1 行业报告行业专题研究 请务必阅读报告末页的重要声明 电 力 设备 可 控核 聚变 开启 终极 能源 大门 行业变化：23 年 12 月 29 日，以“核 力启航 聚 变未 来”为主 题 可控核 聚变 未来 产业推进会 在蓉 召开。由 25 家 央企、科 研院 所、高 校等 组成的 可控 核聚 变创 新联合体 正式 宣布 成立。会 上，第 一批 未来 能源 关键 技术攻 关任 务正 式发 布。核聚变难点在哪？核聚变发生反应 条件非常严苛，如何维持等离子体稳定和提高聚变反应 效率是其 主要 技术 挑战；核 聚变反 应时 易发 生“湍流”，缩短 反应 堆运 行寿 命；不同于氘，氚在地球上含量少，自持问题还需进一步突破；对核聚变反 应器材料 和用 于 产 生氚 的包 层材料 物理 化学 性能 要求 高。ITER 项目核电站潜力大 国际热 核聚 变实 验反 应堆（ITER）计 划预计 2025 年 完成建 设并 进行 第一 次等离子 放电 试验。ITER 项 目的核 电站 将产 生 约500MW 热能，如 果持 续运 行并接入 电网，将 转化 为 约200MW 电能，够20 万户 家 庭使用。中国环流三号取得突 破性 进展 23 年8 月，中 国环 流三 号 首次实 现 100 万 安培 等离 子体电 流下 高约 束模 式运行，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、先进偏滤器位形控 制等关键 技术 难题，是 我国 核聚变 能开 发进 程中 的重 要里程 碑。23 年 12 月，人造太 阳“中国 环流 三号”面向 全球 开放。托卡马克是核聚变技 术路 线 首选 由于仿星器需要三维结构 线圈，结构更复杂，制造难度更大，成本更高，托卡马克成为聚变堆技术路线 首选。超导体具有零电阻效应，且可承载 电流密度 更高，20 世 纪后 期 开始被 用于 托卡 马克 装置。2006 年，等离 子体 物理研究 所自 主研 制并 建成 世界上 第一 个全 超导 托卡 马克实 验装 置 EAST。超导磁体+偏滤器是托卡 马 克关键组成部分 超导磁体几乎占托卡马克成本的一半。目前，高温超导线材良率已提升 至90%，开始 工业 化应 用。高 温 超导技 术发 展可 缩短 可控 核聚变 装置 建设 周期，使聚变发电初步具 备商业化潜力。偏滤器是中心等离子体与聚变材料相互作用的 主要 区域，性 能优 劣 直接影 响核 聚变 装置 的运 行安全 性与 使用 寿命。投资建议 我 们 推 荐 核 电 龙头中国核电（601985.SH），龙 头 运 营 商 中国广核（003816.SZ），核级阀 门 主要供应商 江苏神 通（002438.SZ），核 电设备龙头 东方电气（600875.SH）。建 议 关 注 主 氦 风 机 主 要 供 应 商 佳电股份（000922.SZ），核级阀 门 领军企业 中核 科技（000777.SZ），超导材料供 应商 西部超导（688122.SH）、联创光电（600363.SH）以及偏 滤器 供应 商 国光电气（688776.SH）。风险提示：项 目建 设不 及 预期，核电 安全 事故 风险 重 点推荐标 的 简称 EPS PE CAGR-3 评级 2023E 2024E 2025E 2023E 2024E 2025E 中国核电 0.56 0.62 0.68 13.1 11.7 10.7 12.7%买入 中国广核 0.23 0.28 0.32 13.0 10.8 9.4 17.8%买入 江苏神通 0.79 0.99 1.14 14.2 11.4 9.9 36.5%买入 东方电气 1.23 1.60 1.91 12.0 9.2 7.7 27.8%买入 数据来 源：公司 公告，iFinD，东方电 气为 Wind 一 致预 期，国联 证券 研究 所预测，股 价 取 2024 年 01 月05 日收盘 价 证券研 究报 告 2024 年01 月 06 日 投 资建议：强于大市（维持）上 次建议：强于大市 相对 大盘走势 作者 分析师：贺朝晖 执业证书编号：S0590521100002 邮箱：相关报告 1、电 力设 备：氢 能重 点基 地补 贴政 策出台，绿 氢加速平 价2024.01.03 2、电 力设 备：特 高压 迎来 投资 高峰，产业链 有哪些机会？