核聚變：人類終極能源的鑰匙646mb

PAGE1PAGE1免責聲明和披露以及分析師聲明是報告的一部分，請務(wù)必一起閱讀。工業(yè)核聚變：人類終極能源的鑰匙華泰研究機械設(shè)備增持(維持)2025年5月21日│中國內(nèi)地專題研究專用設(shè)備增持(維持)研究員倪正洋全球核聚變產(chǎn)業(yè)迎來政策推動與技術(shù)進步，托卡馬克產(chǎn)業(yè)鏈有望顯著受益70%2031-2040年能實現(xiàn)EASTBEST（夸父啟明2027年建成，BEST/第一壁/真空部件等托卡馬克設(shè)備高價值量零部件有望顯著受益。70%2031-2040年可實現(xiàn)聚變商業(yè)化，BEST項目已開始總裝Helion項目計劃在202850FusionIndustryAssociation，截至4670%2031-2040年能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)SACNo.S0570522100004 nizhengyang@SFCNo.BTM566 +(86)212897研究員 李斌SACNo.S0570517050001 libin@SFCNo.BPN269 +(86)106321研究員 劉俊SACNo.S0570523110003 karlliu@SFCNo.AVM464 +(852)3658研究員 王興SACNo.S0570523070003 wangxing@SFCNo.BUC499 +(86)213847聯(lián)系人 王自SACNo.S0570123070064wangzi022582@+(86)2128972228202720255

機械設(shè)備 專用設(shè)備托卡馬克磁約束技術(shù)成熟，有望率先實現(xiàn)商業(yè)化落地核聚變本質(zhì)是將原子核壓縮到強相互作用力的作用范圍而發(fā)生聚合從而釋中心螺管線圈和極向場線圈構(gòu)成的磁體系統(tǒng)在環(huán)形真空室中構(gòu)造出一個閉EAST403秒等離子體約束，技術(shù)成900第一壁真空部件IAEA的數(shù)據(jù)，截至202548057臺正23FIRE項目的建設(shè)成本，我們預計實驗堆55%，產(chǎn)業(yè)鏈公司有聯(lián)創(chuàng)光電、永鼎股份、精達股份等；第一壁部件價值量占比約為27%，產(chǎn)業(yè)鏈公司有國光電氣、安泰科技15%險；測算與實際誤差的風險。

