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核聚变发电具有更低的燃料成本、燃料资源充足、不会对环境造成危害以及更高的安全性等优势，被誉为“人类终极能源”。国际核能大国分别给出了聚变能发展规划，在关键节点DEMO的设计、建造、运行上，美国、欧盟、俄罗斯、日本和印度等分别给出了2035年左右的时间规划。
围绕核聚变，下面我们从核能入手，了解核聚变区别于核裂变的优势特征，以及常见的技术路径及其中国际主流技术路线——托卡马克装置，了解核聚变在美欧日俄及我国的进展情况、当今全球的主要核聚变项目、商业化进程、市场空间等情况，并进行产业链梳理，展望今后核聚变商业化道路进程，方便读者深入了解这一行业。
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01
概述
1.核能
核能是一种非常高效的清洁能源，它是由物质元素的原子核发生改变而放出的能量。核能与我们所熟悉的支持生命过程的化学能不同，它是原子的核内能量而不是核外能量，而参与生命物质转化的化学能都是核外能量，这些化学反应都不会引起原子核的变化。
核变化所释放的能量主要分为两大类：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，称为核裂变能；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，称为核聚变能。
2.核聚变
核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。核裂变是从原子核分裂中获得能量，而核聚变则是通过将原子核结合而释放能量。虽然两种原子反应都是通过改变原子而产生能量，但它们的根本区别对安全却有广泛的影响。相较于核裂变，核聚变有以下优势：
（1）核聚变产生的能量巨大
核聚变产生的能量非常大——是核裂变反应的四倍，而且聚变反应可以成为未来聚变动力堆的基础。各种计划要求第一代核聚变反应堆使用氘（重氢）和氚（超重氢）的混合物。理论上，只要有几克这些反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳的能量，这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。
（2）核聚变的燃料丰富，也很容易获得
只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。氘可以从海水中廉价提取，而氚则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生。这些燃料供应可持续数百万年之久。
（3）核聚变安全可靠
未来的聚变反应堆在本质上也是安全的，不会产生高放射性、长衰变期的核废物。此外，由于核聚变过程难以启动和维持，因此不存在失控反应和熔毁的风险；核聚变只能在严格的操作条件下发生，超出这个条件（例如在事故或系统故障的情况下），等离子体将自然终止，很快失去其能量，并在对反应堆造成任何持续损害之前熄灭。
（4）核聚变清洁环保
核聚变，就像核裂变一样，不会向大气层排放二氧化碳或其他温室气体。
3.核聚变的技术路径
地球上实现可控核聚变，就需要对高温等离子体进行约束。在聚变反应中，实现高温等离子体约束的方式主要有三种：
（1）引力约束
引力约束是指通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对等离子体的约束，比如太阳自身具有强大的引力，在高温和高压的合力下，让氢核裸露出来，相互碰撞产生持续源源不断的核聚变。
（2）磁约束
磁约束是利用磁场约束带电粒子沿磁力线运动，发生核聚变反应需要把核聚变燃料氘氚加热到上亿度，形成等离子体，使得质子不被电子包裹，做高速热运动，两个质子发生碰撞的概率越高，由于等离子体温度极高，科学家通过磁场约束质子运动，从而避免等离子体接触到容器，这种装置是托克马克。
（3）惯性约束
惯性约束采用多台超大功率激光器，对准封装核燃料的氢气小球，同时发射激光，加热和压缩氢燃料，激光在进入环空器后，会击中内壁并使其发出X射线，然后这些X射线可以将其加热到1亿摄氏度，高能激光会使小球表面等离子体化，其余中心材料受到牛顿第三定律驱使，最终会向中央坍缩发生内爆。在内爆时，只要对燃料球给予正确的高温高压就能发生链式反应，随之便会放出大量能量。
