核聚变：人类终极能源的钥匙646mb

PAGE1PAGE1免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。工业核聚变：人类终极能源的钥匙华泰研究机械设备增持(维持)2025年5月21日│中国内地专题研究专用设备增持(维持)研究员倪正洋全球核聚变产业迎来政策推动与技术进步，托卡马克产业链有望显著受益70%2031-2040年能实现EASTBEST（夸父启明2027年建成，BEST/第一壁/真空部件等托卡马克设备高价值量零部件有望显著受益。70%2031-2040年可实现聚变商业化，BEST项目已开始总装Helion项目计划在202850FusionIndustryAssociation，截至4670%2031-2040年能够实现商业SACNo.S0570522100004 nizhengyang@SFCNo.BTM566 +(86)212897研究员 李斌SACNo.S0570517050001 libin@SFCNo.BPN269 +(86)106321研究员 刘俊SACNo.S0570523110003 karlliu@SFCNo.AVM464 +(852)3658研究员 王兴SACNo.S0570523070003 wangxing@SFCNo.BUC499 +(86)213847联系人 王自SACNo.S0570123070064wangzi022582@+(86)2128972228202720255

机械设备 专用设备托卡马克磁约束技术成熟，有望率先实现商业化落地核聚变本质是将原子核压缩到强相互作用力的作用范围而发生聚合从而释中心螺管线圈和极向场线圈构成的磁体系统在环形真空室中构造出一个闭EAST403秒等离子体约束，技术成900第一壁真空部件IAEA的数据，截至202548057台正23FIRE项目的建设成本，我们预计实验堆55%，产业链公司有联创光电、永鼎股份、精达股份等；第一壁部件价值量占比约为27%，产业链公司有国光电气、安泰科技15%险；测算与实际误差的风险。