(%) 滬深30022111(10)(21)May-24 Sep-24 Jan-25 May-25資料來源：Wind，華泰研究證券研究報告證券研究報告工業(yè)工業(yè)PAGE10免責聲明和披露以及分析師聲明是報告的一部分，請務(wù)必一起閱讀。PAGE10免責聲明和披露以及分析師聲明是報告的一部分，請務(wù)必一起閱讀。正文目錄核心觀點 6可控核聚變蓬勃發(fā)展，BEST將展示聚變能發(fā)電 7核聚變技術(shù)路徑多元，托卡馬克或?qū)⒙氏嚷涞?10核聚變的溫度、密度和約束時間反應(yīng)條件需滿足勞遜判據(jù) 10托卡馬克技術(shù)最為成熟，有望率先實現(xiàn)受控核聚變 托卡馬克由五大主體結(jié)構(gòu)組成，磁體系統(tǒng)是核心部件 12托卡馬克設(shè)備市場空間超900億元，中國具備主體設(shè)備制造能力 14產(chǎn)業(yè)鏈公司 17磁體系統(tǒng)（主體成本占比55%） 17第一壁（主體成本占比27%） 19真空部件（主體成本占比15%） 20風險提示 21附錄1：聚變基本原理 22核聚變是什么？ 22核聚變在能量密度、清潔性、安全性和可持續(xù)性上具有優(yōu)勢 23如何實現(xiàn)核聚變：溫度、密度和能量約束時間 24如何實現(xiàn)聚變點火：溫度密度×約束時間三重積滿足勞遜判據(jù)且Q>1 25如何實現(xiàn)可控：引力約束、磁約束和慣性約束，引力約束無法在地球?qū)崿F(xiàn) 26附錄2：磁約束技術(shù)路線多元，可實現(xiàn)長時間穩(wěn)態(tài)運行 28磁鏡：結(jié)構(gòu)簡單，但粒子損失嚴重 28場反位形裝置：等離子體約束性能好，但聚變參數(shù)遠低于勞森判據(jù) 29托卡馬克：技術(shù)最為成熟，有望率先實現(xiàn)受控核聚變 30托卡馬克由五大主體結(jié)構(gòu)組成，磁體系統(tǒng)是核心部件 33高溫超導磁體/第一壁全鎢替代提高等離子體約束性能，增殖包層推動托卡馬克實現(xiàn)自持 40ITER：2025年有望完成第一階段建設(shè)，將成為世界上最大的托卡馬克 45仿星器：運行穩(wěn)定，但結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜 47仿星器線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣，從“8”字形線圈發(fā)展到模塊化線圈 47國外仿星器研究處于領(lǐng)先地位，中國實現(xiàn)0到1突破 49仿星器理論約束能力更強，設(shè)計復雜性是發(fā)展限制因素 50附錄3：慣性約束已實現(xiàn)聚變點火，但能量轉(zhuǎn)換效率低 51間接驅(qū)動是激光慣性約束主流方式，但“激光-X射線”能量轉(zhuǎn)換率低 51三種點火方式，中心點火是主流路線 53美國NIF已實現(xiàn)聚變點火，中國神光Ⅲ性能位于世界前列 54激光慣性約束聚變時間短能量轉(zhuǎn)換效率低，不適用于核電站 56附錄4：磁慣性約束結(jié)合磁約束與慣性約束，需進一步驗證 57Z箍縮聚變：磁場驅(qū)動內(nèi)爆，能量轉(zhuǎn)換效率高達15%， 57黑腔輻射間接驅(qū)動：輻照對稱性高，中國方案改進結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高性能 57磁化套筒慣性聚變：采用直接驅(qū)動，熱傳導損失小/能量利用率高 59磁化靶：原理簡單，有待進一步驗證 60附錄5：技術(shù)路線總結(jié) 61圖表目錄圖表1：海內(nèi)外核聚變戰(zhàn)略部署，近期技術(shù)突破及未來規(guī)劃 7圖表2：全球聚變公司數(shù)量持續(xù)增加 7圖表3：超70%的聚變公司認為2040年前可以實現(xiàn)聚變能商業(yè)化 7圖表4：中國計劃2035建成示范堆，2050年建成商用堆 8圖表5：BEST近期開始密集招標 9圖表6：全球首臺高溫超導托卡馬克裝置洪荒70 9圖表7：核聚變反應(yīng)需要滿足溫度、密度和能量約束時間三個條件 10圖表8：氘氚反應(yīng)的聚變截面和反應(yīng)率大于氘氘反應(yīng)和氘氦反應(yīng) 10圖表9：溫度為1.6億攝氏度時，氘氚反應(yīng)聚變?nèi)胤e最小 10圖表10：托卡馬克工作原理示意圖 圖表EAST磁體系統(tǒng)全部采用超導磁體 圖表12：EAST裝置主要設(shè)計指標 12圖表13：托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)示意圖 12圖表14：定標率公式由托卡馬克實驗數(shù)據(jù)擬合而來 13圖表15：托卡馬克裝置越建越大 13圖表16：高溫超導磁體增強等離子體穩(wěn)定性并推動托卡馬克小型化 13圖表17：聚變實驗堆中主體結(jié)構(gòu)價值量占比約29% 14圖表18：主體結(jié)構(gòu)中環(huán)向場線圈價值量占比約45% 14圖表19：示范堆中主機價值量占比約51% 15圖表20：中國承擔ITER重要部件采購包任務(wù) 16圖表21：國內(nèi)托卡馬克主體設(shè)備參與公司 16圖表22：公司分產(chǎn)品營收占比 17圖表23：聯(lián)創(chuàng)超導YBCO制冷機直接冷卻超導磁體 17圖表24：公司分產(chǎn)品營收占比 18圖表25：上海超導第二代高溫超導帶材 18圖表26：公司分產(chǎn)品營收占比 18圖表27：東部超導第二代高溫超導材料應(yīng)用于可控核聚變磁體部分 18圖表28：公司分產(chǎn)品營收占比 19圖表29：ITER包層第一壁板 19圖表30：公司分產(chǎn)品營收占比 19圖表31：安泰科技鎢銅復合組件、包層部件第一壁相關(guān)產(chǎn)品 19圖表32：公司分產(chǎn)品營收占比 20圖表33：合鍛智能承擔BEST真空室零部件的生產(chǎn) 20圖表34：公司分產(chǎn)品營收占比 20圖表35：2024年9月12日ITER真空室第一塊冷屏吊裝工作完成 20圖表36：鐵原子的核子平均質(zhì)量最小，裂變和聚變以鐵為分界線 22圖表37：鈾-235重核裂變釋放能量 22圖表38：氘氚輕核聚變釋放能量 22圖表39：核聚變的能量密度遠高于核裂變 23圖表40：核裂變產(chǎn)物的半衰期在幾百萬年 23圖表41：氘在自然界中儲量豐富 24表42：需288KeV撞 24圖表43：原子核截面的量子力學修正 24圖表44：核聚變反應(yīng)需要滿足溫度、密度和能量約束時間三個條件 25圖表45：氘氚反應(yīng)的聚變截面和反應(yīng)率大于氘氘反應(yīng)和氘氦反應(yīng) 25圖表46：溫度為1.6億攝氏度時，氘氚反應(yīng)聚變?nèi)胤e最小 25圖表47：ITER計劃目標是實現(xiàn)Q>10 26圖表48：三種約束方式以不同途徑滿足勞森判據(jù) 26圖表49：太陽通過引力約束實現(xiàn)聚變反應(yīng) 27圖表50：電子在磁場中受洛倫茲力做回旋運動 28圖表51：磁鏡兩端磁場強，中間磁場弱，等離子體被來回反射 28圖表52：磁鏡的損失錐 29圖表53：FRC等離子體磁場位形 29圖表54：θ箍縮形成FRC等離子體的流程 29圖表55：FRC裝置等離子體對碰融合示意圖 30圖表56：C-2W的等離子體參數(shù)距離勞森判據(jù)存在較大差距 30圖表57：托卡馬克工作原理示意圖 31圖表58：1968年蘇聯(lián)T-3托卡馬克首次實現(xiàn)能量輸出 31圖表59：歐美日托卡馬克裝置技術(shù)參數(shù) 32圖表60：EAST磁體系統(tǒng)全部采用超導磁體 32圖表61：EAST裝置主要設(shè)計指標 32圖表62：托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)示意圖 33圖表63：磁體系統(tǒng)工作流程示意圖 34圖表64：環(huán)形磁場與角向磁場結(jié)合產(chǎn)生螺旋磁場 34圖表：托卡馬克磁體系統(tǒng)包括縱場線圈（T、中心螺管線圈（C）和極向線圈（F）三組線圈 圖表66：定標率公式由托卡馬克實驗數(shù)據(jù)擬合而來 35圖表67：托卡馬克裝置越建越大 35圖表68：蘇聯(lián)T-7是世界上第一個超導托卡馬克裝置 36圖表69：ITER真空室結(jié)構(gòu)圖 36圖表70：托卡馬克D形截面設(shè)計 37圖表71：ITER包層模塊結(jié)構(gòu)圖 38圖表72：托卡馬克偏濾器磁位形示意圖 39圖表73：偏濾器結(jié)構(gòu)示意圖 39圖表74：EAST冷屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 39圖表75：EAST真空外杜瓦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 39圖表76：ITER的中性光束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 40圖表77：ITER的離子回旋共振加熱系統(tǒng) 40圖表78：ITER的冷卻水系統(tǒng) 40圖表79：ITER大約有50個獨立的診斷系統(tǒng) 40圖表80：等離子體破裂期間電流快速下降形成逃逸電流 41圖表81：H模比L模具有更好的等離子體約束性能 41圖表82：高溫超導磁體增強等離子體穩(wěn)定性并推動托卡馬克小型化 42圖表83：DeepMind通過強化學習控制等離子體 42圖表84：普林斯頓通過AI技術(shù)提前300毫秒預測等離子體破裂 42圖表85：PFM需要承受熱負荷、等離子體輻照和中子輻照三重負載 43圖表86：PFM材料物理屬性 43圖表87：合金化處理可以提高鎢的性能 44圖表88：液態(tài)鋰能夠提高等離子體約束性能 44圖表89：聚變堆氚增殖包層 45圖表90：ITER一旦建成將成為世界上最大的托卡馬克裝置 