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。
4.托卡马克装置
托卡马克装置已成为可控核聚变的主要途径。托卡马克装置的中央是一个环形真空室，里面注满气体，外面缠绕着线圈。线圈通电后，会在托卡马克内部产生巨大的螺旋型磁场，里面的气体将被电离成等离子体并形成等离子体电流。当等离子体被加热到极高温度后，便可实现核聚变。利用不同核聚变实现方式而建设的托卡马克装置，其等离子体运行模式有多种，不同托卡马克装置尺寸、性能不同，能量约束模式也有所区别。其中，磁约束类型托卡马克是目前全球研发投入最大、最接近核聚变点火条件、技术发展最成熟的途径。
超导材料是未来托卡马克装置的重要组成部分，超导托卡马克诞生。所有托卡马克的终极目标是将氘氚聚变原料加热到点火点或更高的温度，并加以控制地持续尽可能长的反应时间，以追求连续的聚变能量输出。即使采用导电性良好的铜作为导体绕制线圈，由于电流巨大线圈不可避免地存在发热问题，从而限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行。由于超导体具有零电阻效应，且承载电流密度更高有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行，20世纪后期，科学家们开始把超导技术用于托卡马克装置。为了解决常规托卡马克的瓶颈，超导技术便被引入到了托卡马克建设中。
5.可控核聚变技术发展路线趋势
（1）我国确定了以磁约束聚变发展技术路线，关键技术领先全球
我国可控核聚变研究始于20世纪50年代中期，1972年开始研制我国第一台铁芯变压器托卡马克装置CT-6，1995年建成了我国第一台超导托卡马克装置HT-7，2002年建成了第一台具有偏滤器位形的中国环流器二号Ａ装置（HL2A），2006年世界上第一台全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次成功放电，2020年中国环流器二号Ｍ装置（HL-2M）升级改造完毕实现首次放电，根据中国磁约束聚变发展路线的计划，在本世纪中期可以完成第一座用于商业发电的原型聚变电站（PFPP）的建设。在技术方面，EAST于2021年分别实现了1.2亿摄氏度等离子体稳态运行101秒以及7000万摄氏度离子体稳态运行1056秒的成绩，均创造了托卡马克实验装置运行的世界纪录，2023年4月，EAST装置获得403秒稳态高约束等离子体，创造该参数下运行时间新的纪录。2023年8月，HL-3首次实现100万安培等离子体电流高约束模运行，再次刷新中国磁约束聚变装置运行纪录，关键技术领先全球。
（2）美国在核聚变惯性约束技术路线研究发面领先全球
10月30日，美国可控核聚变第四次点火成功，前四次可控核聚变实验均实现净能量增益，其中第四次向目标提供2.2MJ能量后，产生的核聚变能量3.4MJ。根据中国工程院院士杜祥琬12月14日接受《环球时报》记着采访表示，美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题，美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。
02
各国进展情况
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。
1.美国：已实现Q比大于1
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Q>2，并能在10秒内实现高达140MW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。
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。
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
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
