可控核聚變：初探商業化進展
隨着可控核聚變實驗不斷突破，以及以高溫超導爲代表的硬件技術不斷發展，我們看到全球範圍內致力於可控核聚變商業化探索的創業公司不斷湧現，並且風險資本开始湧入相關賽道，我們建議關注並跟進可控核聚變商業化進展以及由此產生的新需求和新機遇。
摘要
可控核聚變有望成爲能源最優解決方案。1）可控核聚變所需氘等燃料地球上儲量豐富（海水中氘儲量約45億噸），不存在資源約束；2）可控核聚變反應僅在幾億度高溫等離子體狀態下進行，反應條件苛刻，發生故障可自動停止，具有固有安全性；3）可控核聚變所需燃料氘氚是清潔能源，氚僅在反應過程中產生，且半衰期很短，放射性危害較小；4）可控核聚變反應過程產生的大量高能中子能夠應用於科研領域。
實驗不斷取得突破，產業和風險資本不斷湧入。一方面我們看到近幾十年實驗不斷取得突破，目前聚變三重積已接近勞森判據，聚變增益因子Q也已經接近商業發電所需Q>10的基礎要求；另一方面我們看到全球範圍內從事商業化聚變堆探索的企業數量已經達到43家，吸引到風投投資金額不斷攀升，截至2023年初，全球聚變公司累計吸引超過 60 億美元投資，國內包括能量奇點、星環聚能等初創公司同樣开啓了我國商業化聚變堆的嘗試，並且成功獲取風險資本投資。我們認爲相關投資有望快速轉化爲對上遊的採購訂單，從而拉動聚變產業鏈需求放量。
高溫超導磁體、第一壁是聚變發電托卡馬克裝置核心。目前適用於民用發電的路线以磁約束托卡馬克裝置爲主，爲了實現三重積大於勞森判據需要有磁體提供足夠強的磁場，以釔鋇銅氧爲代表的二代高溫超導技術以及由此衍生的磁體技術發展，爲托卡馬克裝置提供了大幅超越以往的磁場強度，從而加速了聚變發電產業化進展。此外，爲了實現點火後系統穩定安全運行以及氚自持，第一壁材料的研發成熟也是實現聚變發電的先決條件。我們認爲高溫超導帶材、磁體、第一壁材料產值佔比高，技術壁壘高，是最優投資環節。
風險
可控核聚變技術發展不達預期風險，聚變公司融資進展不達預期風險，出現替代技術路线風險。
正文
人類能源的未來夢想——可控核聚變
什么是可控核聚變
核聚變是指兩個或多個質量較輕的原子核聚合爲一個或多個較重的原子核和其他粒子，並釋放出能量的過程。可控核聚變指在人工控制下利用聚變產生能量，在目前條件下，具有應用潛力的聚變反應主要有以下幾種：
圖表1：目前可用的幾種核聚變反應
資料來源：《聚變堆內部部件材料表面條件對氫同位素滲透的影響機理研究》，王露，2022，中金公司研究部
氘氚聚變的反應截面（反應概率）高出其他聚變反應兩個數量級以上，是目前具備科學可行性的反應，也是目前聚變堆設計的主要方向。
圖表2：氘氚反應示意圖
資料來源：Contemporary Physics Education Project，中金公司研究部
可控核聚變有哪些分類
實現可控核聚變有三種約束方式，分別是引力約束、磁約束和慣性約束。
► 引力約束是通過物質自身質量產生巨大的引力來實現對燃料的約束（如太陽），目前在地球上無法實現。
► 磁約束指將氘氚燃料加熱爲等離子體態，利用強磁場約束等離子體沿着磁場方向做回旋運動，等離子體在運動過程中發生碰撞從而發生核聚變。
► 慣性約束的原理是把幾毫克的氘氚氣體裝入直徑幾毫米的小球內，向球面射入強大的激光或粒子束，外球面因受到能量而向外蒸發，而球面內層受到反作用力向內壓縮，球內氣體受擠壓後達到高溫、高壓力狀態。當溫度達到點火溫度時，球內氣體發生爆炸，爆炸後的氣體會在飛散之前充分燃燒並釋放大量熱能。
圖表3：可控核聚變的三種約束方式
資料來源：《超導磁體技術與磁約束核聚變》，王騰，2022，中金公司研究部
磁約束目前被認爲是最有可能實現可控核聚變發電的途徑
磁約束聚變裝置主要有托卡馬克、磁鏡、仿星器、反向場箍縮等路线，目前的研究多集中於托卡馬克路线，且技術進展較快，如國際熱核聚變實驗堆（ITER），我國的EAST均採用托卡馬克作爲約束裝置。
圖表4：托卡馬克基本結構