(%) 沪深30022111(10)(21)May-24 Sep-24 Jan-25 May-25资料来源：Wind，华泰研究证券研究报告证券研究报告工业工业PAGE10免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。PAGE10免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。正文目录核心观点 6可控核聚变蓬勃发展，BEST将展示聚变能发电 7核聚变技术路径多元，托卡马克或将率先落地 10核聚变的温度、密度和约束时间反应条件需满足劳逊判据 10托卡马克技术最为成熟，有望率先实现受控核聚变 托卡马克由五大主体结构组成，磁体系统是核心部件 12托卡马克设备市场空间超900亿元，中国具备主体设备制造能力 14产业链公司 17磁体系统（主体成本占比55%） 17第一壁（主体成本占比27%） 19真空部件（主体成本占比15%） 20风险提示 21附录1：聚变基本原理 22核聚变是什么？ 22核聚变在能量密度、清洁性、安全性和可持续性上具有优势 23如何实现核聚变：温度、密度和能量约束时间 24如何实现聚变点火：温度密度×约束时间三重积满足劳逊判据且Q>1 25如何实现可控：引力约束、磁约束和惯性约束，引力约束无法在地球实现 26附录2：磁约束技术路线多元，可实现长时间稳态运行 28磁镜：结构简单，但粒子损失严重 28场反位形装置：等离子体约束性能好，但聚变参数远低于劳森判据 29托卡马克：技术最为成熟，有望率先实现受控核聚变 30托卡马克由五大主体结构组成，磁体系统是核心部件 33高温超导磁体/第一壁全钨替代提高等离子体约束性能，增殖包层推动托卡马克实现自持 40ITER：2025年有望完成第一阶段建设，将成为世界上最大的托卡马克 45仿星器：运行稳定，但结构设计复杂 47仿星器线圈结构设计多样，从“8”字形线圈发展到模块化线圈 47国外仿星器研究处于领先地位，中国实现0到1突破 49仿星器理论约束能力更强，设计复杂性是发展限制因素 50附录3：惯性约束已实现聚变点火，但能量转换效率低 51间接驱动是激光惯性约束主流方式，但“激光-X射线”能量转换率低 51三种点火方式，中心点火是主流路线 53美国NIF已实现聚变点火，中国神光Ⅲ性能位于世界前列 54激光惯性约束聚变时间短能量转换效率低，不适用于核电站 56附录4：磁惯性约束结合磁约束与惯性约束，需进一步验证 57Z箍缩聚变：磁场驱动内爆，能量转换效率高达15%， 57黑腔辐射间接驱动：辐照对称性高，中国方案改进结构实现更高性能 57磁化套筒惯性聚变：采用直接驱动，热传导损失小/能量利用率高 59磁化靶：原理简单，有待进一步验证 60附录5：技术路线总结 61图表目录图表1：海内外核聚变战略部署，近期技术突破及未来规划 7图表2：全球聚变公司数量持续增加 7图表3：超70%的聚变公司认为2040年前可以实现聚变能商业化 7图表4：中国计划2035建成示范堆，2050年建成商用堆 8图表5：BEST近期开始密集招标 9图表6：全球首台高温超导托卡马克装置洪荒70 9图表7：核聚变反应需要满足温度、密度和能量约束时间三个条件 10图表8：氘氚反应的聚变截面和反应率大于氘氘反应和氘氦反应 10图表9：温度为1.6亿摄氏度时，氘氚反应聚变三重积最小 10图表10：托卡马克工作原理示意图 图表EAST磁体系统全部采用超导磁体 图表12：EAST装置主要设计指标 12图表13：托卡马克装置结构示意图 12图表14：定标率公式由托卡马克实验数据拟合而来 13图表15：托卡马克装置越建越大 13图表16：高温超导磁体增强等离子体稳定性并推动托卡马克小型化 13图表17：聚变实验堆中主体结构价值量占比约29% 14图表18：主体结构中环向场线圈价值量占比约45% 14图表19：示范堆中主机价值量占比约51% 15图表20：中国承担ITER重要部件采购包任务 16图表21：国内托卡马克主体设备参与公司 16图表22：公司分产品营收占比 17图表23：联创超导YBCO制冷机直接冷却超导磁体 17图表24：公司分产品营收占比 18图表25：上海超导第二代高温超导带材 18图表26：公司分产品营收占比 18图表27：东部超导第二代高温超导材料应用于可控核聚变磁体部分 18图表28：公司分产品营收占比 19图表29：ITER包层第一壁板 19图表30：公司分产品营收占比 19图表31：安泰科技钨铜复合组件、包层部件第一壁相关产品 19图表32：公司分产品营收占比 20图表33：合锻智能承担BEST真空室零部件的生产 20图表34：公司分产品营收占比 20图表35：2024年9月12日ITER真空室第一块冷屏吊装工作完成 20图表36：铁原子的核子平均质量最小，裂变和聚变以铁为分界线 22图表37：铀-235重核裂变释放能量 22图表38：氘氚轻核聚变释放能量 22图表39：核聚变的能量密度远高于核裂变 23图表40：核裂变产物的半衰期在几百万年 23图表41：氘在自然界中储量丰富 24表42：需288KeV撞 24图表43：原子核截面的量子力学修正 24图表44：核聚变反应需要满足温度、密度和能量约束时间三个条件 25图表45：氘氚反应的聚变截面和反应率大于氘氘反应和氘氦反应 25图表46：温度为1.6亿摄氏度时，氘氚反应聚变三重积最小 25图表47：ITER计划目标是实现Q>10 26图表48：三种约束方式以不同途径满足劳森判据 26图表49：太阳通过引力约束实现聚变反应 27图表50：电子在磁场中受洛伦兹力做回旋运动 28图表51：磁镜两端磁场强，中间磁场弱，等离子体被来回反射 28图表52：磁镜的损失锥 29图表53：FRC等离子体磁场位形 29图表54：θ箍缩形成FRC等离子体的流程 29图表55：FRC装置等离子体对碰融合示意图 30图表56：C-2W的等离子体参数距离劳森判据存在较大差距 30图表57：托卡马克工作原理示意图 31图表58：1968年苏联T-3托卡马克首次实现能量输出 31图表59：欧美日托卡马克装置技术参数 32图表60：EAST磁体系统全部采用超导磁体 32图表61：EAST装置主要设计指标 32图表62：托卡马克装置结构示意图 33图表63：磁体系统工作流程示意图 34图表64：环形磁场与角向磁场结合产生螺旋磁场 34图表：托卡马克磁体系统包括纵场线圈（T、中心螺管线圈（C）和极向线圈（F）三组线圈 图表66：定标率公式由托卡马克实验数据拟合而来 35图表67：托卡马克装置越建越大 35图表68：苏联T-7是世界上第一个超导托卡马克装置 36图表69：ITER真空室结构图 36图表70：托卡马克D形截面设计 37图表71：ITER包层模块结构图 38图表72：托卡马克偏滤器磁位形示意图 39图表73：偏滤器结构示意图 39图表74：EAST冷屏系统结构图 39图表75：EAST真空外杜瓦系统结构图 39图表76：ITER的中性光束系统结构图 40图表77：ITER的离子回旋共振加热系统 40图表78：ITER的冷却水系统 40图表79：ITER大约有50个独立的诊断系统 40图表80：等离子体破裂期间电流快速下降形成逃逸电流 41图表81：H模比L模具有更好的等离子体约束性能 41图表82：高温超导磁体增强等离子体稳定性并推动托卡马克小型化 42图表83：DeepMind通过强化学习控制等离子体 42图表84：普林斯顿通过AI技术提前300毫秒预测等离子体破裂 42图表85：PFM需要承受热负荷、等离子体辐照和中子辐照三重负载 43图表86：PFM材料物理属性 43图表87：合金化处理可以提高钨的性能 44图表88：液态锂能够提高等离子体约束性能 44图表89：聚变堆氚增殖包层 45图表90：ITER一旦建成将成为世界上最大的托卡马克装置 