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。
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。
03
全球主要核聚变项目梳理
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。
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。
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%。
中国承担了18个采购包的制造任务，涉及磁体支撑系统、气体注入系统、可耐受极高温的反应堆堆芯“第一壁”等核心关键部件。我国依靠自主创新，为ITER计划的顺利推进做出了重要贡献，例如：1）研制出世界最大电流的高温超导电流引线，创下了高温超导电流引线载流能力的世界最高记录，实现了我国在高温超导大电流引线领域应用零的突破。研制的大电流超导铠装导体一次性通过严格苛刻的国际验证，性能居ITER各方之首，并率先交付ITER采购包首件产品，促使我国大型超导导体研制和工业化生产能力跨入国际领先水平。2）我国交付的PF6线圈是ITER装置主机的最重要部分之一，位于ITER装置超导磁体的底部，是目前国际上研制成功的重量最大、难度最高的超导磁体。PF6线圈所有关键制造工艺及部件全部一次性通过ITER国际组认证，双饼制造合格率达到100%，超导接头性能显著优于ITER技术要求。PF6线圈的成功制造不仅打破了发达国家在这一领域的技术壁垒，生产设备实现了全国产化，同时还发展和完善了超导磁体制造的标准和相关规范。
EAST（即“东方超环”）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，它同时具有上亿温度的“超高温”、零下269度的“超低温”、“超大电流”、“超强磁场”、“超高真空”等极限条件，项目难度非常大，它的成功建设和运行是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。
EAST的大小半径虽然只有国际热核聚变试验堆（即ITER）的1/3和1/4，但位形与ITER相似且更加灵活，而且将比ITER早10-15年投入运行。EAST是一个近堆芯高参数和稳态先进等离子体运行科学问题的重要实验平台，它将是在ITER之前国际上最重要的稳态偏滤器托卡马克物理实验基地。
中国聚变工程试验堆（CFETR）是中国自主开发和设计的下一代聚变装置，旨在弥补ITER和未来聚变堆之间的差距，已进行了数轮总体工程设计。CFETR将分2个阶段运行：第一阶段的目标是实现50~200MW的聚变功率，聚变增益Q=1~5，氚增值率TBR>1.0，中子辐照效应~10dpa；第二阶段的目标是聚变功率>1GW，聚变增益Q>10，在中子辐照效应~50dpa的条件下进行托卡马克DEMO验证。CFETR装置大半径R=7.2m，小半径a=2.2m，可以兼容第一阶段和第二阶段的目标。
04
商业化进程
1.核聚变从“可控”到“商业化”任重道远
技术层面：相比核裂变，实现核聚变可控条件苛刻，如极高的燃烧温度、超强的燃烧压力以及连续约束时间等。在地球上创造聚变需要施加大约1亿℃高温才能将两个原子核变成等离子体，对反应容器的耐受温度提出极限挑战。在持续运行时长方面，如今核裂变电站已经能够实现全年稳定运行，而核聚变当前最高稳定运行纪录是EAST创造的1.2亿℃403秒。
材料层面：首先，超导材料能够为核聚变反应提供更强磁场，进而缩小托卡马克装置体积，但高温超导材料力学性能差、不易加工。其次，产氚包层是聚变堆实现氚自持和发电的堆芯核心部件之一，目前的优势氚增殖剂材料填充率有限及无法自由调控，从短期来看，完全适应和支撑核聚变反应的关键材料存在短板。
工程层面：美国NIF选择惯性约束路线多次实现可控核聚变Q值（核聚变释放能量与消耗能量之比）大于1，但转换效率极低。例如四次成功点火中Q值最大的为第二次点火，激光输入2.05MJ能量，产生3.88MJ能力，Q值仅为1.89，从科学层面可行到工程和商业层面可行任重道远。中国科学技术大学有关专家判断，Q值至少需达到10以上才有商用意义，中核集团则认为至少要超过30。据国防科工局有关人士研判，Q值至少达到4至6才能将聚变转化为稳定的电力输出。