45圖表91：ITER將于2025年建設(shè)完成 46圖表92：ITER的三階段科學目標和三個工程目標 46圖表93：仿星器采用復雜的外部線圈產(chǎn)生螺旋狀磁場 47圖表94：“8”字形仿星器磁場中帶電粒子的漂移 47圖表95：W7-A仿星器由環(huán)向磁場線圈和螺旋磁場線圈組成 48圖表96：仿星器磁場線圈可以由模塊化線圈組合而成 48圖表97：W7-X采用模塊化線圈 48圖表98：Wendelstein7-X的重要里程碑 49圖表99：日本LHD結(jié)構(gòu)圖 49圖表100：HSX的磁場呈準螺旋對稱性 49圖表101：CFQS裝置示意圖 50圖表102：CFQS磁場呈準環(huán)對稱性 50圖表103：模塊化線圈會產(chǎn)生多個局部磁鏡 50圖表104：氫彈爆炸原理 51圖表105：激光慣性約束四階段 52圖表106：直接驅(qū)動的激光束直接輻照靶丸 52圖表107：間接驅(qū)動通過激光束反射產(chǎn)生的X射線輻照靶丸 53圖表108：中心點火靶丸由燒蝕層、DT冰層和DT飽和蒸氣層三層結(jié)構(gòu)組成 53圖表109：快點火的壓縮和點火兩個過程分開 54圖表體點火靶丸采用同心雙殼層結(jié)構(gòu) 54圖表NIF裝置布局示意圖 55圖表NIF最高輸出3.88MJ的聚變能量 55圖表神光-Ⅲ與NIF性能對比 55圖表激光慣性約束能量轉(zhuǎn)換效率低 56圖表磁驅(qū)動柱形Z箍縮內(nèi)爆基本原理 57圖表雙Z箍縮黑腔構(gòu)型示意圖 58圖表動態(tài)黑腔構(gòu)型示意圖 58圖表局部整體點火方案結(jié)構(gòu)示意圖 59圖表局部整體點火靶丸采用5層結(jié)構(gòu)設(shè)計 59圖表120：磁化套筒慣性聚變?nèi)齻€過程示意圖 59圖表121：通用聚變公司第一代磁化靶方案工作流程 60圖表122：通用聚變公司第二代磁化靶方案采用圓柱形結(jié)構(gòu) 60圖表123：核聚變技術(shù)路線 61核心觀點BEST20252031-2040BEST聚變項目將首次演示聚變能發(fā)電。美國、中國、歐洲和日本等國家和地區(qū)在核聚變領(lǐng)域均Helion202850兆瓦的聚變發(fā)2050FusionIndustryAssociation2024Q44670%的受訪公司認2031-2040年能夠?qū)崿F(xiàn)聚變商業(yè)化應(yīng)用，預期樂觀。我國聚變工程發(fā)展路徑分“實驗堆-示范堆-EASTBEST托卡馬克（夸父啟明）2027為中國聚變能的發(fā)展做出前瞻性和開創(chuàng)性貢獻。核聚變技術(shù)路線眾多，我們認為托卡馬克有望率先實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電。核聚變本質(zhì)是將原子核壓縮到強相互作用力的作用范圍而發(fā)生聚合從而釋放能量的過程，聚合過程中會受到庫侖力而相互排斥。為了克服庫侖力使原子核進入強相互作用力的范圍而發(fā)生聚變需滿足溫度、密度和約束時間三個條件。托卡馬克裝置通過環(huán)向場線圈、中心螺管線圈和極向場線圈構(gòu)成的磁體系統(tǒng)在環(huán)形真空室中構(gòu)造出一個閉合的螺旋形磁場，實現(xiàn)對高溫等離子體的403的等離子體約束，因此能實現(xiàn)更高磁場強度的高溫超導未來有望幫助托卡馬克率先實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電。900第一壁當前可IAEA20254805723FIRE129044%，實驗堆階億元。在主體結(jié)構(gòu)中，磁場線圈價值量占比最高為55%，其次為第一壁部件和真空部件，價值量分別占比約27%和15%。與市場不同的觀點50BESTCRAFT等項目也已處于規(guī)劃中，產(chǎn)業(yè)化進展穩(wěn)步推進，相關(guān)的投資機遇值得重視。可控核聚變蓬勃發(fā)展，BEST將展示聚變能發(fā)電政策助力疊加技術(shù)推動，全球核聚變產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。美國、中國、歐洲和日本等國家和地Helion2028年實502050年前完成聚變商用發(fā)電。此外，各國在技術(shù)DIII-D國家聚變設(shè)施完成了關(guān)鍵的“脈沖”測試，EAST1億攝氏度下實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的長時間等離子體運行。這些技術(shù)進展為未來的能源轉(zhuǎn)型提供了新的可能性。隨著政策的持續(xù)助力和技術(shù)創(chuàng)新的不斷推進，我們預計全球核聚變產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐將進一步加快。圖表1：海內(nèi)外核聚變戰(zhàn)略部署，近期技術(shù)突破及未來規(guī)劃資料來源：各公司官網(wǎng)，可控核聚變公眾號，核聚變商業(yè)化公眾號，雙碳情報公眾號，華泰研究2031-2040年可實現(xiàn)聚變商業(yè)化。2017年開FusionIndustryAssociation，2024Q44625家，占比一半以上。在預計可70%的受訪公司認為2031-2040年能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，核聚變私營公司對于可控核聚變的商業(yè)化應(yīng)用預期樂觀。圖表2：全球聚變公司數(shù)量持續(xù)增加 圖表3：超的聚變公司認為2040年前可以實現(xiàn)聚變能商業(yè)化1581586411141210864202025-20302031-20352036-20402041-20452046-20502050年之后資料來源：《Theglobalfusionindustryin2024》（FIA，2024），華泰研究 資料來源：《Theglobalfusionindustryin2024》（FIA，2024），華泰研究-示范堆-實現(xiàn)可-示范堆-ITER是世界上最大的聚變實驗堆裝置。在完成先導實驗堆的測試和驗證之后，下一步是建造示范堆（MO用于展示聚變能源技術(shù)在實際條件下的性能和可行性。最后一步是設(shè)計和建造商用堆，實現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用。目前，聚變工程仍處于實驗堆階段。年，科技部基礎(chǔ)司組織2035CFETR2050年開始建設(shè)商業(yè)聚變示范電站。圖表4：中國計劃2035建成示范堆，2050年建成商用堆資料來源：《CFETR物理與工程研究進展》（高翔等，2019），華泰研究EASTBEST（夸父啟明）近期密集招標，預計將于2027BEST(BurningplasmaExperimentalSuperconductingTokamak)裝置為世界首個緊湊型聚變能實驗裝置，將首次演示聚變能發(fā)電，引領(lǐng)燃燒等離子物理研究，為中國聚變能的發(fā)展做出前瞻性和開創(chuàng)性貢獻。據(jù)中國科學院等離子體物理研究所所長宋云濤，BEST2027202551BEST項目工程總裝工作比原計劃提前兩個月開始，將首次演示聚變能發(fā)電，引領(lǐng)燃燒等離子物理研究，為中國聚變能的發(fā)展做出前瞻性和開創(chuàng)性貢獻。圖表5：BEST近期開始密集招標資料來源：中國招標投標公共服務(wù)平臺，華泰研究21.7特斯拉磁場強70產(chǎn)化率高達%（托卡馬克原理詳見附錄時也是全球首臺由商業(yè)公司研發(fā)建設(shè)的超導托卡馬克裝置。洪荒70的中心磁場強度達到Tm64年6月8日，70放電，在全球范圍內(nèi)首次驗證了高溫超導托卡馬克的工程可行性，也標志著我國在高溫超導磁約束聚變這一關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了領(lǐng)先地位。2025310日，能量奇點自主研制21.7D202120.1特斯拉的紀錄，標志著能量奇點在高溫超導聚變磁體領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先。圖表6：全球首臺高溫超導托卡馬克裝置洪荒70資料來源：能量奇點FusionEnergy，華泰研究核聚變技術(shù)路徑多元，托卡馬克或?qū)⒙氏嚷涞睾司圩兊臏囟取⒚芏群图s束時間反應(yīng)條件需滿足勞遜判據(jù)溫度密度核聚變本質(zhì)是將原子核壓縮到強相互作用力的作用范圍而發(fā)生聚合的過程，但由于原子核帶正電，聚合過程中會受到庫侖力而相互排斥。庫侖力屬于電磁力，作用距離無限，且隨著距離的減小而增加；而強強相互作用力將克服庫侖斥力，并將原子核束縛在一起，釋放巨大能量。因此為了克服庫圖表7：核聚變反應(yīng)需要滿足溫度、密度和能量約束時間三個條件資料來源：《超導磁體技術(shù)與磁約束核聚變》（王騰，2022），華泰研究核聚變反應(yīng)需滿足勞遜判據(jù)，氘氚反應(yīng)最容易實現(xiàn)。溫度、密度和能量約束時間三者的乘nτET5×1021m-3·s·keV，才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。在主要的聚變反應(yīng)中，由于氘氚反應(yīng)的聚變截面（原子核發(fā)生聚變反應(yīng)的概率）和反應(yīng)率（原子核發(fā)生聚變碰撞的活躍程度）大于其他聚變反應(yīng)，最容易1.6nτET2.6×1021m-3·s·keV，此時三重積的反應(yīng)條件在工程上最容易實現(xiàn)。圖表8：氘氚反應(yīng)的聚變截面和反應(yīng)率大氘氘反應(yīng)和氘氦反應(yīng) 圖表9：溫度為1.6億攝氏度時，氘氚反聚變?nèi)胤e最小 注：D-氘、T-氚、He-氦、Li-鋰、p-質(zhì)子資料來源：《磁約束聚變原理與實踐》（石秉仁，1999），華泰研究