45图表91：ITER将于2025年建设完成 46图表92：ITER的三阶段科学目标和三个工程目标 46图表93：仿星器采用复杂的外部线圈产生螺旋状磁场 47图表94：“8”字形仿星器磁场中带电粒子的漂移 47图表95：W7-A仿星器由环向磁场线圈和螺旋磁场线圈组成 48图表96：仿星器磁场线圈可以由模块化线圈组合而成 48图表97：W7-X采用模块化线圈 48图表98：Wendelstein7-X的重要里程碑 49图表99：日本LHD结构图 49图表100：HSX的磁场呈准螺旋对称性 49图表101：CFQS装置示意图 50图表102：CFQS磁场呈准环对称性 50图表103：模块化线圈会产生多个局部磁镜 50图表104：氢弹爆炸原理 51图表105：激光惯性约束四阶段 52图表106：直接驱动的激光束直接辐照靶丸 52图表107：间接驱动通过激光束反射产生的X射线辐照靶丸 53图表108：中心点火靶丸由烧蚀层、DT冰层和DT饱和蒸气层三层结构组成 53图表109：快点火的压缩和点火两个过程分开 54图表体点火靶丸采用同心双壳层结构 54图表NIF装置布局示意图 55图表NIF最高输出3.88MJ的聚变能量 55图表神光-Ⅲ与NIF性能对比 55图表激光惯性约束能量转换效率低 56图表磁驱动柱形Z箍缩内爆基本原理 57图表双Z箍缩黑腔构型示意图 58图表动态黑腔构型示意图 58图表局部整体点火方案结构示意图 59图表局部整体点火靶丸采用5层结构设计 59图表120：磁化套筒惯性聚变三个过程示意图 59图表121：通用聚变公司第一代磁化靶方案工作流程 60图表122：通用聚变公司第二代磁化靶方案采用圆柱形结构 60图表123：核聚变技术路线 61核心观点BEST20252031-2040BEST聚变项目将首次演示聚变能发电。美国、中国、欧洲和日本等国家和地区在核聚变领域均Helion202850兆瓦的聚变发2050FusionIndustryAssociation2024Q44670%的受访公司认2031-2040年能够实现聚变商业化应用，预期乐观。我国聚变工程发展路径分“实验堆-示范堆-EASTBEST托卡马克（夸父启明）2027为中国聚变能的发展做出前瞻性和开创性贡献。核聚变技术路线众多，我们认为托卡马克有望率先实现商业化发电。核聚变本质是将原子核压缩到强相互作用力的作用范围而发生聚合从而释放能量的过程，聚合过程中会受到库仑力而相互排斥。为了克服库仑力使原子核进入强相互作用力的范围而发生聚变需满足温度、密度和约束时间三个条件。托卡马克装置通过环向场线圈、中心螺管线圈和极向场线圈构成的磁体系统在环形真空室中构造出一个闭合的螺旋形磁场，实现对高温等离子体的403的等离子体约束，因此能实现更高磁场强度的高温超导未来有望帮助托卡马克率先实现商业化发电。900第一壁当前可IAEA20254805723FIRE129044%，实验堆阶亿元。在主体结构中，磁场线圈价值量占比最高为55%，其次为第一壁部件和真空部件，价值量分别占比约27%和15%。与市场不同的观点50BESTCRAFT等项目也已处于规划中，产业化进展稳步推进，相关的投资机遇值得重视。可控核聚变蓬勃发展，BEST将展示聚变能发电政策助力叠加技术推动，全球核聚变产业加快发展。美国、中国、欧洲和日本等国家和地Helion2028年实502050年前完成聚变商用发电。此外，各国在技术DIII-D国家聚变设施完成了关键的“脉冲”测试，EAST1亿摄氏度下实现了创纪录的长时间等离子体运行。这些技术进展为未来的能源转型提供了新的可能性。随着政策的持续助力和技术创新的不断推进，我们预计全球核聚变产业的发展步伐将进一步加快。图表1：海内外核聚变战略部署，近期技术突破及未来规划资料来源：各公司官网，可控核聚变公众号，核聚变商业化公众号，双碳情报公众号，华泰研究2031-2040年可实现聚变商业化。2017年开FusionIndustryAssociation，2024Q44625家，占比一半以上。在预计可70%的受访公司认为2031-2040年能够实现商业化应用，核聚变私营公司对于可控核聚变的商业化应用预期乐观。图表2：全球聚变公司数量持续增加 图表3：超的聚变公司认为2040年前可以实现聚变能商业化1581586411141210864202025-20302031-20352036-20402041-20452046-20502050年之后资料来源：《Theglobalfusionindustryin2024》（FIA，2024），华泰研究 资料来源：《Theglobalfusionindustryin2024》（FIA，2024），华泰研究-示范堆-实现可-示范堆-ITER是世界上最大的聚变实验堆装置。在完成先导实验堆的测试和验证之后，下一步是建造示范堆（MO用于展示聚变能源技术在实际条件下的性能和可行性。最后一步是设计和建造商用堆，实现聚变能的商业化应用。目前，聚变工程仍处于实验堆阶段。年，科技部基础司组织2035CFETR2050年开始建设商业聚变示范电站。图表4：中国计划2035建成示范堆，2050年建成商用堆资料来源：《CFETR物理与工程研究进展》（高翔等，2019），华泰研究EASTBEST（夸父启明）近期密集招标，预计将于2027BEST(BurningplasmaExperimentalSuperconductingTokamak)装置为世界首个紧凑型聚变能实验装置，将首次演示聚变能发电，引领燃烧等离子物理研究，为中国聚变能的发展做出前瞻性和开创性贡献。据中国科学院等离子体物理研究所所长宋云涛，BEST2027202551BEST项目工程总装工作比原计划提前两个月开始，将首次演示聚变能发电，引领燃烧等离子物理研究，为中国聚变能的发展做出前瞻性和开创性贡献。图表5：BEST近期开始密集招标资料来源：中国招标投标公共服务平台，华泰研究21.7特斯拉磁场强70产化率高达%（托卡马克原理详见附录时也是全球首台由商业公司研发建设的超导托卡马克装置。洪荒70的中心磁场强度达到Tm64年6月8日，70放电，在全球范围内首次验证了高温超导托卡马克的工程可行性，也标志着我国在高温超导磁约束聚变这一关键技术领域取得了领先地位。2025310日，能量奇点自主研制21.7D202120.1特斯拉的纪录，标志着能量奇点在高温超导聚变磁体领域达到国际领先。图表6：全球首台高温超导托卡马克装置洪荒70资料来源：能量奇点FusionEnergy，华泰研究核聚变技术路径多元，托卡马克或将率先落地核聚变的温度、密度和约束时间反应条件需满足劳逊判据温度密度核聚变本质是将原子核压缩到强相互作用力的作用范围而发生聚合的过程，但由于原子核带正电，聚合过程中会受到库仑力而相互排斥。库仑力属于电磁力，作用距离无限，且随着距离的减小而增加；而强强相互作用力将克服库仑斥力，并将原子核束缚在一起，释放巨大能量。因此为了克服库图表7：核聚变反应需要满足温度、密度和能量约束时间三个条件资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》（王腾，2022），华泰研究核聚变反应需满足劳逊判据，氘氚反应最容易实现。温度、密度和能量约束时间三者的乘nτET5×1021m-3·s·keV，才能产生有效的聚变功率输出。在主要的聚变反应中，由于氘氚反应的聚变截面（原子核发生聚变反应的概率）和反应率（原子核发生聚变碰撞的活跃程度）大于其他聚变反应，最容易1.6nτET2.6×1021m-3·s·keV，此时三重积的反应条件在工程上最容易实现。图表8：氘氚反应的聚变截面和反应率大氘氘反应和氘氦反应 图表9：温度为1.6亿摄氏度时，氘氚反聚变三重积最小 注：D-氘、T-氚、He-氦、Li-锂、p-质子资料来源：《磁约束聚变原理与实践》（石秉仁，1999），华泰研究