2024.01.01-40%-20%0%20%2023/1 2023/5 2023/9 2024/1电力设备 沪深300请务必阅读报告末页的重要声明 2 行业报告 行业专题 研究 正文目 录 1.什么是核聚变？.3 1.1 核聚变 被视 为未 来终 极能 源.3 1.2 磁约束 核聚 变是 国际 主流.4 2.核聚变的难点在哪？.5 2.1 提高聚 变效 率是 主要 挑战.5 2.2 相关材 料物 理化 学性 能要 求高.6 3.核聚变进展情况如何？.7 3.1 世界各 国积 极开 展核 聚变 试验.8 3.2 ITER 项目 核电 站潜 力大.11 3.3 中国环 流三 号取 得突 破性 进展.13 4.核聚变未来展望.14 4.1 核聚变 进入 举国 体制 时代.14 4.2 托卡马 克是 核聚 变技 术路 线首选.16 4.3 超导磁 体+偏滤 器是 托卡 马 克关键 组成 部分.17 5.投资建议：关注托卡 马克 相关产业链机会.18 6.风险提示.20 图表目 录 图表 1：核聚变工作原理.3 图表 2：核聚变反应三要 素.5 图表 3：核聚变三种技术 路线.5 图表 4：托卡马克装置磁 约束.5 图表 5：托卡马克聚变反 应堆的三个外部加热 源.6 图表 6：高温等离子体“湍流”现象.6 图表 7：核聚变氚增殖过 程示意图.7 图表 8：全球核聚变装置 数量.8 图表 9：NIF 一年内实现四次成功点火.8 图表 10：JET 托卡马克设 施内部.9 图表 11：德国W7-X 仿星器装置照片.10 图表 12：JT-60SA 设备结构图.10 图表 13：JT-60SA 的里程意义.10 图表 14：EAST 装置.11 图表 15：ITER 的建设目标与主要技术探索任 务.12 图表 16：ITER 主要参数.12 图表 17：ITER 成本拆分.13 图表 18：核聚变发电厂 D EMO 的成本拆分.13 图表 19：环流器三号装 置.13 图表 20：中国实验快堆.14 图表 21：HL-2M 核聚变装置.14 图表 22：热堆、快堆和 聚变堆区别.15 图表 23：托卡马克结构 示意图.16 图表 24：托卡马克装置.16 图表 2 5：EAST 超导磁体系统.16 图表 26：仿星器示意图.17 图表 27：核聚变产业链.18 图表 28：托卡马克中的 偏滤器整体图.18 图表 29：托卡马克中的 偏滤器部分图.18 XVCXyRnQmPoPqOnOnQqPrQ8O8Q7NsQrRpNnRlOpPoPeRoOxP7NqQzRxNpMmRvPnOsN请务必阅读报告末页的重要声明 3 行业报告 行业专题 研究 1.什么是 核聚变？1.1 核 聚变 被视为 未来 终极能 源 核能发电的基础是核反应。核 能发 电 的基 本原 理是 利 用 核反 应将 核能 转化 为热能，再通 过热 机将 热能 转 化为机 械能，最后 利用 发 电机将 机械 能转 化为 电能。核 反应是指核 燃料 在反 应堆 中 发 生核裂 变或 核聚 变，释放 出大量 能量 的过 程。核 聚 变 是两 个 轻原 子核 结合 形 成 一个 较 重原 子核，同 时 释 放大 量 能量 的过 程。核聚变 反应 发生 在等 离子 体 的物 质状 态中，核聚 变 有 氘 氚聚 变、氘 氦 聚 变、氢硼 聚变 及氘 氘 聚变。现 有理论 和实 验研 究均 表明，氘 氚聚 变是 最容 易获 得 聚变能 的方式，也是 实现 可控 核聚 变的最 为可 行的 发展 路线。氘 氚聚 变 反 应（D-T 反应）是指在极 高的 温度 与压 强下，氘 和氚 发生 原子 核相 互 聚合反 应，生 成较 重的 原 子核氦，并释放 出一 个中 子导 致质 量亏损。图表1：核 聚 变 工作 原 理 资料来 源：IAEA，国 联证 券研 究所 现有能源均存在局限 性。在现有 的能 源形 式当 中，化石能 源储 量是 有限 的，且燃烧会大 量排 放温 室气 体；可再生 能源 如太 阳能、风 能、水能 等能 源密 度较 低，受 地理因素限 制较 大，只 能作 为 辅助能 源；基 于核 裂变 的 核能虽 然能 满足 人类 能源 需求，但产生的 核废 料处 理和 放射 性污染 问题 难以 处理 且 主 要核燃 料铀 的储 量 也 是有 限的。可控核聚变 被 视 为 未来 终极 能 源。从一 种原 子核 变为 另外 一种 原子 核往 往伴随着 大量 能量 的释 放。可 控 核聚变 由于 原料 资源 丰富、释 放能 量 大、安 全清 洁、环保等优势，能 基本 满足 人类 对 于未来 理想 终极 能源 的各 种要求。