2.新成立公司如雨后春笋，景气不断提升
2017年开始，私营核聚变公司蓬勃发展。根据Fusion Industry Association统计，开展核聚变企业主要以私营企业为主，在2023年募集资金占比中，私营企业占比达95.6%，公司数量方面，2017年仅有5家，到2023年接近50家，2017-2023年公司数量增速CAGR达46.8%。其中美国有25家，占比接近50%，是行业发展的主导市场。
下游主要目标市场为发电。根据Fusion Industry Association对私营核聚变企业的调查问卷数据，在主要目标市场选项，有45.8%的核聚变私营企业的主要目标市场是发电，其次为工业加热，占比为15.2%，在潜在和衍生市场方面，清洁能源和工业加热占比相同，均为20.3%。
3.私营核聚变公司普遍预期商业化时间较乐观
私营核聚变公司对于核聚变可用于并网和商业化时间主要位于2030-2040年。根据Fusion Industry Association对私营核聚变企业的调查问卷数据，在期待公司能够利用可控核聚变并网时间选项，70%的受访企业认为2030-2040年能够实现，在预计可控核聚变低成本和高效率的用于商业化时间选项，有65%的受访企业选择2031-2040年，这个时间比我国2050年完成第一座用于商业发电的原型聚变电站（PFPP）的建设的时间要更提前，私营核聚变企业对于可控核聚变发展更为乐观自信。
4.核聚变商业化在近年按下加速键
目前世界多国正在单独或联合进行聚变能的研究。根据国际原子能机构数据，截至2022年年底，全世界约有130个国有或私营实验性聚变装置，其中90个正在运行，12个在建，28个处于计划中。从装置类型角度分为76个托卡马克、13个仿星器、9个激光点火设施以及32个新概念装置。“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度七方成员国签署协定，计划全面启动。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。但70年间一直困扰核聚变研究的是以现有技术加热并控制等离子体需要巨大能量，大到入不敷出，即输入的能量总是高于产生的能量。
商业资本自2021年始加速进入可控核聚变领域。过往核聚变研究主要由国家机构以及多个国家间的合作来主导，但自2021年始，私人资本加速进入可控核聚变领域。2021年11月，OpenAI CEOSam Altman、PayPal合创始人PeterThiel等硅谷名流和风投机构向Helion投资了5亿美元。在Helion融资的一个月后，从麻省理工学院独立出来的核聚变创业公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布拿到比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google等30位富豪、公司或机构超过18亿美元的融资，超过之前所有核聚变创业公司融资之和，甚至超过美国政府当年给核聚变研究的经费拨款。商业化聚变领域近年来成立的创业公司数量迅速攀升至近40家，其中近一半公司在过去5年间成立。这些初创公司也获得大量的投资，仅在2022年一年内就从风投机构获得了约50亿美元的资金。
AI的突破将对核聚变产业的发展产生重大影响，或显著缩短其商业化开发周期。核聚变研究自身涉及复杂的物理过程和海量的数据，人工智能可以用来优化实验参数、开发更准确的等离子体行为模型。ChatGpt今年横空出世也让人们对AI未来的能力产生无限的遐想。在核聚变过程中，实现高温高压高速的等离子体可控是最核心的研发目标。这一过程所涉及的反应参数众多，环境微小的改变就需要整个系统的再平衡。若能够开发出适合的AI模型，并向其提供充足的磁约束控制样本，再结合策略网络和价值网络，在熟练掌握控制系统的训练诀窍之后，AI不用重新编程也能快速生成各种等离子体的配置方案，这会大大缩减实验流程，减少重复试验次数，帮助科学家和工程师更好地利用有限的实验资源来加速核聚变的研究。在高维参数中快速找到最优解，这正是人工智能的强项和“本职工作”，同时可控核聚变也是目前AI相关商业化公司在未来可以大展身手的领域。