资料来源：《等离子体物理与聚变能》（JeffreyFreidberg，2010），华泰研究托卡马克技术最为成熟，有望率先实现受控核聚变托卡马克是利用磁场来约束高温等离子体的环形聚变实验设备。2050（kmk（torod真空室（km、磁（mit、线圈（kska）四个词的前几个字母组成。托卡马克通过环向场线圈、中心螺管线圈和极向场线圈构成的磁体系统在环形真空室中构造出一个图表10：托卡马克工作原理示意图资料来源：IAEA，华泰研究EAST，403秒高约束模等离子体运行创造世界纪EASTT-7EAST三大科学目标：1MA等离子体电流、11000秒运行时间。EAST20101MA5281011.2亿摄氏度201.6亿摄氏度等离子体运行，202112301056秒长脉冲高参数等离子体运行，三大科学目标分别独立完成。2023412EAST403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造托卡马克装置稳态高约束模运行新的世界纪录。图表11：EAST磁体系统全部采用超导磁体资料来源：《EAST超导托卡马克》（万宝年，2015），华泰研究图表12：EAST装置主要设计指标指标名称 技术指标等离子体大半径R/m 1.8～1.9等离子体小半径a/m 0.45等离子体电流I/MA 1脉冲长度t/s 10～1000低杂波电流驱动LHCD/MW 10中性束注入NBI/MW 8离子回旋波ICRF/MW 12电子温度T/万℃ 10000环向磁场强度B/T 3.5电子密度n/m-3 1×1019～8×1019（中核集团核工业西南物理研究院，22，华泰研究托卡马克由五大主体结构组成，磁体系统是核心部件托卡马克的结构从内到外依次是包层模块-真空室-冷屏-磁体系统-冷屏-托卡马克托卡马克通过磁体系统的三组线圈产生螺旋形磁场约束等离子体。聚变反应需要在真空环境内发生，为此设置真空室，同时真空室还起到支撑结构的作用。由于真空室的材料和结构难以承受聚变反应的高温以及中子辐照，因此在真空室内侧设置包层模块实现热屏蔽和辐射屏蔽。此外，反应过程产生的杂质会影响等离子体的稳定运行，因此在装置的底部装有一圈偏滤器，用于排出杂质、氦灰。最后，在装置的最外侧装有真空杜瓦，在超导磁体和真空室、真空杜瓦之间设置冷屏，以保证装置内部部件在工作温度运行。图表13：托卡马克装置结构示意图资料来源：《磁约束核聚变能研究进展、挑战与展望》（刘永，2024），华泰研究过去托卡马克装置尺寸不断扩大，以实现更好的等离子体约束性能。定标率公式基于各种托卡马克实验数据拟合所得，衡量了等离子体约束性能。典型的定标率公式可表示为τE=0.0562I0.93B0.15n0.41P-0.69R1.39α0.58κ0.78M0.19，其中τE为能量约束时间，I为等离子体电为等离子体环大半径，α为等离子体截面半径与环半径之比，κ为等离子体截面形状拉长比，M为等离子体中粒IR。最终聚变三乘2.53.5图表14：定标率公式由托卡马克实验数据合而来 图表15：托卡马克装置越建越大 资料来源：FusionEnergy，华泰研究 注：形状大小代表装置大小资料来源：《ITERontheroadtofusionenergy》（KanameIkeda，2010），华泰研究高温超导磁体能够增强等离子体稳定性，并推动托卡马克小型化。目前主流的托卡马克装置采用的是低温超导磁体（临界温度，其稳定运行最高磁场强度在T左右，而高（qψ=BΦa/BθRqψBΦ成正比，因此高温超导磁体应用于环向场线圈，能够增强等离子体对不稳定性的抵抗能力，提高等2.53.5次方成正比。因此，高温超导磁体的应用将进一步推动托卡马克小型化，降低装置建造成本。图表16：高温超导磁体增强等离子体稳定性并推动托卡马克小型化资料来源：华泰研究900托卡马克聚变实验堆中主机价值量占比近半，主体结构中环向场线圈/面向等离子体部件/真（FIR验12（）（23%（包括极向场与环向场线圈）55%，其次为面向等离子体部件（包括第一壁、偏滤器等）和真空部件（包括真空室及内部件与真空杜瓦，分别占比约%和%。图表17：聚变实验堆中主体结构价值量占约29% 图表18：主体结构中环向场线圈价值量占约45%15%

护8%

项目支持与监督9%运营准备2%

10%

真空杜瓦1%结构3%统2%电力系统18%

主体结构29%

环向场线圈45%

面向等离子体的部件27%2%

辅助系统15%

件14%FIRECostEstimateMethodologyandSummary（BobSimmons2001），华泰研究

FIRECostEstimateMethodologyandSummary（BobSimmons2001），华泰研究900亿元。IAEA202548057台23FIRE12亿美90亿元。假设托卡马克实验堆进一步发展为示范堆，示范堆阶段全球托卡马克设备市场空间有望超24000亿元。80台托卡马克聚变实验堆进一步发展为示范堆，根据《Approximationoftheeconomyoffusionenergy85600亿元，其中主机部51%24480亿元。图表19：示范堆中主机价值量占比约51%17.4%

应急储备11.9%12.1%透平装置3.8%维修设备3.5%控制和诊断系统

反应堆系统10.2%磁体26.2%1.8%

冷却系统2.6%加热和电流驱动系统燃料处理系统

真空系统0.5%5.2%

3.5%

1.2%资料来源：《Approximationoftheeconomyoffusionenergy》（SlavomirEntler等，2018），华泰研究ITER项目采购包为例，中国公司覆盖托卡马克主机重要部件。ITER（全球最大的托卡马克项目9%ITER22ITER18磁体系统ITER150NbTi30Nb3Sn超导线，主要供应商包括西部超导、白银有色。此外，高温超导材料是未来托卡马克的发展方向，研制公司有联创光电、精达股份、永鼎股份等。第一壁气、安泰科技。偏滤器材料方面，偏滤器靶板材料为钨，热沉材料为铜铬锆合金，主要由厦门钨业和中钨高新等公司提供。真空杜瓦304/304L不锈钢材料，合锻智能、海陆重工、上海电2023BEST杜瓦项目。支持系统：ITER提供导管。图表20：中国承担ITER重要部件采购包任务资料来源：《中国ITER计划采购包进展》（罗德隆，2019），华泰研究图表21：国内托卡马克主体设备参与公司设备 参与公司磁体系统 西部超导、白银有色、联创光电、精达股份、永鼎股包层第一壁 国光电气、安泰科技偏滤器 国光电气、安泰科技、厦门钨业、中钨高新真空部件 合锻智能、海陆重工、上海电气、航天晨光支持系统 保变电气英杰电气百利电气利柏特雪人股份纽威股份弘讯科技顺钠股份新风光合康能、久立特材资料来源：各公司公告，华泰研究产业链公司磁体系统（主体成本占比55%）联创光电19992019202431.044.17%2.4127.86%。目前，公司业务涵盖智能控制器、背光源、线缆、半导体激光及航天微电子元器件四大板块，营收60.44%30.17%5.12%83.28%6.52%10.30%、-0.39%。据联创超导（联创光电子公司）公众号，采用全新技术路线的聚变堆由中国核工业集团与200Q100MWREBCO2023820244D20251月D20K2024124180万元合同，为项目后续的磁体供应完成了前期验证工作。图表22：公司分产品营收占比 图表23：联创超导YBCO制冷机直接冷超导磁体其他业务背光源及应用产品智能控制产品100%80%60%40%20%0%2020