核聚 变的 能量 来 源 目前 主要 有三 种：宇宙 能源，即 太阳发 光发 热；氢弹 爆炸（不受 控核 聚变）；人 造太 阳（受控核聚 变能 源装 置）。请务必阅读报告末页的重要声明 4 行业报告 行业专题 研究 原料充 足：常见 核聚 变由 氢的同 位素“氘”和“氚”聚合成 氦原 子核 而释 放出能量。主要 燃料 氘跟 氧 结合成 重水 存在 于 海 水之 中，地球 上氘 含量 丰富，其 中 每公斤海水 含 氘 0.03 克，地 球 海水共 含 氘 45 万亿 吨。同 时海水 中富 含大 量锂，氚 可通过海水中 含有 的锂 与中 子反 应产生。高效产 出：核 聚变 产生 的 能量非 常大，每单 位质 量 的核聚 变燃 料释 放的 能量是核裂 变的 四倍。消耗 一 千克氘 产生 的能 量与 四千 克铀、七 千吨 汽油 或一 万 吨煤所获得的能 量相 当，且 核聚 变 的效率 逐步 提高，聚变 反 应可以 成为 未来 聚变 动力 堆的基 础。安全可 控：核 聚变 反应 发 生条件 严苛，需要 满足 高 温、高密 度和 长时 间保 持聚变反 应环 境。一 旦发 生 事故，造 成反 应的 等离 子 体约束 破裂，聚变 反应 便 会终止，不会发 生 基 于链 式反 应的 裂变型 事故 或核 熔毁。能源清 洁：聚 变反 应的 产 物氦气 没有 放射 性，相 较 于化石 燃料 燃烧 产生 的大量 二 氧化 碳 及其 他 有害 气体 及 核裂 变 反应 产 生的 核废 料 处理 和 放射 性 污染 问题，核聚变反 应无 环境 污染 问题。1.2 磁 约束 核聚变 是国 际主流 核聚变反应有两个重 要技 术指标，一是聚变三 乘积，二是能量增益因子 Q。足够高的温 度（T）、一 定的 密 度（n）和一 定的 能量 约束 时间（），三 者的 乘积 称为 聚变三乘积，能量 增益 因子 是 指聚变 反应 中输 出能 量和 输入能 量之 比。实 现核 聚 变反应，根据劳 逊判据，需 满足 聚 变三乘 积大 于 5 1021m 3 s ke V，才 能产 生 有效的 聚变 功率输出。当 满足 聚变 三条 件时，同时 才能 使能 量增 益因 子Q 大于 1。Q5 时实现聚变点火。考虑 到工程 上各 种能 量损 失，当 Q5 时，自 热的 增加 令反 应 堆不再需要外 部加 热输 入能 量以 维持反 应。在 此之 后，聚变 反应开 始自 我维 持，这 种 情形被称为聚 变点 火。请务必阅读报告末页的重要声明 5 行业报告 行业专题 研究 图表2：核 聚 变 反应 三 要素 资料来 源：超导 磁体 技术 与磁 约束 核聚变 王 腾，国联 证券 研究 所 可 控 核 聚 变有 三 种 技术 路线，磁 约 束 核 聚 变 是国 际主 流。引力约 束是 靠强大的万有引 力来 提供 对聚 变燃 料的约 束力，目前 无法 在 地球上 实现；惯性 约束 是 以多束 极高精度 激 光 从四 面 八方 向 一 个 非常 微 小的 聚 变燃 料丸 倾 注 能 量，产 生 瞬间 的高 温 和高压，使 聚变 燃料 的密 度 在短时 间达 到极 限值，从 而引发 核聚 变反 应；磁 约 束是指 用磁 场 来约 束 等离 子 体中 带电 粒 子的 运 动，通过 将 聚变 燃 料 完 全 电离 形 成的 等离 子 体置 身 于强 磁 场的 空 间，带电 的 原子 核 与电 子 在垂 直于 磁 场方 向 只能 沿 着磁 场方 向 做回旋运 动。其中 托卡马克 磁约束聚变是国际主 流技 术路线，可行性得到 了验 证。图表3：核 聚 变 三种 技 术路 线 图表4：托 卡 马 克装 置 磁约 束 资料来 源：超导 磁体 技术 与磁 约束 核聚变 王 腾，国联 证券 研究 所 资料来 源：IAEA，等 离子 体，国联 证 券研究 所 2.核聚变 的难点在哪？2.1 提 高聚 变效率 是主 要挑战 如 何 维 持 等离 子 体稳 定 和提 高 聚 变 反应 效 率是 主 要技 术 挑 战。实现核聚变 反应需要将 氘氚 原子 核压 缩到 很小尺 度的 核力 范围（10-15米）内，但由 于原 子核 带 正电，请务必阅读报告末页的重要声明 6 行业报告 行业专题 研究 必 须 获得 足 够的 能 量或 在特 殊 环境 下 才能 克 服彼 此间 的 库仑 势 垒。