6.除最终实现核能发电目标外，可控核聚变也拥有多样的商业化模式
比如在装置材料的研发过程中，为了找到真正适应聚变堆环境的材料，需要进行大量的中子辐照实验，这就要求制造大量低成本、高质量、符合聚变标准的中子。对应中子源的研究在全球范围内还处于初级阶段，而中子源作为核聚变的中间产品可以进行直接商业化输出，作为用于核医疗（如放射治疗、医用同位素生产）、中子照相以及核废料处理的高输出紧凑聚变中子源。此外，聚变装置可以作为相关材料以及空间航天领域的研发平台；高能的等离子体也可以应用于科研、医学以及农业等相关领域；在这向人类终极能源解决方案进军的过程中，也必将涌现出更多前沿且具备商业价值的技术与材料。
政府研究机构与创业公司在可控核聚变领域的工作已逐渐开始分化。国家队研究大型托卡马克装置，最终建造可控核聚变发电站；而创业公司试图开辟新的商业模式，主攻小型托卡马克，先用较低的成本造出原型机，然后不断迭代，希望借助工程手段提高性能，最终实现商业化发电。相信在官方与民间资本的共同努力，以及技术与商业模式的双重突破下，可控核聚变终将打破其“50年悖论”，真正为我们人类所用。
05
市场空间
1.全球超导产品市场规模已达68亿欧元
全球超导产品市场规模已达68亿欧元，随可控核聚变产业的持续发展，料将为高温超导材料的持续发展带来机会。对于目前可控核聚变主流的磁约束路线，形成强大的磁场是实现其反应可控的前提，而超导材料是实现该目标必不可少的一环。我国在超导强磁场应用等方面已达到国际先进水平，根据Conectus数据，2012年全球超导产品市场规模为51.9亿欧元，2020年达到64.6亿欧元，且测算2022年该数字达到68亿欧元，2012-2022年间CAGR达到2.7%。可控核聚变的商业化加速，将为相关材料带来新的投资机会。
2.随着前期核准的核电机组项目竣工投入商运，我国核能装机量和核电发电量占比有望持续提升
根据中国核能行业协会，2022年全国运行核电机组装机容量5698万千瓦，占全国电力装机总量的2.2%，发电量为4177.8亿千瓦时，约占全国总发电量的4.7%，核能发电量达到世界第二。我们预计全国运行核电机组装机容量至2025年达到8500-9000万千瓦，我国核电累计发电量占全国累计发电量的比例达到5.5-6%。
3.预计国内高温气冷堆储备项目有望于2024年启动建设
我国四代高温气冷堆核电技术已取得重大突破，我们预计国内高温气冷堆储备项目有望于2024年启动建设。根据商务部官网，目前中国已与沙特、阿联酋等国家和地区签订了高温气冷堆项目合作谅解备忘录，我们认为国产高温气冷堆出口指日可待，预计最快2024年将有项目落地。
4.我国核工业后端乏燃料处理环节投资有望迎高速增长
我国核工业后端乏燃料处理能力尚不足，受益于核电站建设放量配套乏燃料处理厂，其投资额有望实现高速增长，我们预计2024年我国关于乏燃料离堆贮存的法律法规将进一步完善，2035年我国乏燃料处理能力缺口达到2400-3000吨，需对应建设3-4个乏燃料大厂，预计未来十年内我国乏燃料处理年均投资额为450-600亿元。
5.预计核能在制氢和工业应用等新型领域的应用有望加速落地
随着反应堆技术迭代和降本增效，我们预计核能在制氢和工业应用等新型领域的应用有望加速落地。预计2035年核能综合利用规模将会达到1亿千瓦，为核能发电规模的二分之一，2050年核能综合利用规模将会超过核能发电规模。
6.预计到2025年，中国核电出口产值将达900-1200亿元
“华龙一号”的技术突破意味着我国在主流三代核电技术上真正实现了自主可控，在产品、项目和技术出海上具备了更强的竞争力，同时“一带一路”战略勾勒出我国核电出海的“路线图”，由于“一带一路”沿线多为发展中国家，其核电新建市场空间广阔，我国核工业出口有望受益。
06
产业链
核聚变产业链包括上游原材料供应到中游技术研发、设备生产制造及下游核电应用等。
1.产业链上游
上游覆盖有色金属(钨、铜等)、特种钢材、特种气体(氘、氚)等原料供应。
（1）极端工作环境催生高性能结构材料需求