資料來源：《等離子體物理與聚變能》（JeffreyFreidberg，2010），華泰研究托卡馬克技術(shù)最為成熟，有望率先實現(xiàn)受控核聚變托卡馬克是利用磁場來約束高溫等離子體的環(huán)形聚變實驗設(shè)備。2050（kmk（torod真空室（km、磁（mit、線圈（kska）四個詞的前幾個字母組成。托卡馬克通過環(huán)向場線圈、中心螺管線圈和極向場線圈構(gòu)成的磁體系統(tǒng)在環(huán)形真空室中構(gòu)造出一個圖表10：托卡馬克工作原理示意圖資料來源：IAEA，華泰研究EAST，403秒高約束模等離子體運行創(chuàng)造世界紀EASTT-7EAST三大科學目標：1MA等離子體電流、11000秒運行時間。EAST20101MA5281011.2億攝氏度201.6億攝氏度等離子體運行，202112301056秒長脈沖高參數(shù)等離子體運行，三大科學目標分別獨立完成。2023412EAST403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，創(chuàng)造托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)高約束模運行新的世界紀錄。圖表11：EAST磁體系統(tǒng)全部采用超導磁體資料來源：《EAST超導托卡馬克》（萬寶年，2015），華泰研究圖表12：EAST裝置主要設(shè)計指標指標名稱 技術(shù)指標等離子體大半徑R/m 1.8～1.9等離子體小半徑a/m 0.45等離子體電流I/MA 1脈沖長度t/s 10～1000低雜波電流驅(qū)動LHCD/MW 10中性束注入NBI/MW 8離子回旋波ICRF/MW 12電子溫度T/萬℃ 10000環(huán)向磁場強度B/T 3.5電子密度n/m-3 1×1019～8×1019（中核集團核工業(yè)西南物理研究院，22，華泰研究托卡馬克由五大主體結(jié)構(gòu)組成，磁體系統(tǒng)是核心部件托卡馬克的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次是包層模塊-真空室-冷屏-磁體系統(tǒng)-冷屏-托卡馬克托卡馬克通過磁體系統(tǒng)的三組線圈產(chǎn)生螺旋形磁場約束等離子體。聚變反應(yīng)需要在真空環(huán)境內(nèi)發(fā)生，為此設(shè)置真空室，同時真空室還起到支撐結(jié)構(gòu)的作用。由于真空室的材料和結(jié)構(gòu)難以承受聚變反應(yīng)的高溫以及中子輻照，因此在真空室內(nèi)側(cè)設(shè)置包層模塊實現(xiàn)熱屏蔽和輻射屏蔽。此外，反應(yīng)過程產(chǎn)生的雜質(zhì)會影響等離子體的穩(wěn)定運行，因此在裝置的底部裝有一圈偏濾器，用于排出雜質(zhì)、氦灰。最后，在裝置的最外側(cè)裝有真空杜瓦，在超導磁體和真空室、真空杜瓦之間設(shè)置冷屏，以保證裝置內(nèi)部部件在工作溫度運行。圖表13：托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)示意圖資料來源：《磁約束核聚變能研究進展、挑戰(zhàn)與展望》（劉永，2024），華泰研究過去托卡馬克裝置尺寸不斷擴大，以實現(xiàn)更好的等離子體約束性能。定標率公式基于各種托卡馬克實驗數(shù)據(jù)擬合所得，衡量了等離子體約束性能。典型的定標率公式可表示為τE=0.0562I0.93B0.15n0.41P-0.69R1.39α0.58κ0.78M0.19，其中τE為能量約束時間，I為等離子體電為等離子體環(huán)大半徑，α為等離子體截面半徑與環(huán)半徑之比，κ為等離子體截面形狀拉長比，M為等離子體中粒IR。最終聚變?nèi)?.53.5圖表14：定標率公式由托卡馬克實驗數(shù)據(jù)合而來 圖表15：托卡馬克裝置越建越大 資料來源：FusionEnergy，華泰研究 注：形狀大小代表裝置大小資料來源：《ITERontheroadtofusionenergy》（KanameIkeda，2010），華泰研究高溫超導磁體能夠增強等離子體穩(wěn)定性，并推動托卡馬克小型化。目前主流的托卡馬克裝置采用的是低溫超導磁體（臨界溫度，其穩(wěn)定運行最高磁場強度在T左右，而高（qψ=BΦa/BθRqψBΦ成正比，因此高溫超導磁體應(yīng)用于環(huán)向場線圈，能夠增強等離子體對不穩(wěn)定性的抵抗能力，提高等2.53.5次方成正比。因此，高溫超導磁體的應(yīng)用將進一步推動托卡馬克小型化，降低裝置建造成本。圖表16：高溫超導磁體增強等離子體穩(wěn)定性并推動托卡馬克小型化資料來源：華泰研究900托卡馬克聚變實驗堆中主機價值量占比近半，主體結(jié)構(gòu)中環(huán)向場線圈/面向等離子體部件/真（FIR驗12（）（23%（包括極向場與環(huán)向場線圈）55%，其次為面向等離子體部件（包括第一壁、偏濾器等）和真空部件（包括真空室及內(nèi)部件與真空杜瓦，分別占比約%和%。圖表17：聚變實驗堆中主體結(jié)構(gòu)價值量占約29% 圖表18：主體結(jié)構(gòu)中環(huán)向場線圈價值量占約45%15%