在 等离 子体 聚 变技术中，磁 场将 等离 子体 束缚在 一定 范围 内，当等 离子体 被加 热到 足够 高的 温度（1亿 度以 上）和密 度时，才 能发生 聚变 反应。图表5：托 卡 马 克聚 变 反 应 堆 的三 个外 部 加 热源 资料来 源：I A E A，国联 证券 研究 所 对等离子体进行磁约 束需 控制“湍流”现象发生。达 到聚变 条件 后，还 需对 高 温聚变物 进行 约束，以获 得 持续的 核聚 变能。当氘 核 与氚核 间发 生聚 变反 应时，在 此高温条件 下，任 何固 态 容 器 都会在 极短 时间 内气 化。大多数 聚变 反应 堆都 是基 于使用 磁场的等 离子 体约 束，但在 受磁场 约束 的高 温等 离子 体中会 产生“湍 流”，热量 和粒子被传输 至边 缘，最终 损坏 反应堆 并缩 短其 运行 寿命。图表6：高 温 等 离子 体“湍流”现象 资料来 源：中国 科学 院官网，国联 证 券研究 所 2.2 相 关材 料物理 化学 性能要 求高 核聚变反应器材料技 术要 求高。由 于核 聚变 反应 严 苛，聚变 反应 器材 料应 满足 以请务必阅读报告末页的重要声明 7 行业报告 行业专题 研究 下几点 要求：(1)聚变 反应 器材料 需耐 受高 温高 压；（2）由于 聚变 反应 中释 放的 大量中子会 对反 应器 造成 损害，材 料需 有优 越的 耐损 性 能；（3）反应 器材 料应 具备 不易吸收氚的 特性，以减 少燃 料 损失，并 减少 产生 放射 性 废物。目 前暂 无法 完全 模 拟聚变 动力反应 堆的 条件 进行 核聚 变反应 器材 料测 试。氚的自持问题仍需突 破。氚的半 衰期 只 有 12.43 年，在地 球上 氚含 量很 少。全球氚储量 到 2027 年可 能达 峰，也 仅为27kg，而 1GW 聚 变 电厂每年 就需 消耗约56kg 氚，难以维 系聚 变堆 的运 行需 求。因此 聚变 堆在 投入 首 炉氚后，氚 需 实现 自持。目 前 聚变堆选用 含 Li 材料 氚 增殖 剂，通过 D-T 反 应后 的中 子 与 Li 发生 核反 应得 到氚。但增殖剂材 料现 仍存 在 应 力集 中、易 破碎、装 载率 较低 等问题。图表7：核聚变氚增 殖 过程 示 意图 资料来 源：聚变 堆内 氚增 殖过 程示 意图 王昊，国 联证 券研 究所 包层材料制作要求高。在 托卡马 克装 置中，包层 不 仅用于 产生 氚，而且还 将 由高能中子 携带 的核 聚变 反应 能量转 换成 热量，并进 一 步提取 用于 发电。由于 包 层所在 的环境较 为恶 劣，对相 关材 料的力 学、抗腐 蚀等 性能 要求较 高。3.核聚变 进展情况如何？当前世 界共 有 50 多 个国 家 正在进 行 140 余 项核 聚变 装置的 研发 和建 设，并取 得一系列 技术 突破，IAEA 预计 到 2050 年 世界 第一 座 核聚变 发电 厂有 望建 成并 投入运行。其中 主要 的技 术路 线 是使用 磁约 束的 托卡 马克 和仿星 器，有 少数 国家 进 行激光 惯性约束 的研 究。请务必阅读报告末页的重要声明 8 行业报告 行业专题 研究 图表8：全球核 聚变 装 置数 量 资料来 源：I A E A，国联 证券 研究 所 3.1 世 界各 国积极 开展 核聚变 试验（1）美国：已实现Q 比大于 1 NIF：2022 年 12 月 13 日，美国 国家 点火 设施（NIF）首次 实现 聚变 点火，创 造了聚变 能试 验纪 录，有 力 推动了 激光 驱动 聚变 能量 的发展 前景。2023 年，NIF 又接连进行了 三次 点火 实验，分 别在 7 月 30 日、8 月 8 日和 10 月 30 日，都成 功地 实现了核聚变 能量 超过 激光 能量，其 中最 高 一 次达 到了3.88MJ，比输 入能 量增 加 了 89%，相当于燃 烧 300 公 斤的 汽油。图表9：NIF 一年内实现 四 次成 功 点火 资料来 源：环球 零碳，国 联证 券研 究 所 请务必阅读报告末页的重要声明 9 行业报告 行业专题 研究 SPARC：麻省 理工 学院 等离 子体科 学与 融合 中心（PSFC）主持 研究 开发 了新 一代的托卡 马克 核聚 变 堆 SPARC，于 2021 年 开始 建造，为 期四年 完成。