严苛的反应环境对聚变装置结构材料提出了极高的要求。由于要使燃料的两个原子核间距离小于10-15m，需要极高的压力和温度使原子的核外电子挣脱原子核的束缚，并克服原子核之间的静电斥力，最终才能使两个原子核足够接近，进而发生聚变反应。实现这一过程需要达到上亿度的高温，如氢弹是通过是利用原子弹发生爆炸时所产生的高温高压。核聚变结构材料所面对的热辐射不是简单的红外线，而是以X射线为主的高能射线，这些射线会通过破坏材料的化学键来破坏其结构，造成第一壁受损。其次，第一壁所要面对的不是间歇性的太阳峰，而是持续性的粒子流，且核聚变在反应过程中所产生的“氦灰”以及粒子流本身，在处理过程中也会与第一壁发生撞击。
（2）高温超导技术发展缩短可控核聚变装置建设周期
超导磁体是磁约束可控核聚变中托卡马克装置的关键组成部分，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，基于高温超导材料的强磁场小型化托卡马克技术路线有望大幅降低聚变装置成本，建设期或将缩短到3至4年，大幅缩短技术迭代周期，也使聚变发电初步具备了商业化潜力。
我国在高温超导材料、超导强磁场应用技术等方面已达到国际先进水平。超导材料具有常规材料所不具备的零电阻、完全抗磁性和宏观量子效应，是国际公认可引发产业变革的重大颠覆性技术方向，在能源、信息、医疗、环保、交通等领域都有广泛的应用，在《中国制造》中被列为重点发展的前沿新材料之一。在超导材料和超导磁体技术的研究方面，经过近50多年的发展，我国已经成为国际超导材料和应用技术研发的重要力量。
超导材料的研发和产业化拥有深厚的壁垒和广阔的市场空间。低温超导材料制备技术涉及高均匀合金熔炼、超细芯复合线材塑性加工和磁通钉扎调控技术；高温超导材料制备技术涉及导体结构设计、金属/陶瓷复合粉末装管加工和成相热处理技术；超导磁体制备技术涉及磁体结构设计、大尺寸精密超导磁体绕制和固化制备技术以及超导磁体制冷机直接冷却技术。上述技术均为超导专有技术，体系复杂、研发周期长。根据Conectus数据，2012年全球超导产品市场规模为51.9亿欧元，2020年达到64.6亿欧元，2022年预估该数字已达到68亿欧元，年均增速达到6.4%。
2.产业链中游
中游覆盖聚变技术研发、装备制造(第一壁、偏滤器、蒸汽发生器、超导磁线圈等组件)及仿真、控制软件的开发。核电设备主要由核岛、常规岛及辅助设备三大系统构成，其中核岛是整个核电站的核心，负责将核能转化为热能，是核电站所有设备中工艺最复杂、投入成本最高的部分，投资成本占比达到58%，并且市场参与者较少。
（1）第一壁
目前第一壁材料路线可大致分为低Z（原子序数）材料和高Z材料。低Z材料主要有石墨、碳纤维复合材料（CFC）、铍（Be）等，高Z材料主要是钨和钨合金等。由于等离子体会与材料表面相互作用，造成材料损伤，比如物理溅射、化学溅射、表面起泡和剥落等。故要求第一壁材料不仅要拥有低活化性、与等离子良好的兼容性、低氚滞留等基本性质，还要具备优异的高温性能、抗热冲击性能，以及低物理溅射和化学溅射。钨被公认为是核聚变反应堆最具有前途的一类面向等离子体材料（PFMs）。钨不仅被选作ITER偏滤器用材料，同时也被选作DEMO及未来聚变反应堆中第一壁及偏滤器部位的主要备选材料，但其高脆性也是其目前最大的缺点。
第一壁材料是实现可控核聚变的关键瓶颈之一。第一壁材料便是指聚变堆中直接面对高温等离子体的材料，包括腔体主壁、偏滤器和限制器等。当聚变高温等离子体逃逸磁约束时，第一壁材料可以起到保护聚变反应装置的作用。此外，其还可以有效控制进入等离子体的杂质，有效地转移辐射到材料表面的热功率。但直接与聚变高能等离子体共处，对于第一壁材料的高性能要求可想而知。
（2）偏滤器
偏滤器，是核聚变反应堆的重要组成部分，负责连接中心等离子体与聚变燃料，是两者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，因此其材料选择、结构设计、制造工艺、检验测试等环节均有极高要求。
（3）包层结构材料
此外，包层结构材料也是实现聚变可控的关键因素。由于聚变堆的中子辐照强度高达14MeV，高能中子流冲击结构材料内部产生大量空位、间隙原子。而这些空位和间隙原子的进一步扩散会使结构材料出现微结构、微化学变化，导致辐照相变、偏析、硬化、肿胀等现象的产生。故对聚变堆装置的包层结构材料的相关性质也提出了较高的要求，首先同样是要有低活化性且中子截面小，即材料中的主要合金元素具有较短的半衰期，经过中子辐照后，其放射性能能够快速衰变。其次材料要有优异的抗辐照性能，在辐照下组织结构稳定，辐照肿胀小，辐照催化和硬化程度低；同时力学性能稳定，且具有足够的韧性、塑性、强度及高温蠕变强度。此外，还要与冷却剂有良好的兼容性，以及良好的加工性能，和相对低廉的材料制备成本。