護8%

項目支持與監(jiān)督9%運營準備2%

10%

真空杜瓦1%結(jié)構(gòu)3%統(tǒng)2%電力系統(tǒng)18%

主體結(jié)構(gòu)29%

環(huán)向場線圈45%

面向等離子體的部件27%2%

輔助系統(tǒng)15%

件14%FIRECostEstimateMethodologyandSummary（BobSimmons2001），華泰研究

FIRECostEstimateMethodologyandSummary（BobSimmons2001），華泰研究900億元。IAEA202548057臺23FIRE12億美90億元。假設(shè)托卡馬克實驗堆進一步發(fā)展為示范堆，示范堆階段全球托卡馬克設(shè)備市場空間有望超24000億元。80臺托卡馬克聚變實驗堆進一步發(fā)展為示范堆，根據(jù)《Approximationoftheeconomyoffusionenergy85600億元，其中主機部51%24480億元。圖表19：示范堆中主機價值量占比約51%17.4%

應(yīng)急儲備11.9%12.1%透平裝置3.8%維修設(shè)備3.5%控制和診斷系統(tǒng)

反應(yīng)堆系統(tǒng)10.2%磁體26.2%1.8%

冷卻系統(tǒng)2.6%加熱和電流驅(qū)動系統(tǒng)燃料處理系統(tǒng)

真空系統(tǒng)0.5%5.2%

3.5%

1.2%資料來源：《Approximationoftheeconomyoffusionenergy》（SlavomirEntler等，2018），華泰研究ITER項目采購包為例，中國公司覆蓋托卡馬克主機重要部件。ITER（全球最大的托卡馬克項目9%ITER22ITER18磁體系統(tǒng)ITER150NbTi30Nb3Sn超導線，主要供應(yīng)商包括西部超導、白銀有色。此外，高溫超導材料是未來托卡馬克的發(fā)展方向，研制公司有聯(lián)創(chuàng)光電、精達股份、永鼎股份等。第一壁氣、安泰科技。偏濾器材料方面，偏濾器靶板材料為鎢，熱沉材料為銅鉻鋯合金，主要由廈門鎢業(yè)和中鎢高新等公司提供。真空杜瓦304/304L不銹鋼材料，合鍛智能、海陸重工、上海電2023BEST杜瓦項目。支持系統(tǒng)：ITER提供導管。圖表20：中國承擔ITER重要部件采購包任務(wù)資料來源：《中國ITER計劃采購包進展》（羅德隆，2019），華泰研究圖表21：國內(nèi)托卡馬克主體設(shè)備參與公司設(shè)備 參與公司磁體系統(tǒng) 西部超導、白銀有色、聯(lián)創(chuàng)光電、精達股份、永鼎股包層第一壁 國光電氣、安泰科技偏濾器 國光電氣、安泰科技、廈門鎢業(yè)、中鎢高新真空部件 合鍛智能、海陸重工、上海電氣、航天晨光支持系統(tǒng) 保變電氣英杰電氣百利電氣利柏特雪人股份紐威股份弘訊科技順鈉股份新風光合康能、久立特材資料來源：各公司公告，華泰研究產(chǎn)業(yè)鏈公司磁體系統(tǒng)（主體成本占比55%）聯(lián)創(chuàng)光電19992019202431.044.17%2.4127.86%。目前，公司業(yè)務(wù)涵蓋智能控制器、背光源、線纜、半導體激光及航天微電子元器件四大板塊，營收60.44%30.17%5.12%83.28%6.52%10.30%、-0.39%。據(jù)聯(lián)創(chuàng)超導（聯(lián)創(chuàng)光電子公司）公眾號，采用全新技術(shù)路線的聚變堆由中國核工業(yè)集團與200Q100MWREBCO2023820244D20251月D20K2024124180萬元合同，為項目后續(xù)的磁體供應(yīng)完成了前期驗證工作。圖表22：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表23：聯(lián)創(chuàng)超導YBCO制冷機直接冷超導磁體其他業(yè)務(wù)背光源及應(yīng)用產(chǎn)品智能控制產(chǎn)品100%80%60%40%20%0%2020