SPARC 使 用由 新型高温钇 钡钡 铜氧 化物（YBCO）制 成的 强力 磁体 来产 生 等离子 体，产 生的 能量 是 在高温下维 持 等离 子体 所需 能量 的两倍，从而 使融 合增 益Q2，并能 在 10 秒 内实 现高 达140 MW 的 聚变 功率。相 关研 究 表明，SPARC 理 论上 可实 现大 于10 的Q 比。（2）欧洲：拥有世界上最 大在 运托卡马克装置 JET：于 1978 年开 始建 造，位于 英国 牛津 郡库 勒姆 聚变能 源中 心的 欧洲 联合 环面（JET）是 现有 的唯 一 可 以使用 氘-氚燃 料混 合物 运 行的托 卡马 克设 施，该 燃 料混合物也将 用于 未来 的聚 变发 电厂。在 JT-60SA 开始 运 行之前，JET 一直 是世 界上 最大的在运托 卡马 克装 置，并在 1983 年实 现了 第一 个等 离 子体试 验。JET 数 十年 的 实验优化了氘-氚 的聚 变反 应，并 帮助开 发了 管理 燃料 滞留、热排 放和 材料 演变 的技 术。JET 的核心是一个真空容 器，目前该容器容纳了 90m3的聚变等离子体。多 年来，该设施 创下 了多 项纪 录，包括 1997 年创 纪录 的 0.64 的 Q-等 离子 体（产生 的 聚变功率与加 热等 离子 体的 外部 功率之 比），以 及 2021 年 12 月 创纪 录 的 5 秒 脉冲 内 59MJ的聚变 能量 输出。高 性能 氘-氚 实验 始于1997 年，自2011 年 以来，真空 容器 的第一个壁由 铍和 钨制 成，取 自 ITER 的建 设经 验。JET 目 前正在 完成 其最 后一 系列 实验，并将 于 2023 年 年底 停止 运 营，先 于计 划 的2024 年 开 始退役。图表10：JET 托卡马克 设施内部 资料来 源：E U R Ofu s i o n，国联证 券 研究所 W7-X：W7-X 于 2014 年 4 月建成，位 于德 国格 赖夫 斯瓦尔 德的 马克 斯 普 朗克 研究所，是 世界 上最 大的 仿 星器设备。W7-X 的水冷 系 统可支 持该 装置 在 10MW 的 加热下放电长 达 30 分钟。2023 年，W7-X 实现 了 等 离子 体 放电长 达 8 分 钟，产 生 1.3GJ 的能量周 转，表明 它能 够连 续耦合 等离 子体 中的 大量 能量。请务必阅读报告末页的重要声明 10 行业报告 行业专题 研究 图表11：德国 W7-X 仿星 器 装置 照 片 资料来 源：马克 斯-普朗 克等 离子 物理 研究所，国 联证 券研 究所 MAST-U：MAST-U 装 置是 在 兆安培 球形 托卡 马克 装置（MAST 装置）基 础上 升级 而来，于 2020 年 在英 国建 成。MAST-U 是一 种低 深弦 比 托卡马 克，能够 与各 种不 同的 偏滤器 一 起使 用，并 且是 第 一个使 用Super-X 偏 滤器 工作的 系统。该系 统目 的 是在足 够低的温 度下 将等 离子 体从 设施中 导出，降低 热功 率 负载以 达到 材料 可承 受的 温度，进而 延 长组 件 的使 用 时间。利 用 该系 统 可使 到 达聚 变堆 设 施内 表 面的 热 量降 至原 来 的1/10，有效 改变 未来 核聚 变发电 站的 长期 运行 能力。（3）日本：已实现将等离 子体 加热 至2 亿度 JT-60SA：JT-60SA 是 一个 由日本 和欧 盟共 同合 作建 造运行 的 超 导托 卡马 克装 置，位于茨 城县 日本 原子 能研 究开发 机构（JAEA）内，目 前 是世 界上 最大 的热 核聚 变实验装置是 世界 上最 大的 热核 聚变实 验装 置。JT-60SA 于 2023 年11 月 2 日 成功 点火，达到满功 率后 可 将 等离 子体 加热到2 亿 摄氏 度并 维持 约100 秒。JT-60SA 的 工作 为ITER的建造 以及 日本 示范 发电 厂 DEMO 的实 现奠 定了 基 础。图表12：JT-60SA 设 备 结 构图 图表13：JT-60SA 的 里 程 意义 资料来 源：高端 装备 产业 研究 中心 公 众号，国联 证券 研究 所 资料来 源：Fusion for Energy，国 联证券 研究 所 请务必阅读报告末页的重要声明 11 行业报告 行业专题 研究（4）俄罗斯：已实现首次 稳定 的等离子体操作 T-15MD：T-15MD 托卡 马 克 位于 俄罗 斯联 邦库 尔恰 托夫研 究所，于 2021 年完 成机器升 级。