資料來源：《J-TEXT托卡馬克偏濾器位形的模擬與實現》，朱立志，2020，中金公司研究部
圖表5：ITER的托卡馬克裝置
資料來源：ITER官網，中金公司研究部
激光約束核聚變已取得Q值上的突破，可用於星際航行等領域
美國國家點火裝置（NIF）於2022年12月實現“淨能量增益”，實驗輸入的激光能量爲2.05兆焦耳，輸出的能量爲3.15兆焦耳，能量增益達到153%。這項突破展示了人類邁向可控核聚變時代的潛力。
圖表6：美國國家點火裝置
資料來源：《激光慣性約束聚變的基本原理和點火裝置》，粟敬欽， 2018，中金公司研究部
實現可控核聚變需要滿足三個條件：
1）極高的溫度。如氘氚反應和氘氘反應分別要求燃料溫度不低於1億度和5億度。在如此的高溫下，燃料粒子處於電離狀態，即“等離子體”。
2）保證燃料超高的密度。等離子體需有超高的密度，才能保證有足夠多的粒子發生反應，並輸出聚變能。
3） 須將等離子體約束在有限空間內，並維持足夠長的時間。
根據勞森判據，當等離子體密度n，溫度T，約束時間三者的乘積（聚變三重積）大於5 ×1021m- 3·s·keV時，聚變反應才能自持進行。
圖表7：實現可控核聚變的三個條件
資料來源：《超導磁體技術與磁約束核聚變》，王騰，2022，中金公司研究部
可控核聚變的優點
► 燃料資源豐富。核聚變燃料之一的氘（D）廣泛地分布在海水中，1升海水中提取的氘在完全的核聚變反應中釋放的能量相當於燃燒300升汽油的能量。氚可以通過聚變反應產生的中子與聚變堆增殖層中的鋰發生反應產生氚，鋰的儲量較爲豐富，海水中約有2600億噸鋰。
► 可控核聚變具備固有安全性。高溫等離子體一旦形成，任何運行故障都能使等離子體迅速冷卻，從而使聚變反應在短時間內自動停止，這意味着核聚變反應堆不會發生重大事故。
► 核聚變能是清潔能源。核聚變反應不會產生溫室氣體，也幾乎沒有放射性污染。盡管氘氚聚變反應中的氚具有放射性，但氚的半衰期很短，且在聚變堆中很快地被燃燒。
► 核聚變具有廣泛的應用。核聚變產生的大量高能中子在科研以及其他領域均有廣泛的用途。
爲什么可控核聚變值得關注？
聚變能量增益因子（Q值）和聚變三重積不斷取得突破
聚變能量增益因子指核聚變反應產生的能量與輸入聚變裝置的能量之比。當Q=1，聚變反應所釋放的功率等於維持反應所需的加熱功率，稱爲收支平衡。由於實際工程中存在各種能量損失，在至少達到Q>5時，聚變反應自發產生的熱量才足以維持反應，實現聚變點火；而想要實現聚變發電的商運，通常要求Q>10。
聚變三重積與Q值呈正相關關系，三重積越大，則Q值也會隨之增大。從可控核聚變研發至今，Q值與聚變三重積均顯著增加，使未來的商業化可控核聚變成爲可能。
圖表8：主要聚變裝置的Q值
資料來源：《國際核聚變能源研究現狀與前景》，核工業西南物理研究院，2014，中金公司研究部
圖表9：聚變裝置Q值的發展趨勢
資料來源：《國際核聚變能源研究現狀與前景》，核工業西南物理研究院，2014，中金公司研究部
圖表10：聚變三重積的變化趨勢圖
資料來源：《Fusion: Power for the future》，Anthony J Webster，2003，中金公司研究部
高溫超導技術爲磁場強度的進一步提高提供了可能
超導體具有零電阻效應，在電流傳輸過程中幾乎不存在能量消耗，且超導线圈載流能力強，能獲得更強的磁場，是聚變堆磁體的必然選擇。磁約束可控核聚變需要提供高溫高壓的環境來約束等離子體，而磁場強度是實現這些條件的關鍵參數。托卡馬克的聚變功率與磁場強度的4次方及裝置半徑的3次方成正比，增加磁場強度不僅可以提高聚變功率，還可以有效減小反應裝置的尺寸。因此，一個磁約束聚變發電廠的規模、時間和經濟性在很大程度上取決於磁體的質量。
圖表11：核聚變功率計算公式
資料來源：《On the size of tokamak fusion power plants》, Hartmut Zohm，2019，中金公司研究部