2021

2022

2023

2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：公司官网，华泰研究精达股份19902024年公司实现223.2324.67%5.6231.72%。漆包线4年实现营收5（占%1（占.5%。公司其余产品包括汽车及电子线、特种导体、裸铜线、铜杆，营收占比分别为14.36%、4.85%、3.13%、2.13%，毛利占比5.24%、10.68%、0.95%、0.56%。18.29%二代高温超导带材以其高临界温度和优异的电流传输能力而著称，产品广泛应用于可控核聚变、超导电力和高场磁体等高科技领域。图表24：公司分产品营收占比 图表25：上海超导第二代高温超导带材100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

漆包线 汽车、电子线 特种导体裸铜线 铜杆 2020 2021 2022 2023 2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：可控核聚变公众号，华泰研究永鼎股份公司成立于1994年，以光纤光缆起家，逐步扩张电力传输业务，形成了“光电交融，协同20240.6142%30.34%28.36%25.31%26.93%27.97%、、10.61%。子公司东部超导负责高温超导带材的研发与生产，核心产品为第二代高温超导带材及超导应用产品。目前东部超导的产品主要应用在超导感应加热、超导磁拉单晶、可控核聚变磁体、超导电力装备等领域，与中科院、江西联创光电、能量奇点、核工业西南物理研究院等客户展开了密切的合作。图表26：公司分产品营收占比 图表27：东部超导第二代高温超导材料应于可控核聚变磁体部分汽车线束 光通信电力工程 铜导体大数据应用服务 光缆、电缆及通讯设备海外工程承揽 软件开发其他业务100%80%60%40%20%0%2020

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2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：东部超导公众号，华泰研究第一壁（主体成本占比27%）国光电气国光电气（原国营七七六厂）始建于1958年，专注于微波及真空应用产品与核工业配套设备。20245.3728.01%0.47亿元，同比47.93%。公司产品主要分为微波器件、核工业设备及部件和其他民用产品三大类别，4年营收占比分别为.66%%9.9%%3.2%%。ITER际ITER项目中，公司配套了多种关键设备，主要包括偏滤器、屏蔽模块热氦检漏设备、2023HL-3等托卡马克装置，公司参与研制的包层第一壁板已经完成样件制造，进入工艺的验证阶段。图表28：公司分产品营收占比 图表29：ITER包层第一壁板微波组件 核工业设备及部件 其他民用产品 其他业务100%80%60%40%20%0%2020

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2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：公司公告，华泰研究安泰科技公司成立于1998年，主营业务为先进金属新材料及制品的研发、生产和销售。目前，公司已形成特种粉末冶金材料及制品、先进功能材料及器件、高品质特钢及焊接材料、环保与高端科技服务业等四大业务板块，2024、37.01%、21.80%、2.09%44.72%、36.13%、15.25、3.90%。在核聚变领域，子公司安泰中科为核聚变装置提供包括钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料等涉钨全系列专用钨铜部件，是ITER钨铜复合部件的重要供应商。图表30：公司分产品营收占比 图表31：安泰科技钨铜复合组件、包层部第一壁相关产品特种粉末冶金材料及制品 先进功能材料及器件100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

高品质特钢及焊接材料 环保与高端科技服务业2020 2021 2022 2023 2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：公司公告，华泰研究真空部件（主体成本占比15%）合锻智能1951202420.7417.43%97%，定制色选55.52%、28.48%、12.99%。2024年上半年合锻智能成为了BEST项目主要的设备供应商之一，承担BEST项目的真空室扇区、窗口延长段以及重力支撑等制造任务。图表32：公司分产品营收占比 图表33：合锻智能承担BEST真空室零部的生产定制-色选机 定制-液压机 定制-机压机破碎机 其他业务100%80%60%40%20%0%2020

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2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：公司官网，华泰研究海陆重工24年公司实现营收9%7.8%。目前，公司业务涵盖余热锅炉及相关配套产品、压力容器、工程服务、新能源电力、核电产%.20%%3%%.4%、26.62%、2.67%、5.74%、1.82%。公司在民用核能领域累积了丰富的制造和管理经验，服务堆型有三代、四代堆以及热核聚变堆（ITER）等。在核聚变领域，公司主要负责真空冷屏、冷瓶中间段的生产。图表34：公司分产品营收占比 图表35：2024年9月12日ITER真空室第一块冷屏吊装工作完成100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

余热锅炉及相关配套产品 压力容器工程服务 新能源电力核电产品 其他主营业务2020 2021 2022 2023 2024资料来源：公司公告，Wind，华泰研究 资料来源：中国核电网，华泰研究风险提示技术进步不及预期风险：若技术进步不及预期，将进一步推迟可控核聚变实现的时间。对商业化进度产生影响。实际的误差。附录1：聚变基本原理核聚变是什么？子和中子统称为核子。随着原子序数的增大，平均核子质量先减小后增大，其中铁原子的核子平均质量最小。在核反应过程中，核子的平均质量减少，根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，释放大量能量。这种核反应分为裂变和聚变，核裂变是原子核吸收中子分裂成两个或多个原子核并释放能量的过程，现有核电站主要使用的核裂变发电；核聚变是两个原子核在极端条件下发生聚合，生成新的原子核并释放能量的过程。裂变和聚变元素以铁为分界线，原子序数大的元素（铀、钚等）裂变释放能量，原子序数小的元素（氘、氚等）聚变释放能量。图表36：铁原子的核子平均质量最小，裂变和聚变以铁为分界线资料来源：《核子平均质量曲线与比结合能曲线的比较》（司德平，2011），华泰研究图表37：铀-235重核裂变释放能量 图表38：氘氚轻核聚变释放能量资料来源：中科院物理所，华泰研究 资料来源：《我国磁约束核聚变能源的发展路径、国际合作与未来展望》（王斌等，2024），华泰研究核聚变在能量密度、清洁性、安全性和可持续性上具有优势相较于核裂变，核聚变在能量密度、清洁性、安全性和可持续性上具有显著优势，以氘氚聚变为例：亏损更大，平均每个核子释放的能量更多。氘氚聚变的能量密度大约是天然铀快中子堆的14100倍。图表39400

能量密度（mnMJ/kg）350300250200150100500氘氚聚变

天然铀快中子堆 浓缩铀轻水堆 天然铀轻水堆资料来源：《AircraftFuels》（JohnWiley，1995），华泰研究12.43年左右；而核裂变燃料属于重元素，在裂变过程中会产生锝、碘、钯、铯、锶等长寿命裂变产物和镎、镅、锔等次锕系核素，具有很强的放射性并且半衰期在几万年甚至几百万年以上。图表40：核裂变产物的半衰期在几百万年核素半衰期/年Pu-23924,000Pu-242380,000Np-2372,000,000Tc-99200,000I-12916,000,000Cs-1353,000,000Zr-931,500,000Pd-1076,500,000（李寿枬，196，华泰研究不满足，聚变反应会自动停止。而核裂变是链式反应，即使反应堆停堆，由于缓发中子的0.03g45100亿年以上。另一种燃料氚在自然界中已基本衰变消失，但可通过中10002000亿吨锂，因此地球上的锂储备足以保障人类对聚变能源的应用。图表41：氘在自然界中储量丰富资料来源：IAEA，华泰研究如何实现核聚变：温度、密度和能量约束时间温度密度核聚变本质是将原子核压缩到强相互作用力的作用范围而发生聚合的过程，但由于原子核带正电，聚合过程中会受到库仑力而相互排斥。库仑力属于电磁力，作用距离无限，且随着距离的减小而增加；而强强相互作用力将克服库仑斥力，并将原子核束缚在一起，释放巨大能量。因此为了克服库温度T（使原子核具备初始动能：为了克服库仑斥力发生聚合，原子核必须具备一定的动能。温度是微观粒子热运动的宏观表现，温度越高，原子核动能越大。以氘氚反应288KeV以上的初30200在原子核尺度上，经典力学已经不再适用，需考虑量子力学的影响。在考虑隧穿效应、波1表需撞 图表43：原子核截面的量子力学修正 注：σ为聚变反应截面，即聚变反应发生的概率资料来源：《等离子体物理与聚变能》（JeffreyFreidberg，2010），华泰研究