2023 年4 月，实现了 首次 稳定 的等 离子 体操作。T-15MD 托卡 马克 使用水冷系统，能 够在 2T 的等 离子体 轴上 产生 环形 磁场;它还具 有强 大的 准固 定式 附加加热系统，等离 子体 的总 功 率输入 高 达 20MW，等离 子 体中的 电流 可达到 2.0MA，持续时间为 10 秒。（5）中国：已实现等离子 体电 流首次突破 100 万安培 HL-2M：环 流三 号（HL-2M）托卡 马克 装置 是 HL-2A 的改造 升级 装置。2022 年11月，等 离子 体电 流首 次突 破100 万安 培。2023 年8 月 25 日，首次 实现100 万 安培等离子体 电流 下的 高约 束模 式运行。EAST：EAST 是我国自行 设计研 制的世界上 第一个“全超导 非圆截面托 卡马克”核聚变实 验装 置。2021 年12 月，EAST 实现 了最 长的 稳 态高温 等离 子体 运行（1056 秒），即具有 类 似 ITER 的 配置 和 加热方 案的 长脉 冲高 性能 运行。图表14：EAST 装置 资料来 源：中国 科学 院等 离子 体物 理 研究所，国 联证 券研 究所 3.2 ITER 项目 核电 站潜力大 1985 年，在美、苏 首脑 的 倡仪和 国际 原子 能机 构（IAEA）的赞 同下，一 项重大国 际 科 技 合 作 计 划-“国 际 热 核 聚 变 实 验 反 应 堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）”得以 确立，其 目标 是要建 造一 个可 持续 燃烧 的托卡马克聚 变实 验堆 以验 证聚 变反应 堆的 工程 可行 性。请务必阅读报告末页的重要声明 12 行业报告 行业专题 研究 图表15：ITER 的 建 设 目标 与 主要 技术 探 索 任务 建设目标 主 要 技 术探 索 任务 产生 聚变增 益因子 Q 为 10 的 等离子体；产生 Q 值超 过 5 的 稳态等 离子体；维持 480 秒 的稳态 聚变脉 冲；聚 变等离 子体可 自持；验证氚 增殖概念；完善 中子屏 蔽/热转换技 术 探 索新的 加热方 式与能 量损失 机制；用环向 超导磁 体产生 5.3 特 斯拉的 强磁 场，实 现长脉 冲的维 持，改 善等离 子体的 约束性 能；研 究等离 子体边 界行 为及控 制策略，防御 大尺度 等离子 体破裂，探索 等离子 体密度 极限；研制 防高能 中子辐 照材料，研制 在恶劣 工况下 长寿命 的第一 壁材料；解决 反应 室加料 排废、主动冷 却、连 续供电 功能，探索聚 变堆的 最佳化 设计 资料来 源：澎湃 新闻，国 联证 券研 究 所 ITER 计划 是目 前世 界上 仅 次于国 际空 间站 的又 一个 国际大 科学 工程 计划，场 址位于法 国的 卡达 拉舍。1998 年,美国 退出ITER 后,欧、日、俄 三方 重新 对原 设计进行改进 和优 化,并于 2002 年完 成。目前 合作 承担 ITER 计 划的 七个 成员 是欧 盟、中国、韩 国、俄 罗斯、日 本、印度和 美国，这 七方 包括 了全世 界主 要的 核国 家和 主要的亚洲国 家，覆盖 的人 口接 近全球 一半。ITER 项目 的 核电站 将产 生大 约 500MW 热能，如果持 续运 行并 接入 电网，将转 化为 约 200MW 的电 能，够 20 万户 家庭 使用。图表16：ITER 主要参数 1998 年主要参数 2002 年主要参数 聚变功 率Pt/MW 1500 500（700）燃烧时 间/s 1000 400（Q10）中子壁 负载/(MW/m2)1 0.57（0.8）大半 径R0/m 8.1 6.2 小半 径a/m 2.8 2 拉长比 1.6 1.70/1.85 三角形 变 0.24 0.33/0.49 等离子 体电 流Ip/MA 21 15(17)轴上磁 场BT/T 5.7 5.3 偏滤器 位形 单零 单零 辅助功 率/MW 100（加热）73（加 热+驱动）资料来 源：核聚 变能 源的 开发 现状 及新进 展 张国 书，国联 证券 研究 所 2020 年 7 月，ITER 托卡 马克装 置安 装工 程启 动，预计 2025 年完 成建 设并 进 行第一次 等离 子放 电 试 验。装置重达 23000 吨，高近 30 米，项 目占 地约180 公 顷，托卡马克 装置 的等 离子 体体 积为 830m3。