高磁場強度將推動聚變堆的成本降低。ITER的中心磁場強度爲5.3特斯拉，而目前高溫超導磁體最大能產生45.5特斯拉的磁場，且未來磁場強度會進一步提高。我們認爲，磁場強度越大，聚變裝置的尺寸會隨之減小，聚變堆的成本也將隨之大幅下降。
圖表12：ITER的磁體裝置
資料來源：ITER官網，中金公司研究部
全球商業化裝置數量逐年增多，且獲得大額融資
截至2023年年初，商業核聚變公司共43家，較之2022年年初增加13家，聚變公司數量呈明顯的上升趨勢。核聚變公司吸引的投資額也在不斷增加，且近兩年增長趨勢明顯。截至2023年初，全世界核聚變公司吸引了超過60億美元的投資，較2022年初的總投資額增加14億美元，較2021年初的18.72億美元增加40多億美元。
圖表13：全球聚變公司數量
資料來源：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部
圖表14：全球聚變公司獲得的總投資額
注：2023年數據爲2022年4月-2023年4月；2021-2022年以此類推資料來源：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部
與可控核聚變技術相關的專利數量呈現增長趨勢
對21世紀以來與可控核聚變技術相關的專利數量進行篩選和分析，可以看到總體呈增長趨勢，說明可控核聚變技術獲得了更多的關注。
圖表15：核聚變技術相關專利數量
資料來源：智慧芽，中金公司研究部
人工智能的發展爲等離子體控制問題提供了解決方案
2022年Jonas Degrave於《Nature》上發表的《Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning》中提到，英國DeepMind公司與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家合作，利用深度學習方法生成非线性反饋控制器，通過自動學習實現對所有磁线圈的控制。爲了防止高溫等離子體與容器壁的接觸，必須對等離子體進行精確的控制。傳統的托卡馬克裝置中，每個线圈需配備單獨的控制裝置，每秒需調整上千次電壓，帶來了大量的設計和工程任務。由於等離子體在真空室中的運動存在很高的不確定性，目前的控制方法還無法長時間約束等離子體。人工智能可以通過與環境的交互，不斷地優化和改進控制策略，使得托卡馬克裝置中的等離子體控制更加精確和簡便。
超過85%的聚變公司預測將於2040年前實現可控核聚變發電
核聚變工業協會（FIA）發布的2023年全球核聚變工業報告中對什么時候能夠實現第一座聚變電廠向電網輸送電能這一問題做出調研，有40家核聚變公司針對給出了預測。約65%的核聚變公司認爲2035年前能夠實現聚變發電，超過85%的聚變公司認爲2040年前可以實現成功發電。
圖表16：40家核聚變公司對於聚變發電時間的預測
資料來源：The global fusion industry in 2023，中金公司研究部
磁約束可控核聚變還有哪些核心know-how需要突破？
聚變堆的第一壁材料是實現可控核聚變的難點之一
第一壁材料是聚變堆中直接面對高溫等離子體的材料，對於聚變堆的安全運行至關重要。第一壁材料的作用爲：
1）當高溫等離子體逃逸磁約束時，保護聚變堆的反應裝置；
2）轉移等離子體輻射到材料表面的熱量，並通過冷卻劑將熱量帶走，在二回路產生蒸汽；
3） 發生故障時保護其他部件免受等高溫離子體轟擊。因此，必須確保第一壁材料擁有良好的性能，以維持聚變堆的安全運行。
圖表17：第一壁材料位置示意圖
資料來源：《聚變堆第一壁鎢材料輻照損傷與燃料滯留行爲研究》，張學希，2022，《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部