2021

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2023

2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：公司官網(wǎng)，華泰研究精達股份19902024年公司實現(xiàn)223.2324.67%5.6231.72%。漆包線4年實現(xiàn)營收5（占%1（占.5%。公司其余產(chǎn)品包括汽車及電子線、特種導體、裸銅線、銅桿，營收占比分別為14.36%、4.85%、3.13%、2.13%，毛利占比5.24%、10.68%、0.95%、0.56%。18.29%二代高溫超導帶材以其高臨界溫度和優(yōu)異的電流傳輸能力而著稱，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于可控核聚變、超導電力和高場磁體等高科技領(lǐng)域。圖表24：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表25：上海超導第二代高溫超導帶材100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

漆包線 汽車、電子線 特種導體裸銅線 銅桿 2020 2021 2022 2023 2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：可控核聚變公眾號，華泰研究永鼎股份公司成立于1994年，以光纖光纜起家，逐步擴張電力傳輸業(yè)務(wù)，形成了“光電交融，協(xié)同20240.6142%30.34%28.36%25.31%26.93%27.97%、、10.61%。子公司東部超導負責高溫超導帶材的研發(fā)與生產(chǎn)，核心產(chǎn)品為第二代高溫超導帶材及超導應(yīng)用產(chǎn)品。目前東部超導的產(chǎn)品主要應(yīng)用在超導感應(yīng)加熱、超導磁拉單晶、可控核聚變磁體、超導電力裝備等領(lǐng)域，與中科院、江西聯(lián)創(chuàng)光電、能量奇點、核工業(yè)西南物理研究院等客戶展開了密切的合作。圖表26：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表27：東部超導第二代高溫超導材料應(yīng)于可控核聚變磁體部分汽車線束 光通信電力工程 銅導體大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù) 光纜、電纜及通訊設(shè)備海外工程承攬 軟件開發(fā)其他業(yè)務(wù)100%80%60%40%20%0%2020

2021

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2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：東部超導公眾號，華泰研究第一壁（主體成本占比27%）國光電氣國光電氣（原國營七七六廠）始建于1958年，專注于微波及真空應(yīng)用產(chǎn)品與核工業(yè)配套設(shè)備。20245.3728.01%0.47億元，同比47.93%。公司產(chǎn)品主要分為微波器件、核工業(yè)設(shè)備及部件和其他民用產(chǎn)品三大類別，4年營收占比分別為.66%%9.9%%3.2%%。ITER際ITER項目中，公司配套了多種關(guān)鍵設(shè)備，主要包括偏濾器、屏蔽模塊熱氦檢漏設(shè)備、2023HL-3等托卡馬克裝置，公司參與研制的包層第一壁板已經(jīng)完成樣件制造，進入工藝的驗證階段。圖表28：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表29：ITER包層第一壁板微波組件 核工業(yè)設(shè)備及部件 其他民用產(chǎn)品 其他業(yè)務(wù)100%80%60%40%20%0%2020

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2023

2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：公司公告，華泰研究安泰科技公司成立于1998年，主營業(yè)務(wù)為先進金屬新材料及制品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。目前，公司已形成特種粉末冶金材料及制品、先進功能材料及器件、高品質(zhì)特鋼及焊接材料、環(huán)保與高端科技服務(wù)業(yè)等四大業(yè)務(wù)板塊，2024、37.01%、21.80%、2.09%44.72%、36.13%、15.25、3.90%。在核聚變領(lǐng)域，子公司安泰中科為核聚變裝置提供包括鎢銅偏濾器、鎢銅限制器、包層第一壁、鎢硼中子屏蔽材料等涉鎢全系列專用鎢銅部件，是ITER鎢銅復合部件的重要供應(yīng)商。圖表30：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表31：安泰科技鎢銅復合組件、包層部第一壁相關(guān)產(chǎn)品特種粉末冶金材料及制品 先進功能材料及器件100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

高品質(zhì)特鋼及焊接材料 環(huán)保與高端科技服務(wù)業(yè)2020 2021 2022 2023 2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：公司公告，華泰研究真空部件（主體成本占比15%）合鍛智能1951202420.7417.43%97%，定制色選55.52%、28.48%、12.99%。2024年上半年合鍛智能成為了BEST項目主要的設(shè)備供應(yīng)商之一，承擔BEST項目的真空室扇區(qū)、窗口延長段以及重力支撐等制造任務(wù)。圖表32：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表33：合鍛智能承擔BEST真空室零部的生產(chǎn)定制-色選機 定制-液壓機 定制-機壓機破碎機 其他業(yè)務(wù)100%80%60%40%20%0%2020

2021

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2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：公司官網(wǎng)，華泰研究海陸重工24年公司實現(xiàn)營收9%7.8%。目前，公司業(yè)務(wù)涵蓋余熱鍋爐及相關(guān)配套產(chǎn)品、壓力容器、工程服務(wù)、新能源電力、核電產(chǎn)%.20%%3%%.4%、26.62%、2.67%、5.74%、1.82%。公司在民用核能領(lǐng)域累積了豐富的制造和管理經(jīng)驗，服務(wù)堆型有三代、四代堆以及熱核聚變堆（ITER）等。在核聚變領(lǐng)域，公司主要負責真空冷屏、冷瓶中間段的生產(chǎn)。圖表34：公司分產(chǎn)品營收占比 圖表35：2024年9月12日ITER真空室第一塊冷屏吊裝工作完成100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