磁 体系 统 由 18 个环 形磁 场磁 铁、6 个 极 化磁场线圈、1 个 13 米 高的 中央 螺线管、18 个超 导校 正线 圈、31 个超 导磁 体馈 线和 29 个非超导 容器 内线 圈组 成，其中部 分超 导线 材由 西部 超导完 成供 应。偏 滤器 将 由 54 个不锈钢 部件 组成，每 个部 件重 10 吨，由 国光 电气 参 与供应。ITER 项目 预估 成本 为220 亿美元，其 中 磁体 系统、容 器内部 件、建筑占 比最 高，分别达 到 28%、17%、14%。在实际 建造 中，工 厂总 体 成本（包 括建 筑成 本和 主 机装置请务必阅读报告末页的重要声明 13 行业报告 行业专题 研究 外的 支 持部 件和 附属 系统）被大 大低 估，ITER 的 预 算也 在 逐年 上升。根 据核 聚变发电厂 DEMO 的 成本 估算，工 厂总体 成本 将上 升 至 40%，制冷 系统、容器 内 部件、磁体系统 将 分别 占 比16%、15%、12%。图表17：ITER 成本拆分 图表18：核 聚 变 发电 厂 D E M O 的成本拆分 资料来 源：Superconductors for fusion:a roadmap Neil Mitchell，国联证 券研 究所 资料来 源：Superconductors for fusion:a roadmap Neil Mitchell，国联证 券研 究所 3.3 中 国环 流三号 取得 突破性 进展 中国环 流三 号（HL-2M）是 由中核 集团 西南 物理 研究 院自主 设计 建造 的托 卡马 克装置，于 2020 年 12 月 建 成，也 是我 国设 计参 数最 高、规 模最 大的 核聚 变大 科学装置，被 称为 中国 的新 一代“人造 太阳”。在高 约束 运 行模式 下，HL-2M 等 离子 体电流强度可 达 250 万 安培 以上，等离 子体 温度 可达 1.5 亿度。图表19：环流器三号 装 置 资料来 源：中核 集团，央 视新 闻，国 联证券 研究 所 磁体系统,28%容器内部件,17%建筑,14%真空室,8%电源,8%其他辅助 系统,7%仪器及管理,6%制冷系统,5%加热及电 流驱动,7%主机装置 外的支持部 件和附属系统,25%制冷系统,16%建筑,15%加热 及电 流驱动,8%磁体系统,12%真空室,2%容器内部件,15%电源,2%其他辅助 系统,3%仪器及管理,2%请务必阅读报告末页的重要声明 14 行业报告 行业专题 研究 2023 年 8 月，中国 环流 三 号首次 实现 100 万 安培 等 离子体 电流 下的 高约 束模 式运行，再 次刷 新我 国磁 约 束聚变 装置 运行 纪录，突 破了等 离子 体大 电流 高约 束模式 运行控制、高功 率 加 热系 统 注入耦 合、先 进偏 滤器 位 形控制 等关 键技 术难 题，是我国 核聚 变 能开 发 进程 中 的重 要里 程 碑，标 志着 我 国磁 约束 核 聚变 研 究向 高 性能 聚变 等 离子体运 行迈 出重 要一 步。2023 年12 月 14 日，核 工 业西南 物理 研究 院与 国际 热核聚变实验 堆 ITER 总部 签署 协 议，宣 布新 一代 人造 太阳“中国环 流三 号”面 向全 球开 放。4.核聚变 未来展望 4.1 核 聚变 进入举 国体 制时代 1983 年，国 家“核能 发展 技术政 策论 证会”首 次提 出我国 核能“热 堆-快堆-聚变堆”的三 步走 发展 战略。热堆：我 国热 堆技 术成 熟，经 济性 和安 全性 好，装 机规模、建造 能力、运 行业 绩 都 已 达到 世 界 领先 水平，是 当 前乃 至 未 来一 段时 间 实 现 核电 大 规 模发展的主 要选 择。快堆：研 发和 部署 快堆 核 能系统 不仅 可以 大幅 提高 铀资源 利用 率，将 人类 利用核能 的时 间从 上百 年延 长至数 千年，还 可以 实现 放 射性 废物 最小 化，解决核废料 处理 等问 题，是推 进核能 可持 续发 展的 不二 选择。聚变堆：核聚 变能 源技 术 创新正 在酝 酿突 破，是 抢 占世界 能源 科技 创新 的战略选择。我 国作 为最 早参 与设计 ITER 的 国家 之一，为 ITER 计划 实施 作出了重要 贡献，目前 我国 已 建成中 国环 流二 号、三 号，东方超 环等 核聚 变科 研装置，为我 国掌 握聚 变核 心技术 提供 坚实 的创 新基 础。