第一壁材料的服役環境惡劣，頻繁受到高溫等離子體轟擊及高能中子輻照。第一壁材料與高溫等離子體之間的相互作用會嚴重影響材料的熱導率、力學性能和抗熱衝擊性能等。中子輻照會導致材料產生輻照腫脹，發生硬化和脆化，嚴重威脅聚變堆的安全穩定運行。
鎢基合金可能是未來聚變堆理想的第一壁材料。鎢具有高熔點、高熱導率和低氫同位素滯留等優點，但其本身也存在一些缺陷，例如機械加工性差、韌脆轉變溫度較高、輻照硬化和脆化等。而向鎢基體中添加少量碳化物、氧化物、以及合金化元素可以有效提高鎢的性能。圖表18顯示鎢基合金受到等離子體輻照後表面產生的氣泡明顯小於金屬鎢受同樣輻照所產生的氣泡。因此，未來聚變堆的第一壁材料很可能是改良後的鎢基合金材料。
圖表18：鎢及鎢基合金受等離子體輻照後的變化
資料來源：《聚變堆第一壁鎢材料輻照損傷與燃料滯留行爲研究》，張學希，2022，中金公司研究部
氫滯留現象爲燃料循環增加了難度
氫滯留是指氫同位素（主要是氚）在跟第一壁材料接觸後，滯留在材料內部，導致難以回收的現象。由於氚燃料稀缺且昂貴，未來的商業聚變電廠需要實現氚的內部增殖。氚增殖的過程是在等離子體外部布置增殖層，氘氚反應生成的中子進入增殖層，並與其中的鋰6發生反應生成氚。包層生成的氚經過提取、淨化後重新加入到等離子體內部進行反應。而氚會與材料發生相互作用而導致氫同位素滯留在材料中，由於滯留帶來的損耗可能打破氚循環，進而導致聚變堆無法正常運行。
圖表19：氘氚聚變反應堆氚循環示意圖
資料來源： ITER官網，中金公司研究部
長時間約束等離子體暫時難以實現
托卡馬克等離子體中存在的各種不穩定性問題嚴重影響了等離子體約束。徐海文在《托卡馬克中輻射與熱傳導對撕裂模不穩定性影響的模擬研究》（2022年）中提到，托卡馬克等離子體是一個極其復雜的體系，其中涉及的物理過程同時跨越了多個時空尺度；此外，宏觀磁流體不穩定性、微觀動理學不穩定性、邊緣等離子體約束以及加熱與波粒相互作用將會使長時間約束等離子體困難重重。
托卡馬克芯部的強輻射不利於等離子體的自持。等離子體與第一壁材料相互作用會造成強輻射會明顯降低托卡馬克芯部的溫度，而等離子體溫度降低會導致電阻、電流的擾動，這些擾動嚴重影響等離子體的約束。另一方面，Vries 等人在其文章《The influence of an ITER-like wall on disruptions at JET》（2014年）中指出，芯部強輻射將導致等離子體破裂，且伴隨有強烈的磁流體不穩定性。
商業化可控核聚變需要更高的Q值
目前的聚變裝置已經可以實現理論上的能量收支平衡，即Q=1；正在建設中的ITER裝置的設計Q值爲10，可以達到了自持發電的條件。但是，考慮到工程上的各種成本，一個在經濟上具有競爭力的聚變電廠需要更高的Q值。Q值是等離子體溫度T、密度n和約束時間τ的函數，而想要得到更大的Q值，則需要使等離子體密度n與約束時間τ的乘積越大。
圖表20：Q值與等離子體溫度T、密度n和約束時間τ的關系
資料來源：《Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion》，Samuel E. Wurzel，2022，中金公司研究部
高溫超導磁體仍存在技術難題
由超導材料制備的無阻磁體稱爲超導磁體，其結構緊湊、耗電量低，易於實現更高的磁場強度。臨界溫度Tc，臨界電流密度Jc，和臨界磁場Hc，是超導體的3個臨界參數，要使超導體處於超導狀態，必須將其置於這3個臨界值以下。在超導領域，根據超導材料臨界溫度的不同，將材料分爲高溫超導和低溫超導。最高臨界溫度超過“麥克米蘭極限”（39K）的超導材料爲高溫超導材料，反之則爲低溫超導材料。
圖表21：常見超導材料類型及臨界溫度
資料來源：《基於REBCO高溫超導帶材的高場线圈設計與研制》，張新濤，2021，中金公司研究部