目前正在使用和研究的包层结构材料主要有特钢以及相关复合材料。如奥氏体不锈钢、低活化铁素体/马氏体钢（RAFM）、氧化物弥散强化钢（ODS）、钒合金、SiCf/SiC复合材料。ODS钢因其优异的高温性能和抗辐照性能被认为是未来核能系统最佳备选结构材料之一。其优异的性能主要归功于大量细小稳定的氧化物，如Y2Ti2O7纳米团簇，它们在高温和辐照条件下拥有比碳化物和氮化物析出物高得多的稳定性。
3.产业链下游
下游涵盖核电站运营及设备应用，主要目标市场为发电。核聚变未来最主要的应用场景便是发电，相较于传统的化石燃料发电厂，核聚变有可能提供几乎无限的清洁能源，几乎没有温室气体排放或其他有害污染物。相较于光伏、风电等新能源发电方式，核聚变发电厂可以连续运行，为电网提供稳定的电力来源。具有清洁低碳、稳定高效运行特性的核电在电力系统中重要性将持续上升，大力发展可以充当基荷能源的核电，有助提升电力系统稳定性、推进风光新能源发展、保障能源供应系统安全稳定。
能源领域将是核聚变产业未来的主要市场机会。除发电外，在航空航天、交通运输、海水淡化以及药品和材料研发等领域，核聚变都有其未来的应用空间。根据Keytoneventures预测，全球核聚变市场规模将从2022年的2964亿美元增长到2023年的3135.6亿美元，增速为5.8%，2027年全球核聚变市场规模将达到3951.4亿美元，2023-2027年间CAGR为6.0%。
2023年是国内可控核聚变“元年”，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，随着技术突破+资本助力，国内可控核聚变项目加速落地，其中2023年下半年奇点能量、星环聚能、聚变新能、新奥集团、核西南院等主体先后宣布投资建设聚变装置，尤其以核西南院为领导始终引领核聚变行业发展。
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相关公司
1.联创光电：高温超导磁体在多领域进入1到N加速发展阶段
联创光电由江西省电子集团整合旗下部分优质军工资产于1999年6月设立。近年来，公司围绕“进而有为，退而有序”的经营方针，重点打造了激光和超导两个高科技新兴产业。公司超导产业依托参股子公司联创超导（持股40%）。
联创超导有望并入上市公司：控股股东电子集团的发展规划，联创超导不考虑独立上市，在产品加速进行商用推广阶段，将联创超导整体并入联创光电。
高温超导多项产品实现0到1突破，进入1到N的加速发展阶段：
高温超导感应加热设备：兆瓦级高温超导感应加热设备于2021年12月起运客户中铝集团东北轻合金，于2023年4月正式商业化投产使用。目前，在手订单已超60台，2023H1交付6台设备。
高温超导磁控单晶生长炉：2023年3月，联创超导联合宁夏盈谷实业股份有限公司启动高温超导磁控硅单晶生长炉研制工作。
可控核聚变：2023年11月，联创超导和中核聚变(成都)设计研究院有限公司签订协议，联合建设可控核聚变项目，技术目标Q值大于30，实现连续发电功率100MW，工程总投资预计超200亿元人民币。
2.永鼎股份：第二代高温超导带材产业化加速落地
公司于1994年成立，1997年成为国内光缆行业首家民营上市公司。经过数十年持续发展，目前已形成“光电交融、协同发展”的战略格局，业务覆盖光通信和电力传输两大领域。公司于2011年开始投资超导业务，主要生产第二代高温超导材料。超导带材代替传统的铜材的应用产品有超导感应加热设备、超导电缆、高温超导磁体、全高温超导可控核聚变堆、超导故障电流限流器、超导发电机、超导风机等。
公司以业内独有的“磁通钉扎”技术，研制应用于高强磁场工况下的高载流超导带材，推进了在超导感应加热和可控核聚变堆的应用。公司与江苏国网合作的“高温超导直流电缆示范工程”项目，先后完成了超导电缆本体的敷设、支架安装等，在2023年下半年挂网运行，是江苏省第一根超导电缆，也是目前国内第一根基于国产第二代（YBCO）高温超导材料的冷绝缘高温超导直流电缆。