余熱鍋爐及相關(guān)配套產(chǎn)品 壓力容器工程服務(wù) 新能源電力核電產(chǎn)品 其他主營業(yè)務(wù)2020 2021 2022 2023 2024資料來源：公司公告，Wind，華泰研究 資料來源：中國核電網(wǎng)，華泰研究風險提示技術(shù)進步不及預期風險：若技術(shù)進步不及預期，將進一步推遲可控核聚變實現(xiàn)的時間。對商業(yè)化進度產(chǎn)生影響。實際的誤差。附錄1：聚變基本原理核聚變是什么？子和中子統(tǒng)稱為核子。隨著原子序數(shù)的增大，平均核子質(zhì)量先減小后增大，其中鐵原子的核子平均質(zhì)量最小。在核反應(yīng)過程中，核子的平均質(zhì)量減少，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，釋放大量能量。這種核反應(yīng)分為裂變和聚變，核裂變是原子核吸收中子分裂成兩個或多個原子核并釋放能量的過程，現(xiàn)有核電站主要使用的核裂變發(fā)電；核聚變是兩個原子核在極端條件下發(fā)生聚合，生成新的原子核并釋放能量的過程。裂變和聚變元素以鐵為分界線，原子序數(shù)大的元素（鈾、钚等）裂變釋放能量，原子序數(shù)小的元素（氘、氚等）聚變釋放能量。圖表36：鐵原子的核子平均質(zhì)量最小，裂變和聚變以鐵為分界線資料來源：《核子平均質(zhì)量曲線與比結(jié)合能曲線的比較》（司德平，2011），華泰研究圖表37：鈾-235重核裂變釋放能量 圖表38：氘氚輕核聚變釋放能量資料來源：中科院物理所，華泰研究 資料來源：《我國磁約束核聚變能源的發(fā)展路徑、國際合作與未來展望》（王斌等，2024），華泰研究核聚變在能量密度、清潔性、安全性和可持續(xù)性上具有優(yōu)勢相較于核裂變，核聚變在能量密度、清潔性、安全性和可持續(xù)性上具有顯著優(yōu)勢，以氘氚聚變?yōu)槔禾潛p更大，平均每個核子釋放的能量更多。氘氚聚變的能量密度大約是天然鈾快中子堆的14100倍。圖表39400

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

天然鈾快中子堆 濃縮鈾輕水堆 天然鈾輕水堆資料來源：《AircraftFuels》（JohnWiley，1995），華泰研究12.43年左右；而核裂變?nèi)剂蠈儆谥卦?，在裂變過程中會產(chǎn)生锝、碘、鈀、銫、鍶等長壽命裂變產(chǎn)物和镎、镅、鋦等次錒系核素，具有很強的放射性并且半衰期在幾萬年甚至幾百萬年以上。圖表40：核裂變產(chǎn)物的半衰期在幾百萬年核素半衰期/年P(guān)u-23924,000Pu-242380,000Np-2372,000,000Tc-99200,000I-12916,000,000Cs-1353,000,000Zr-931,500,000Pd-1076,500,000（李壽枬，196，華泰研究不滿足，聚變反應(yīng)會自動停止。而核裂變是鏈式反應(yīng)，即使反應(yīng)堆停堆，由于緩發(fā)中子的0.03g45100億年以上。另一種燃料氚在自然界中已基本衰變消失，但可通過中10002000億噸鋰，因此地球上的鋰儲備足以保障人類對聚變能源的應(yīng)用。圖表41：氘在自然界中儲量豐富資料來源：IAEA，華泰研究如何實現(xiàn)核聚變：溫度、密度和能量約束時間溫度密度核聚變本質(zhì)是將原子核壓縮到強相互作用力的作用范圍而發(fā)生聚合的過程，但由于原子核帶正電，聚合過程中會受到庫侖力而相互排斥。庫侖力屬于電磁力，作用距離無限，且隨著距離的減小而增加；而強強相互作用力將克服庫侖斥力，并將原子核束縛在一起，釋放巨大能量。因此為了克服庫溫度T（使原子核具備初始動能：為了克服庫侖斥力發(fā)生聚合，原子核必須具備一定的動能。溫度是微觀粒子熱運動的宏觀表現(xiàn)，溫度越高，原子核動能越大。以氘氚反應(yīng)288KeV以上的初30200在原子核尺度上，經(jīng)典力學已經(jīng)不再適用，需考慮量子力學的影響。在考慮隧穿效應(yīng)、波1表需撞 圖表43：原子核截面的量子力學修正 注：σ為聚變反應(yīng)截面，即聚變反應(yīng)發(fā)生的概率資料來源：《等離子體物理與聚變能》（JeffreyFreidberg，2010），華泰研究

注：σ為聚變反應(yīng)截面，即聚變反應(yīng)發(fā)生的概率資料來源：《等離子體物理與聚變能》（JeffreyFreidberg，2010），華泰研究密度（增加原子核發(fā)生碰撞概率：聚變?nèi)剂显诟邷叵聲婋x為由原子核和自由電子組成的等離子體。等離子體是物質(zhì)的高溫電離態(tài)，是一團由帶電粒子組成的高溫電離氣體。密度衡量的是等離子體單位體積內(nèi)粒子的個數(shù)，等離子體需要保持較高的密度以增加原子核發(fā)生碰撞的概率。能量約束時間τ（等離子體的能量會以輻射和熱傳導的形式逸出，為了使高溫等離子體中核聚變反應(yīng)能夠持續(xù)，必須將等離子體約束在有限空間內(nèi)，并長時間地維持上億攝氏度的高溫和高密度的核反應(yīng)條件。圖表44：核聚變反應(yīng)需要滿足溫度、密度和能量約束時間三個條件資料來源：《超導磁體技術(shù)與磁約束核聚變》（王騰，2022），華泰研究如何實現(xiàn)聚變點火：溫度×密度×約束時間三重積滿足勞遜判據(jù)且Q>1核聚變反應(yīng)需滿足勞遜判據(jù)，氘氚反應(yīng)最容易實現(xiàn)。溫度、密度和能量約束時間三者的乘nτET5×1021m-3·s·keV，才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。在主要的聚變反應(yīng)中，由于氘氚反應(yīng)的聚變截面（原子核發(fā)生聚變反應(yīng)的概率）和反應(yīng)率（原子核發(fā)生聚變碰撞的活躍程度）大于其他聚變反應(yīng)，最容易1.6nτET2.6×1021m-3·s·keV，此時三重積的反應(yīng)條件在工程上最容易實現(xiàn)。圖表45：氘氚反應(yīng)的聚變截面和反應(yīng)率大氘氘反應(yīng)和氘氦反應(yīng) 圖表46：溫度為1.6億攝氏度時，氘氚反聚變?nèi)胤e最小 注：D-氘、T-氚、He-氦、Li-鋰、p-質(zhì)子資料來源：《磁約束聚變原理與實踐》（石秉仁，1999），華泰研究