注：σ为聚变反应截面，即聚变反应发生的概率资料来源：《等离子体物理与聚变能》（JeffreyFreidberg，2010），华泰研究密度（增加原子核发生碰撞概率：聚变燃料在高温下会电离为由原子核和自由电子组成的等离子体。等离子体是物质的高温电离态，是一团由带电粒子组成的高温电离气体。密度衡量的是等离子体单位体积内粒子的个数，等离子体需要保持较高的密度以增加原子核发生碰撞的概率。能量约束时间τ（等离子体的能量会以辐射和热传导的形式逸出，为了使高温等离子体中核聚变反应能够持续，必须将等离子体约束在有限空间内，并长时间地维持上亿摄氏度的高温和高密度的核反应条件。图表44：核聚变反应需要满足温度、密度和能量约束时间三个条件资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》（王腾，2022），华泰研究如何实现聚变点火：温度×密度×约束时间三重积满足劳逊判据且Q>1核聚变反应需满足劳逊判据，氘氚反应最容易实现。温度、密度和能量约束时间三者的乘nτET5×1021m-3·s·keV，才能产生有效的聚变功率输出。在主要的聚变反应中，由于氘氚反应的聚变截面（原子核发生聚变反应的概率）和反应率（原子核发生聚变碰撞的活跃程度）大于其他聚变反应，最容易1.6nτET2.6×1021m-3·s·keV，此时三重积的反应条件在工程上最容易实现。图表45：氘氚反应的聚变截面和反应率大氘氘反应和氘氦反应 图表46：温度为1.6亿摄氏度时，氘氚反聚变三重积最小 注：D-氘、T-氚、He-氦、Li-锂、p-质子资料来源：《磁约束聚变原理与实践》（石秉仁，1999），华泰研究

资料来源：《等离子体物理与聚变能》（JeffreyFreidberg，2010），华泰研究Q>1Q>10。Q是聚变反应释放的能量与维持聚变反应所需要的输入能量之比。满足劳逊判据仅仅意味着达到了实现核聚变反应的基本条件，而要想持续的获得聚变能，需要核聚变反应产生的能量大于（能量增益因子QQ>10110份能量输出，才能实现聚变能的商业化应用。图表47：ITER计划目标是实现Q>10资料来源：ITER官网，华泰研究如何实现可控：引力约束、磁约束和惯性约束，引力约束无法在地球实现引力约束磁约束的约束方式对高温聚变物质进行约束，以实现稳态运行，从而获得持续的核聚变能。实现磁场和惯性实现对核燃料的约束。三种约束方式通过不同的途径满足聚变三重积要求，其中，引力约束通过高压形成高密度等离子体并维持长约束时间，从而在较低的温度下实现聚变；磁约束致力于将低密度的等离子体加热至极高温并长时间约束，以满足劳森判据；惯性约束旨在将高密度的燃料在极短的时间内发生聚变。图表48：三种约束方式以不同途径满足劳森判据约束方式如何满足劳森判据 示意图引力约束 低温、高密度、长约束时间磁约束 高温、低密度、长约束时间惯性约束 高温、高密度、短约束时间惯性约束 高温、高密度、短约束时间（王腾，22，华泰研究太阳凭借巨大质量产生万有引力形成引力约束，人类目前无法实现。引力约束是通过万有15001为地球的33万倍，巨大的质量所产生的万有引力将核燃料束缚在一起，不断向中心挤压，形成极高的密度，在高温高压的作用下，核燃料持续发生聚变反应释放能量。引力约束核聚变作为太阳能量的来源，是天然存在的热核聚变反应堆，然而由于人类无法满足在足够小体积的条件下制造出如此大质量的物体，因此以人类现阶段的技术手段尚无法在地球上制造出可以实现引力约束核聚变的反应堆。图表49：太阳通过引力约束实现聚变反应资料来源：《EAST上稳态I-mode特性及I-H转换物理机制的研究》（仲小明，2023），华泰研究附录2：磁约束技术路线多元，可实现长时间稳态运行磁约束利用洛伦兹力约束等离子体，托卡马克是主流装置。聚变燃料在高温下会被电离成等离子体，其中原子核带正电，电子带负电。磁约束就是利用原子核和电子在磁场中所受到的洛伦兹力来约束等离子体。带电粒子在均匀磁场中受到的洛伦兹力垂直于磁场方向和电荷运动方向，使得带电粒子一方面沿着磁力线做直线运动，另一方面绕着磁力线做旋转运动，最终的结果是带电粒子沿着磁力线做螺旋前进运动。磁约束按照磁力线的形状可分为线性磁约束和环形磁约束，线性磁约束以磁镜为主，环形磁约束包括托卡马克、仿星器等，其中托卡马克是磁约束聚变中的主流装置。图表50：电子在磁场中受洛伦兹力做回旋运动资料来源：《托卡马克聚变堆研究进展》（李建刚，2023），华泰研究磁镜：结构简单，但粒子损失严重带电粒子在磁场中沿磁力线朝两端运行时，可以在强磁场的位置发生反射而返回中心区。磁镜的工作原理：一方面，带电粒子沿着磁场方向运动，具有一个平行于磁场的速度；另一方面，带电粒子受洛伦兹力垂直于磁场方向做螺旋运动，具有一个垂直于磁场的速度。由于磁场不会对带电粒子做功，因此带电粒子的总动能守恒。当带电粒子运动到磁场较强的一端时，粒子垂直于磁场方向的速度分量将会变大，而平行于磁场方向的速度分量将会相应地变小，直到完全失去平行方向的速度，从而被磁场反射，朝着弱磁场方向运动。当运动到另一端，又会被反射回来，从而循环反复，实现对带电粒子的约束。图表51：磁镜两端磁场强，中间磁场弱，等离子体被来回反射资料来源：《磁镜原理及其在磁约束中的应用》（张琳，2013），华泰研究磁镜结构简单建造成本低，但存在带电粒子损失问题。磁镜的优点在于结构简单，由两个或多个线圈组成，建造成本低，易于构建和维护。其缺点在于线性磁约束存在粒子损失问题，部分纵向速度非常大的带电粒子会越过强磁场区域而损失掉。若粒子速度与磁场之间的角度定义为θ0为半顶角作一个圆锥体，即为损失锥，凡是速度方向落在损失锥内的带电粒子都会损失掉。图表52：磁镜的损失锥资料来源：《中国大百科全书》第三版网络版，华泰研究场反位形装置：等离子体约束性能好，但聚变参数远低于劳森判据（FieldReversedConfiguration,是一种轴对称紧凑环型的等离子体位形，对等离子体具有良好的约束性能。FRC等离子体内部具有闭合的磁力线，其磁场方向在等θFRC等离子体形成的主要方4步。首先在真空腔室中通入氘氚气体，外部θ线圈对气体进行周期性放电使气体完全被电离，初始磁场被冻结在等离子体内；随后θ线圈放电提供一个更强的反向磁场，使等离子体产生θ箍缩效应，向半径方向压缩；在此过程中，反向磁场向等离子体内渗透，在放电管两端反向磁力线与等离子体内冻结磁力线重新联结，形成闭合磁力线；最后由于两端磁镜的作用，进一步导致等离子体轴向收缩，最终达到平衡状态。图表53：FRC等离子体磁场位形 图表54：θ箍缩形成FRC等离子体的流程 HFRC（华泰研究

