，异日的生意聚变电厂需要结束氚的里面增殖。氚增殖的经过是在等离子体外部派遣增殖层，氘氚反馈生成的中子干与增殖层，并与其中的锂6发生反馈生成氚。包层生成的氚经过索求、净化后再行加入到等离子体里面进行反馈。而氚会与材料发生互相作用而导致氢同位素淹留在材料中，由于淹留带来的损耗可能突破氚轮回，进而导致聚变堆无法正常出手。

图表19：氘氚聚变反馈堆氚轮回暗示图

良友起原： ITER官网，中金公司研究部

托卡马克等离子体中存在的多样不线路性问题严重影响了等离子体敛迹。徐海文在《托卡马克中辐射与热传导对扯破模不线路性影响的模拟研究》（2022年）中提到，托卡马克等离子体是一个极其复杂的体系，其中波及的物理经过同期跳动了多个时空要领；此外，宏不雅磁流体不线路性、微不雅动理学不线路性、旯旮等离子体敛迹以及加热与波粒互相作用将会使万古刻敛迹等离子体穷困重重。

托卡马克芯部的强辐射不利于等离子体的自握。等离子体与第一壁材料互相作用会变成强辐射会彰着裁减托卡马克芯部的温度，而等离子体温度裁减会导致电阻、电流的扰动，这些扰动严重影响等离子体的敛迹。另一方面，Vries 等东谈主在其著作《The influence of an ITER-like wall on disruptions at JET》（2014年）中指出，芯部强辐射将导致等离子体破碎，且追随有是非的磁流体不线路性。

现在的聚角色置曾经不错结束表面上的能量进出均衡，即Q=1；正在诞生中的ITER安设的设想Q值为10，不错达到了自握发电的条件。可是，接洽到工程上的多样成本，一个在经济上具有竞争力的聚变电厂需要更高的Q值。Q值是等离子体温度T、密度n和敛迹时刻τ的函数，而念念要得到更大的Q值，则需要使等离子体密度n与敛迹时刻τ的乘积越大。

图表20：Q值与等离子体温度T、密度n和敛迹时刻τ的干系

良友起原：《Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion》，Samuel E. Wurzel，2022，中金公司研究部

由超导材料制备的无阻磁体称为超导磁体，其结构紧凑、耗电量低，易于结束更高的磁场强度。临界温度Tc，临界电流密度Jc，和临界磁场Hc，是超导体的3个临界参数，要使超导体处于超导状态，必须将其置于这3个临界值以下。在超导界限，凭证超导材料临界温度的不同，将材料分为高温超导和低温超导。最高临界温度零散“麦克米兰极限”（39K）的超导材料为高温超导材料，反之则为低温超导材料。

图表21：常见超导材料类型及临界温度

良友起原：《基于REBCO高温超导带材的高场线圈设想与研制》，张新涛，2021，中金公司研究部

REBCO材料不仅临界温度显耀高于其他类型的超导体，且在高场和液氮温度下具有较高的临界电流密度以及优异的机械强度，因此在异日的高场磁体界限具有很大­­的应用后劲。但现在基于YBCO材料制备高场强的超导磁体仍存在一些时刻难题：

► 带材的各向异性给磁体设想带来很大影响。YBCO带材具有各向异性以及扁平的结构，使得磁体中各处的临界电流漫衍不均匀，而不均匀的电流密度会导致过大的应变，对超导磁体的安全出手变成胁迫。

► 多样应力应变严重影响材料性能。超导带材在磁场中会受到多样应力，如带材绕制时的曲折应力、环向电磁应力、材料热消弱导致的热应力等。这些应力会导致材料的性能受损，甚而发生断裂的情况。

► 线圈的盘考设想难度较大。对于磁体线圈，包括内盘考、外盘考以及电流引线盘考。现在的盘考为锡焊的有阻盘考，盘考的设想需要尽可能减少盘考电阻、擢升其机械强度并幸免焊合经过中超导带材发素性能阑珊。因此焊合经过需要严格限制加热时刻、加热温度、施加的压力、名义洁净度等。

核聚变电厂的组成

异日核聚变电厂主要由两大部分组成：托卡马克安设和汽轮机厂房。托卡马克中的等离子体通过聚变反馈产生热量，将热量传输至热交换器把水加热为蒸汽，鼓舞汽轮活泼掸，进而产生电能。

图表22：核聚变电厂暗示图

良友起原：FACTY官网，中金公司研究部

托卡马克安设的组成

托卡马克安设的主体部分由一个环形真空室和一系列磁场线圈组成，不同标的的磁线圈在真空室中产生强劲的磁场，敛迹等离子体在真空室中作念螺旋式回旋畅通。偏滤器主要用于限制等离子体与真空室壁面的互相作用，减少壁面的热负荷和粒子轰击。低温安设主要用于冷却磁线圈并为安设里面提供所需的低温环境。探伤安设主要提供对于等离子参数、中子参数、磁场测量等信息。

图表23：托卡马克安设暗示图

良友起原：《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部

高温超导带材的组成

第二代高温超导带材具有较高的临界温度和电流密度，具有很好的性能和应用后劲。第二代高温超导带材的中枢由超导层、缓冲层和基底层组成。其中，超导层是由高温超导材料制成，如钇钡铜氧化物（YBCO）。

图表24：第二代高温超导带材结构

良友起原：上海超导官网，中金公司研究部

上游主要为原材料，中游为组成聚变电厂的各种开荒，下流为聚变电厂的主要应用。

图表25：核聚变电厂产业链图谱

良友起原：《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部

图表26：核聚变电厂主要产业链及酌量公司

良友起原：各公司官网，中金公司研究部

本文作家：中金曾韬团队，本文起原：中金点睛，原文标题：《可控核聚变：初探生意化弘扬》

分析师

曾韬 分析员 SAC 执证编号：S0080518040001 SFC CE Ref：BRQ196

刘烁 分析员 SAC 执证编号：S0080521040001

于寒 分析员 SAC 执证编号：S0080523070011 SFC CE Ref：BSZ993210.16..117.101皇冠