REBCO材料不僅臨界溫度顯著高於其他類型的超導體，且在高場和液氮溫度下具有較高的臨界電流密度以及優異的機械強度，因此在未來的高場磁體領域具有很大的應用潛力。但目前基於YBCO材料制備高場強的超導磁體仍存在一些技術難題：
► 帶材的各向異性給磁體設計帶來很大影響。YBCO帶材具有各向異性以及扁平的結構，使得磁體中各處的臨界電流分布不均勻，而不均勻的電流密度會導致過大的應變，對超導磁體的安全運行造成威脅。
► 各種應力應變嚴重影響材料性能。超導帶材在磁場中會受到各種應力，如帶材繞制時的彎曲應力、環向電磁應力、材料熱收縮導致的熱應力等。這些應力會導致材料的性能受損，甚至發生斷裂的情況。
► 线圈的接頭設計難度較大。對於磁體线圈，包括內接頭、外接頭以及電流引线接頭。目前的接頭爲錫焊的有阻接頭，接頭的設計需要盡可能減少接頭電阻、提高其機械強度並避免焊接過程中超導帶材發生性能衰退。因此焊接過程需要嚴格控制加熱時間、加熱溫度、施加的壓力、表面潔淨度等。
核聚變電廠產業鏈圖譜
核聚變電廠的組成
未來核聚變電廠主要由兩大部分組成：托卡馬克裝置和汽輪機廠房。托卡馬克中的等離子體通過聚變反應產生熱量，將熱量傳輸至熱交換器把水加熱爲蒸汽，推動汽輪機轉動，進而產生電能。
圖表22：核聚變電廠示意圖
資料來源：FACTY官網，中金公司研究部
托卡馬克裝置的組成
托卡馬克裝置的主體部分由一個環形真空室和一系列磁場线圈組成，不同方向的磁线圈在真空室中產生強大的磁場，約束等離子體在真空室中做螺旋式回旋運動。偏濾器主要用於控制等離子體與真空室壁面的相互作用，減少壁面的熱負荷和粒子轟擊。低溫裝置主要用於冷卻磁线圈並爲裝置內部提供所需的低溫環境。探測裝置主要提供關於等離子參數、中子參數、磁場測量等信息。
圖表23：托卡馬克裝置示意圖
資料來源：《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部
高溫超導帶材的組成
第二代高溫超導帶材具有較高的臨界溫度和電流密度，具有很好的性能和應用潛力。第二代高溫超導帶材的核心由超導層、緩衝層和基底層組成。其中，超導層是由高溫超導材料制成，如釔鋇銅氧化物（YBCO）。
圖表24：第二代高溫超導帶材結構
資料來源：上海超導官網，中金公司研究部
產業鏈圖譜
上遊主要爲原材料，中遊爲組成聚變電廠的各類設備，下遊爲聚變電廠的主要應用。
圖表25：核聚變電廠產業鏈圖譜
資料來源：《Approximation of the economy of fusion energy》，Slavomir Entler，2018，中金公司研究部
圖表26：核聚變電廠主要產業鏈及相關公司
資料來源：各公司官網，中金公司研究部
風險提示
可控核聚變技術發展不達預期風險：可控核聚變的技術難度大，以國際熱核聚變試驗堆ITER爲代表的聚變試驗堆進展不順，未能按照預期計劃完成相關工作。目前可控核聚變仍有不少技術難題尚未解決，而且可能存在研究失敗的風險。
聚變公司融資進展不達預期風險：聚變技術研發的資金需求大，且核聚變技術的商業化前景尚不明朗，可能導致融資進展不達預期。如果聚變公司無法獲得足夠的資金支持，可能會影響其研發進度，進一步加大項目失敗的風險。
出現替代技術路线風險：以光伏、風能爲代表的新能源發電方式目前技術已較爲成熟且發電成本持續降低，如果太陽能和風能等可再生能源的儲能問題得到解決，且發電效率能夠提升，那么可能會替代人類對於可控核聚變的需求。
注：本文摘自2023年8月8日已經發布的《可控核聚變：初探商業化進展》；曾韜 分析員 SAC 執證編號：S0080518040001 SFC CE Ref：BRQ196、劉爍 分析員 SAC 執證編號：S0080521040001、於寒 分析員 SAC 執證編號：S0080523070011 SFC CE Ref：BSZ993
標題：可控核聚變：初探商業化進展
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