资料来源：《FRX-L:AField-ReversedConfigurationPlasmaInjectorforMagnetizedTargetFusion》（J.M.Taccetti，2003），华泰研究FRCθ箍缩+FRC等离子体形成区与压缩区的分离，从而提高等离子体参数。首先，在装置两端形成区利用θFRC（场反位形）FRC融合，等离子体的动能大部分转化为热能，提高等离子体的参数；最后，进一步加热压缩等离子体实现聚变。目前主流的FRC装置，包括HelionEnergy的Trenta装置、的C-2KMAX装置均采用这种方式。图表55：FRC装置等离子体对碰融合示意图资料来源：《HFRC装置的建设与初步调试》（刘显龙，2022），华泰研究FRC装置结构简单具有较高的等离子体比压βFRC等离子体参数与劳森判据尚存在FRCFRC具有更高的等离子体比压（等离子体热压强与磁压强之比β越高表明在一定的磁场强度下能够获得更高的FRCEnergyFRC的等FRCC-2W为例，n~1-3×1019m-3Te+Ti~5keV20keV以上，nτ1020m-3·s左右）3个数量级。图表56：C-2W的等离子体参数距离劳森判据存在较大差距参数 值外部磁场强度B/T ～0.1-0.3FRC半径r/m ～0.4-0.45FRC长度L/m ～2-3.5等离子体密度n/m^-3 ～1-3×10^19温度Te+Ti/keV 5等离子体寿命/ms 40资料来源：TAETechnology，华泰研究托卡马克：技术最为成熟，有望率先实现受控核聚变托卡马克是利用磁场来约束高温等离子体的环形聚变实验设备。2050（kmk（torod真空室（km、磁（mit、线圈（kska）四个词的前几个字母组成。托卡马克通过环向场线圈、中心螺管线圈和极向场线圈构成的磁体系统在环形真空室中构造出一个图表57：托卡马克工作原理示意图资料来源：IAEA，华泰研究T-31968T-3托卡马克1KeV0.5KeV，等离子nτ=1018s/m3，等离子体约束时间长达几毫秒，Q值为T-3普林斯顿实验室将仿星器-cST-TFR托卡马克；西德马克思-PulsatorJFT-Ⅱ托卡马克。图表58：1968年苏联T-3托卡马克首次实现能量输出资料来源：星环聚能公众号，华泰研究90Q1.25TFTRJETJT-60并TFTR1982年建成并投入运行的全球首个大型托卡3年2月9TTR使用1Q值达到；JET1991202312月，JET0.2mg5.269MJ的能量；JT-601985T-0T-U由T-08年6月5日，Q1.25。图表59：欧美日托卡马克装置技术参数设备TFTRJETJT-60大半径/m2.522.963.4小半径/m0.871.251磁场强度/T5.63.454加热功率/MW39.52540等离子电流/MA2.74.83资料来源：PPPL，华泰研究EAST，403秒高约束模等离子体运行创造世界纪EASTT-7EAST三大科学目标：1MA等离子体电流、11000秒运行时间。EAST20101MA5281011.2亿摄氏度201.6亿摄氏度等离子体运行，202112301056秒长脉冲高参数等离子体运行，三大科学目标分别独立完成。2023412EAST403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，创造托卡马克装置稳态高约束模运行新的世界纪录。图表60：EAST磁体系统全部采用超导磁体资料来源：《EAST超导托卡马克》（万宝年，2015），华泰研究图表61：EAST装置主要设计指标指标名称 技术指标等离子体大半径R/m 1.8～1.9等离子体小半径a/m 0.45等离子体电流I/MA 1脉冲长度t/s 10～1000低杂波电流驱动LHCD/MW 10中性束注入NBI/MW 8离子回旋波ICRF/MW 12电子温度T/万℃ 10000环向磁场强度B/T 3.5电子密度n/m-3 1×1019～8×1019（中核集团核工业西南物理研究院，22，华泰研究托卡马克由五大主体结构组成，磁体系统是核心部件托卡马克的结构从内到外依次是包层模块-真空室-冷屏-磁体系统-冷屏-托卡马克托卡马克通过磁体系统的三组线圈产生螺旋形磁场约束等离子体。聚变反应需要在真空环境内发生，为此设置真空室，同时真空室还起到支撑结构的作用。由于真空室的材料和结构难以承受聚变反应的高温以及中子辐照，因此在真空室内侧设置包层模块实现热屏蔽和辐射屏蔽。此外，反应过程产生的杂质会影响等离子体的稳定运行，因此在装置的底部装有一圈偏滤器，用于排出杂质、氦灰。最后，在装置的最外侧装有真空杜瓦，在超导磁体和真空室、真空杜瓦之间设置冷屏，以保证装置内部部件在工作温度运行。图表62：托卡马克装置结构示意图资料来源：《磁约束核聚变能研究进展、挑战与展望》（刘永，2024），华泰研究磁体系统磁体系统是托卡马克核心部件，主要用于产生螺旋形磁场约束等离子体。磁体系统包括环向场线圈、中心螺管（欧姆加热）线圈和极向场线圈三组线圈。磁体系统的工作流程为：①环向磁场线圈通入电流，在环形真空室内产生环向磁场；②向环形真空室中通入工作气体；③中心螺管线圈中通入变化的电流，产生变化的欧姆磁场感应产生环向电场，该电场击穿工作气体，产生若干电子和离子；④工作气体被电离为等离子体，在环向电场的驱动下形成环形等离子体电流，产生角向磁场，并与环向磁场合成为螺旋形磁场；⑤等离子体受到热压强有向外扩张的趋势，若不采取措施，等离子体将撞向真空室壁而冷却；⑥极向场线圈中通入电流产生垂直磁场，从而控制等离子体的形状和截面大小，实现磁约束。图表63：磁体系统工作流程示意图资料来源：星环聚能公众号，华泰研究环向场线圈（产生环状磁力线：在线性磁场中，洛伦兹力使得原子核和电子绕磁场做回旋运动，但洛伦兹力只能对垂直于磁力线的等离子体起到约束作用，如果等离子体平行将多个线圈围成一圈，从而形成环状磁力线，防止等离子体沿磁力线逃逸。中心螺管线圈（加热等离子体并形成螺旋形磁场：中心螺管线圈相当于变压器的初级线圈，当中心螺管中的电流变化导致磁通变化时，将在环形真空室中感应出环电压，击穿加入真空室中的工作气体产生初始等离子体。初始等离子体类似变压器次级线圈的导流载体，会产生环向电流对等离子体进行欧姆加热。同时，环向电流会形成角向磁场，与初始的环状磁场结合形成螺旋形磁场。由于在环状磁场中磁场强度存在梯度变化，内侧磁场强度大，外侧磁场强度小，从而产生一个垂直粒子运动方向的力将电子和离子分离。电子和图表64：环形磁场与角向磁场结合产生螺旋磁场资料来源：星环聚能公众号，华泰研究极向场线圈（控制等离子体截面形状和位置：极向场线圈的作用是让等离子体稳定悬浮在真空室内部，以及根据实验需要主动改变等离子体截面形状和位置。极向场线圈呈圆环形，通常布置在环向场线圈外面，当通以环向电流时，线圈中的电流可以与等离子体环向电流同向或反向从而产生相互吸引或排斥的作用力以控制等离子体形状，其电流强度和方向需要可以根据实验需求动态反馈调节。图表65：托卡马克磁体系统包括纵场线圈（TF）、中心螺管线圈（CS）和极向线圈（PF）三组线圈资料来源：《CFETR物理与工程研究进展》（高翔等，2019），华泰研究过去托卡马克装置尺寸不断扩大，以实现更好的等离子体约束性能。定标率公式基于各种托卡马克实验数据拟合所得，衡量了等离子体约束性能。典型的定标率公式可表示为τE=0.0562I0.93B0.15n0.41P-0.69R1.39α0.58κ0.78M0.19，其中τE为能量约束时间，I为等离子体电为等离子体环大半径，α为等离子体截面半径与环半径之比，κ为等离子体截面形状拉长比，M为等离子体中粒IR。最终聚变三乘2.53.5图表66：定标率公式由托卡马克实验数据合而来 图表67：托卡马克装置越建越大 资料来源：FusionEnergy，华泰研究 注：形状大小代表装置大小资料来源：《ITERontheroadtofusionenergy》（KanameIkeda，2010），华泰研究超导材料应用解决线圈发热问题，并推动托卡马克小型化。常规托卡马克装置的磁体系统采用铜导体建造线圈，由于铜本身存在电阻，而托卡马克装置中需要大电流产生磁场，会产生严重的发热问题。超导材料电阻为零，能够根本上解决电阻导致的材料发热问题，维持装置的稳态运行；并且超导磁体磁场强度大，通入相同通量的电流，所需要的超导体尺寸更小，有助于将托卡马克磁体系统做得小型紧凑，从而降低建设成本、缩短建设周期，加速装置的更新迭代。图表68：苏联T-7是世界上第一个超导托卡马克装置资料来源：星环聚能公众号，华泰研究真空室真空室为等离子体提供真空运行环境以及为辅助支持系统提供接口。真空室位于环向场线圈内部，其作用是隔绝地球大气的复杂气体环境，为聚变等离子体及其工作气体提供独立纯净的真空电磁腔室。为了满足实验要求，真空室需要在不同位置开设窗口，以便为外围的抽气系统、等离子体加料与加热系统、等离子体诊断监测系统等提供接口。图表69ITER真空室结构图资料来源：ITER官网，华泰研究D形截面设计提高等离子体比压β并平衡线圈内部张力。在早期的托卡马克设计中，真空室截面为圆形。在对圆形截面实验装置的长期研究过程中发现，D形截面具有大拉长比和大三角形变，能够提高等离子体的β值。同时，在圆形截面下，由于装置内侧空间小，线圈之间的距离更近，导致靠近装置芯部一侧的环向场线圈之间的张力明显高于装置外侧线D形线圈，内部的张力会更加均衡。因此，现代托卡马克装置设计上普遍采用非圆截面（D形。图表70：托卡马克D形截面设计资料来源：中国核电官网，华泰研究包层模块包层模块的作用是热屏蔽和辐射屏蔽。包层模块位于真空室内侧，主要作用是实现热屏蔽和辐射屏蔽，保护结构免受等离子体产生的高热和中子辐照的伤害。包层模块由一个个模块构成，每个模块可分为第一壁、屏蔽模块两个部分。第一壁是聚变装置中直接面对等离子体的部件，会长时间受到热负荷、中子辐照和等离子体辐照三重负载，因此需要第一壁ITER经考虑使用铍或钨作为目前的第一壁材料。屏蔽模块位于第一壁之后，主要提供核屏蔽以及冷却水。图表71：ITER包层模块结构图资料来源：ITER官网，华泰研究偏滤器偏滤器通过改变磁场位形从而形成等离子体边界，避免等离子体和第一壁直接接触。托卡马克中的螺旋形磁场虽然能够有效地约束等离子体，但并没有给等离子体划定边界，导致等离子体会与第一壁会发生较强的相互作用。偏滤器的作用就是将等离子体与第一壁相互作用较强的区域转移到远离中心等离子体的偏滤器腔室中。偏滤器的线圈通过产生磁场与XX（FS以内为主等离子体区，以外为刮削层（O。从主等离子体区横越出来的粒子流和热流会沿着OL区开放磁力线被输运到偏滤器腔室内，与偏滤器靶板发生作用，从而避免了与第一壁的直接接触。偏滤器可以有效排除杂质，维持聚变反应的持续性。聚变反应过程中会产生氦灰，同时中子轰击第一壁也会产生杂质，这些杂质回流到等离子体，会影响等离子体的稳定运行，甚至导致等离子体破裂。偏滤器刮削层区中的开放磁力线可以把聚变产生的氦灰以及第一壁图表72：托卡马克偏滤器磁位形示意图 图表73：偏滤器结构示意图 资料来源：《托卡马克聚变堆研究进展》（李建刚，2023），华泰研究 资料来源：可控核聚变公众号，华泰研究冷屏和外真空杜瓦冷屏和外真空杜瓦将超导磁体与高温等离子体、室温大气隔绝，保持超导磁体正常运行。