图表20：中 国 实 验快 堆 图表21：HL-2M 核 聚 变 装置 资料来 源：中国 核工 业，国联 证券 研 究所 资料来 源：中国 核工 业，国联 证券 研 究所 现阶段，我国 热堆 已经 实 现了规 模化、批量 化、国 产化发 展。截 至2023 年9 月底，我国 在运 核电 机 组 55 台，总 装机 容量 为5700 万 千瓦；在建 核电 机组24请务必阅读报告末页的重要声明 15 行业报告 行业专题 研究 台，总 装机 容量 为2780 万 千瓦，在运 在建 核电 机组 位居世 界第 二。热堆 机组 已经为我 国能 源转 型作 出了 重要贡 献，面 向“双 碳”目 标，仍将 作为 在运 核电 机 组的主力 堆型，为 我国 实现 碳达峰、碳 中和 发挥 重要 作用。我国快 堆技 术研 究始 于 1960 年 代，目前 快堆 正由实 验堆（原型 堆）转向 示范堆、商 业堆，其 潜在 的 商业价 值被 核能 界寄 予厚 望。6.5 万千 瓦热 功率 的中 国实验快 堆 的 建立，标 志着 快堆技 术 实 现了 从 0 到 1 的突破。此 外，我国 600 兆瓦电功 率的 快堆 示范 工程 分别于 2017 年、2019 年 开工建 设，预计“十四 五”期间将建成 投入 运行。23 年 12 月29 日，以“核 力启航 聚 变未 来”为主 题 的可控 核聚 变未 来产 业推进会 召开。由25 家央 企、科研 院所、高 校等 组成 的可控 核聚 变创 新联 合体 正式宣布 成立。会 上 发 布了 第一批 未来 能源 关键 技术 攻关任 务，对推 进聚 变能 源产业迈出 实质 性步 伐具 有重 要的里 程碑 意义。目前，我 国 先后 建 成EAST、HL-2M 等核聚变 装置，工程 技术 正 不断提 升，聚 变理 论与 物 理实验、工程 技术 等方 面 达到了世界 领先 水平，核 聚变 能商业 化 正 加快 进程。图表22：热 堆、快堆 和 聚变 堆 区别 热堆 快堆 聚变堆 所用能源类型 核裂变能 核裂变能 核聚变能 所用中子类型 中子能量小于 0.1eV 的热中子 中子能量大于 0.1MeV 的快中子 工作原理 将裂变时释放出的中子减速后，再引起新的核裂变，形成链式裂变反应。由于中子的运动速度与分子的热运动达到平衡状态，这种中子被称为热中子 用钚-239 为燃料，并在其外包裹一层铀-238。钚-239 裂变时释放多个中子，外围的铀-238 就会捕捉这些快中子，并转变为可裂变的钚-239。这样，核燃料越烧越多，快速增殖 用氢的同位素氘或氚作为燃料，通过高温、高压使其发生聚变反应，释放能量 当前我国发展水平 实现了规模化、批量化、国产化发展，形成的研发体系、人才队伍等为第二步快堆、第三步聚变的研发与设计建设奠定了良好的基础 目前，我国快堆已经形成了完备的科研技术体系，示范工程有序推进，后处理示范工程按计划建设 实施了一系列聚变技术攻关，先后建成 EAST、HL-2M 等核聚变装置，工程技术不断 提升，研究和技术水平取得了长足进步，聚变理论与物理实验、工程技术等方面达到了世界领先水平 展望 核能多用途利用在更广泛领域支持清洁低碳转型，核能供热规模不断增大，核能海水淡化技术不断突破，规模化应用初现成效，核能制氢实现多场景应用，经济性不断提升 到 2060 年，预计我国快堆在运在建装机规模约 1.8 亿千瓦，其中在运装机规模 1.53 亿千瓦，在建装机规模 2800 万千瓦 2030 年，实现可控核聚变；2040 年，建成聚变先导工程实验堆，实现聚变能量输出；2045 年，我国聚变示范堆建成，演示氚自持；2050 年及以后，建成聚变商用堆，实现聚变能源应用，逐步提升经济性，积极推广商业化。资料来 源：中国 能源 报，中核 集团，电联新 媒、中国 核工 业，国联 证券 研 究所整 理 请务必阅读报告末页的重要声明 16 行业报告 行业专题 研究 4.2 托 卡马 克是核 聚变 技术路 线 首选 托卡马 克，一种 利用 磁约 束来实 现受 控核 聚变 的环 形容器，最 初在 20 世纪 50 年代 由 苏联 科学 家 提 出。托卡马 克通 过在 环形 真空 室中构 造 闭 合的 螺旋 磁场，完 成对高温等 离子 体的 约束，聚 变燃料 在周 而复 始运 动中 完成核 聚变 反应。在托 卡 马克环 形真空室 周围，分 布着 若干 个环向 场（纵场）线 圈、中心螺 管（欧姆 加热