公司超导业务由全资子公司东部超导承担。2021年、2022年和2023H1，东部超导净利润分别为-823万元、-2581万元和-815万元。
3.国光电气：第一壁、偏滤器及泵阀产品优势显著，核工业领域收入快速增长
成都国光电气股份有限公司源于1958年，是我国微波电子器件主要科研生产基地之一。公司产品门类主要包括各类微波器件（电真空、固态）及组件、真空接触器、真空灭弧室等。
在核聚变领域，在技术层面上，公司擅长领域包括第一壁、偏滤器、风机、阀组箱、专用阀门、管路及相关配套系统建设等。公司核工业设备及部件产品主要包括ITER配套设备、核工业专用泵以及阀门等其中，ITER配套设备包括偏滤器、ITER屏蔽模块热氦检漏设备、ITER包层第一壁板、ITER工艺设备等。
2022年，公司核工业领域收入3.68亿元，同比增长180%，占公司营收的40%。2023Q1-Q3，公司营收5.78亿元，同比下滑19%，归母净利润0.54亿元，同比下滑58%。
4.西部超导：成立背景为ITER用低温超导线材，超导业务保持较快增长
西部超导成立于2003年，成立之初以ITER用低温超导线材产业化为主要业务。公司立足核心技术、紧跟市场需求，目前形成了高端钛合金材料、超导产品和高性能高温合金材料三大主业。其中，超导产品经历ITER项目交付完结（2019年）以及向MRI、MCZ、CFETR等领域的拓展。
核聚变领域，公司突破了CRAFT项目用Nb3Sn超导线材批产稳定性控制技术；开发新一代高性能电流密度Nb3Sn线材并实现量产，为核聚变新项目BEST提供高指标的产品；已开始向CFETR项目供货。
2022年，公司超导产品收入6.23亿元，同比增长161%，占公司营收的15%。2023H1，公司超导产品收入4.02亿元，同比增长61%，占公司营收的19%。
5.安泰科技：钨铜复合材料技术领先，供货国内外主流核聚变装置
安泰科技核聚变相关业务主要由子公司安泰中科开展。安泰中科成立于2012年，安泰科技持股65%，合肥科聚高技术有限责任公司（中科院等离子体物理所全资子公司）持股20%，罗广南等自然人持股15%。安泰中科定位是以面向等离子体的第一壁结构部件研发、生产、销售等为主业，安泰中科处于产品开拓阶段，主要为钨铜复合组件的研制和生产。
2021年、2022年和2023H1，安泰中科营收分别为3237万元、2524万元和730万元，净利润293万元、244万元和79万元。
核聚变相关产品：偏滤器：EAST钨铜偏滤器，EAST偏滤器全钨复合部件；ITER钨铜复合部件；WEST钨偏滤器；高性能钼合金材料：用作EAST核聚变装置的第一壁。钨铜复合片：2023年3月，安泰科技为紧凑型聚变能实验装置BEST研制的钨铜复合片完成交付。限制器：为EAST批量供货。
08
未来展望
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。
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。
2.聚变-裂变混合实验堆即将建设，加速核聚变商业应用
混合堆相当于热核聚变中子源与次临界裂变堆结合，相比于纯聚变堆，混合堆大幅降低堆芯等离子体性能及第一壁材料要求;相比裂变堆，混合堆铀资源利用率高，且燃料增殖能力强于快堆、乏燃料嬗变优势显著、建造成本低于快堆，是实现闭式燃料循环、解决千年能源需求最具前景的方案。国内聚变-裂变混合实验堆Q值大于30，实现连续发电功率100MW，总投资超200亿元，即将进入建设阶段。
3.民营资本涌入推进产业发展
根据FIA数据，2022年全球私营核聚变公司获得超过48亿美元的投资，比2021年增长139%，私人投资对核聚变的投资额首次超过政府资助。2023年，全球私营聚变公司获得的投资额从48亿美元增加至62亿美元。新增资金包括美国TAE技术公司2.5亿美元、中国新奥科技发展公司2亿美元、日本京都聚变技术公司7900万美元、中国能源奇点公司5500万美元等。2023年4月，日本推出《核聚变能创新战略》，旨在通过建立庞大的国内核聚变产业，在未来商业化利用核聚变能中占据主导地位，并提出在2050年实现核聚变发电目标。