超导装置从内到外存在巨大温差，其中真空室内部是高温等离子体，真空室外是需要在液氦温区运行的超导磁体，而装置外面则是室温大气。为了有效降低超导磁体热负荷，需要有保护超导磁体的隔热设施。首先使用外真空杜瓦把主机与室温大气绝热隔离，从而减少大气环境对超导磁体的影响。其次，在超导磁体与外真空杜瓦之间以及在超导磁体与内真空室之间设置冷屏，从而保证超导磁体的热负荷满足可靠运行的要求。图表74：EAST冷屏系统结构图 图表75：EAST真空外杜瓦系统结构图资料来源：《EAST超导托卡马克》（万宝年，2015），华泰研究 资料来源：《EAST超导托卡马克》（万宝年，2015），华泰研究支持系统辅助加热系统（加热等离子体：中心螺管线圈对等离子体进行欧姆加热，但随着等离子体温度的升高，等离子体中的电阻减小，导致欧姆加热的效率逐步减小。为了进一步提高等离子体的温度，需采用中性束注入和射频波加热两种辅助加热方式。中性束注入即向等离子体中注入高能量的中性燃料粒子，通过碰撞对等离子体进行加热，注入等离子体的中性燃料粒子最终会被电离，成为等离子体的一部分。射频波加热是向等离子体中发射电磁波进行加热，如果注入波的频率与等离子体中某个固有频率相同，便会产生与射频波的共振吸收，射频波的能量被等离子体吸收从而产生加热效应。射频波加热主要包括电子回（H（ICRH（D三种方式。图表76：ITER的中性光束系统结构图 图表77：ITER的离子回旋共振加热系统 资料来源：ITER官网，华泰研究 资料来源：ITER官网，华泰研究冷却水系统（冷却设备：将等离子体中产生的热量排放到环境中，并冷却辅助系统。诊断系统（诊断等离子体性能：测量等离子体的温度、密度、形状、位置等，从而控（测量等离子体的电流和能量（测量等离子体的温度和密度（探测主等离子体和偏滤器区域的等离子体等。（循环核燃料）电源系统（提供电力图表78：ITER的冷却水系统 图表79：ITER大约有50个独立的诊断系统 资料来源：ITER官网，华泰研究 资料来源：ITER官网，华泰研究高温超导磁体第一壁全钨替代提高等离子体约束性能，增殖包层推动托卡马克实现自持托卡马克当前面临的最大难题是等离子体控制，维持等离子体长时间的稳定运行而不破裂需要考虑两方面的问题：一方面是要通过强大磁场约束住等离子体，另一方面是避免面向等离子体材料产生的杂质影响等离子体稳定运行。此外，托卡马克未来要想在点火后实现自持燃烧，不仅需要维持等离子体稳定运行，还需要源源不断向堆内补充燃料。氘在自然界中储量丰富，但氚基本已经衰变消失，因此托卡马克需具备氚增殖功能以实现氚自持。高温超导+AI深度学习提高等离子体约束性能等离子体环向电流容易产生不稳定性，破裂下聚变装置可能损坏。由于托卡马克存在大环向电流，导致等离子体容易产生各种不稳定性，尤其是磁流体（MHD）不稳定性，会严重影响等离子体的约束，甚至导致等离子体破裂。等离子体破裂是指等离子体温度陡然下降并使等离子体放电，在短时间内瞬间出现淬灭的现象。在等离子体破裂期间，等离子体电流快速下降引起高的感应环电压，逃逸电子在高环电场的加速下通量和能量急剧增加，形损坏聚变装置。图表80：等离子体破裂期间电流快速下降形成逃逸电流资料来源：《等离子体破裂期间逃逸电流平台的研究》（竹锦霞等，2019），华泰研究H模实现更长的能量约束时间，是托卡马克标准运行模式。等离子体之间相互作用会产生能量输运过程，由微观不稳定产生的湍流导致的能量输运为湍流输运。在等离子体边缘处模1982ASDEXL模的基础上提高加热功率并超过一定阈值后，低约束模式（L模）会自动转变为高约束运行模式（H模HL模获得极大改善，从而能够实现更长的能量约束时间。H模已成为国际热核聚变实验堆（ITER）的标准运行模式。图表81：H模比L模具有更好的等离子体约束性能资料来源：《托卡马克高约束运行模式和磁约束受控核聚变》（董家齐，2010），华泰研究高温超导磁体能够增强等离子体稳定性，并进一步推动托卡马克小型化。目前主流的托卡（临界温度T左右，（45Tqψ=BΦa/BθR，表示磁力线绕等离子体小环一圈，其对应需要绕大环的圈数，用于衡量等离子体平衡的稳定性。由于qψ与环向磁场强度BΦ2.5次方和磁场的3.5成本。图表82：高温超导磁体增强等离子体稳定性并推动托卡马克小型化资料来源：华泰研究人工智能应用有望实现对等离子体的精确控制。通过深度强化学习，人工智能技术能够实时模拟等离子体的状态，从而精确控制和预测等离子体的不稳定性，提前干预等离子体的2022DeepMind与瑞士洛桑联邦理工学院瑞士等离子体中心联合，开发了一个人工智能深度强化学习系统，并成功实现对托卡马克内部核聚变等离子体的控制。202332024AI300图表83：DeepMind通过强化学习控制等离子体 图表84：普林斯顿通过技术提前300毫秒预测等离子体破裂资料来源：机器之心，华泰研究 资料来源：《Avoidingfusionplasmatearinginstabilitywithdeepreinforcementlearning》（JaeminSeo等，2024），华泰研究铍或将被钨全面替代，液态锂有望作为固体第一壁替代方案面向等离子体材料（PFM）是保护真空室内壁和各种内部部件免受高温等离子体直接辐照的第一道屏障，包括第一壁和偏滤器靶板。PFM直接面向高温等离子体，需经受高热负荷冲击、等离子体辐照和中子辐照三重负载，因此对材料性能要求极高。（PFM）好的热力学性能、高熔点，从而能够快速移除等离子体沉积的热量，避免温度积累熔化材料。的溅射，导致原子脱离进入等离子体，影响等离子体的约束性能。因此，PFM溅射率和低氚滞留。中子辐照：14MeV的高能中子，中子辐照一方面会导致材料内部产生大量离位原子，形成点缺陷，尤其对于重原子，离位损伤效应更为严重；另一PFM具备低原子序数和低活化。图表85：PFM需要承受热负荷、等离子体辐照和中子辐照三重负载资料来源：《磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述》（胡建生等，2020），华泰研究PFM候选材料，ITER已经确定使用铍和钨分别作为目前的第一壁和偏滤器材料。碳基材料的优点是低原子序数、热力学性能好、熔点高，因此最早被应用于第一壁和偏滤器靶板。但由于碳基材料的氚滞留高，影响等离子体密度控制，已经逐渐被其他材料所取代。铍具有低原子序数、低氚滞留的优点，是目前第一壁的主流材料。但铍的熔点低，溅射率高，一般只用于能流密度不高的等离子体第一壁。钨具有高熔点、高热导率、低热膨胀系数、低溅射率和低氚滞留，因此适用于热流冲击最大的偏滤器靶板。图表86：PFM材料物理属性铍（Be）碳（C）钨（W）原子序数4674质量9.0112.11183.84热导率（W/m·K）190200～500140熔点（K）1500>25003605热膨胀系数（10-6K-1）11.50～44.5比热容（J/kg·K）1825709134中子辐照行为脆性增加、肿胀物理和化学属性退化位错、空洞、嬗变、活化电离能（kJ/mol）1st：899.52nd：1757.11st：1086.52nd：2352.61st：7702nd：1700（胡建生等，20，华泰研究合金化处理提升钨性能，有望实现面对等离子体材料全钨替代。钨的优异性能使其被认为是未来聚变装置中最有前景的面对等离子体材料，但钨作为高原子序数材料且易活化，容易受到中子辐照产生缺陷以及铼、钽、锇等嬗变元素，引起等离子体不稳定。通过向钨中添加氧化物颗粒、碳化物颗粒和合金化元素进行合金化处理，能够有效提高钨材料的断裂韧性、热冲击以及抗中子辐照性能。ITER已经确定了一条从铍/碳/钨到铍/钨，最后变成全钨的发展路线。2023年起，ITER开始加速第一壁全钨替换的研究设计。图表87：合金化处理可以提高钨的性能合金化元素优点缺点Ti提高密度、强度和硬度高温脆性大、不利于钨的抗热冲击性能Zr提高硬度和韧性、改善钨的塑性密度降低、过量将导致性能下降Ta提高硬度和强度Re改善抗蠕变强度、再结晶性能、提高低温延展性成本高、降低热导率、辐照脆化V提高钨的相对密度和显微硬度、降低脆性、提高韧性Y 强度和密度Nb 提高强度、硬度和韧性 热导率降度（张学希，02，华泰研究流动液态锂壁可作为固体第一壁替代方案，解决固定材料寿命问题并且提高等离子体约束性能。液态金属作为第一壁具有自我更新能力、使用寿命长的优点，能够解决传统固体材料使用寿命有限的问题。液态锂作为低原子序数材料，与等离子体具有较好的兼容性，是比较理想的第一壁材料。在等离子体作用下锂通过蒸发和溅射进入等离子体边界，被迅速电离并跟随刮削层流的方向输运，形成一个不均匀分布的锂辐射层，在一定程度上隔离了高温等离子体与第一壁材料，减少了从壁材料表面释放的杂质粒子，从而提高等离子体的约束性能。图表88：液态锂能够提高等离子体约束性能资料来源：《磁约束核聚变装置等离子体与壁相互作用研究简述》（胡建生等，2020），华泰研究包层模块将升级为增殖包层以实现氚自持天然氚基本消失，而聚变堆需氚自持持续运行。目前聚变反应主要采用的是氘氚聚变，氘12.43年，在自然界已基本衰变消失，为了实现聚变堆的长时间稳态运行，在聚变堆消耗氚的同时，必须要依靠聚变堆自身增殖足够的（3年，一个典型的1000MW150kg的氚燃料。未来包层模块将升级为增殖包层，通过增殖单元产氚实现氚自持，增殖单元包括氚增殖剂和中子倍增剂：氚增殖剂可分为固体产氚剂Li4SiO4、Li2TiO3Li2ZrO3堆LiPb中锂占比高，产氚性能好，并且液态金属没有辐照损伤问题，寿命更长。增殖产生的氚不在实际情况中存在中子损耗，因此需要在增殖单元中加入铍或铅作为中子倍增剂。当一个中子与铍或铅发生反应后会产生两个中子，这两个新的中子又可以继续引发更多的中子，直到次级中子能量不足以激发新的中子，形成一种有限链式反应，从而提高氚增殖率。图表89：聚变堆氚增殖包层资料来源：《聚变能源中的氚化学与氚工艺研究进展及展望》（赵林杰等，2019），华泰研究ITER：2025年有望完成第一阶段建设，将成为世界上最大的托卡马克ITER1985年，前苏联领导人戈尔巴乔夫和美国总统里根在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、欧、日共同启动“国际热核聚变实验堆（TR”计划。TR计划的目标是要建造一个可自持燃烧的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工21ITERITER的设计参数为等离子体大半径mmTmW500MW秒，一旦建成将成为世界上最大的托卡马克装置。图表90：ITER一旦建成将成为世界上最大的托卡马克装置参数 设计值总聚变功率/MW 500(700)Q(聚变功率/加热功率) >1014MeV中子平均壁负载/(MW/m²) 0.57（0.8）重复持续燃烧时间/s >500等离子体大半径/m 6.2等离子体小半径/m 2.0等离子体电流/MA 15（17）小截面拉长比 1.7等离子体中心磁场强度/