資料來源：《等離子體物理與聚變能》（JeffreyFreidberg，2010），華泰研究Q>1Q>10。Q是聚變反應(yīng)釋放的能量與維持聚變反應(yīng)所需要的輸入能量之比。滿足勞遜判據(jù)僅僅意味著達到了實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的基本條件，而要想持續(xù)的獲得聚變能，需要核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于（能量增益因子QQ>10110份能量輸出，才能實現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用。圖表47：ITER計劃目標是實現(xiàn)Q>10資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究如何實現(xiàn)可控：引力約束、磁約束和慣性約束，引力約束無法在地球?qū)崿F(xiàn)引力約束磁約束的約束方式對高溫聚變物質(zhì)進行約束，以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行，從而獲得持續(xù)的核聚變能。實現(xiàn)磁場和慣性實現(xiàn)對核燃料的約束。三種約束方式通過不同的途徑滿足聚變?nèi)胤e要求，其中，引力約束通過高壓形成高密度等離子體并維持長約束時間，從而在較低的溫度下實現(xiàn)聚變；磁約束致力于將低密度的等離子體加熱至極高溫并長時間約束，以滿足勞森判據(jù)；慣性約束旨在將高密度的燃料在極短的時間內(nèi)發(fā)生聚變。圖表48：三種約束方式以不同途徑滿足勞森判據(jù)約束方式如何滿足勞森判據(jù) 示意圖引力約束 低溫、高密度、長約束時間磁約束 高溫、低密度、長約束時間慣性約束 高溫、高密度、短約束時間慣性約束 高溫、高密度、短約束時間（王騰，22，華泰研究太陽憑借巨大質(zhì)量產(chǎn)生萬有引力形成引力約束，人類目前無法實現(xiàn)。引力約束是通過萬有15001為地球的33萬倍，巨大的質(zhì)量所產(chǎn)生的萬有引力將核燃料束縛在一起，不斷向中心擠壓，形成極高的密度，在高溫高壓的作用下，核燃料持續(xù)發(fā)生聚變反應(yīng)釋放能量。引力約束核聚變作為太陽能量的來源，是天然存在的熱核聚變反應(yīng)堆，然而由于人類無法滿足在足夠小體積的條件下制造出如此大質(zhì)量的物體，因此以人類現(xiàn)階段的技術(shù)手段尚無法在地球上制造出可以實現(xiàn)引力約束核聚變的反應(yīng)堆。圖表49：太陽通過引力約束實現(xiàn)聚變反應(yīng)資料來源：《EAST上穩(wěn)態(tài)I-mode特性及I-H轉(zhuǎn)換物理機制的研究》（仲小明，2023），華泰研究附錄2：磁約束技術(shù)路線多元，可實現(xiàn)長時間穩(wěn)態(tài)運行磁約束利用洛倫茲力約束等離子體，托卡馬克是主流裝置。聚變?nèi)剂显诟邷叵聲浑婋x成等離子體，其中原子核帶正電，電子帶負電。磁約束就是利用原子核和電子在磁場中所受到的洛倫茲力來約束等離子體。帶電粒子在均勻磁場中受到的洛倫茲力垂直于磁場方向和電荷運動方向，使得帶電粒子一方面沿著磁力線做直線運動，另一方面繞著磁力線做旋轉(zhuǎn)運動，最終的結(jié)果是帶電粒子沿著磁力線做螺旋前進運動。磁約束按照磁力線的形狀可分為線性磁約束和環(huán)形磁約束，線性磁約束以磁鏡為主，環(huán)形磁約束包括托卡馬克、仿星器等，其中托卡馬克是磁約束聚變中的主流裝置。圖表50：電子在磁場中受洛倫茲力做回旋運動資料來源：《托卡馬克聚變堆研究進展》（李建剛，2023），華泰研究磁鏡：結(jié)構(gòu)簡單，但粒子損失嚴重帶電粒子在磁場中沿磁力線朝兩端運行時，可以在強磁場的位置發(fā)生反射而返回中心區(qū)。磁鏡的工作原理：一方面，帶電粒子沿著磁場方向運動，具有一個平行于磁場的速度；另一方面，帶電粒子受洛倫茲力垂直于磁場方向做螺旋運動，具有一個垂直于磁場的速度。由于磁場不會對帶電粒子做功，因此帶電粒子的總動能守恒。當帶電粒子運動到磁場較強的一端時，粒子垂直于磁場方向的速度分量將會變大，而平行于磁場方向的速度分量將會相應(yīng)地變小，直到完全失去平行方向的速度，從而被磁場反射，朝著弱磁場方向運動。當運動到另一端，又會被反射回來，從而循環(huán)反復，實現(xiàn)對帶電粒子的約束。圖表51：磁鏡兩端磁場強，中間磁場弱，等離子體被來回反射資料來源：《磁鏡原理及其在磁約束中的應(yīng)用》（張琳，2013），華泰研究磁鏡結(jié)構(gòu)簡單建造成本低，但存在帶電粒子損失問題。磁鏡的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，由兩個或多個線圈組成，建造成本低，易于構(gòu)建和維護。其缺點在于線性磁約束存在粒子損失問題，部分縱向速度非常大的帶電粒子會越過強磁場區(qū)域而損失掉。若粒子速度與磁場之間的角度定義為θ0為半頂角作一個圓錐體，即為損失錐，凡是速度方向落在損失錐內(nèi)的帶電粒子都會損失掉。圖表52：磁鏡的損失錐資料來源：《中國大百科全書》第三版網(wǎng)絡(luò)版，華泰研究場反位形裝置：等離子體約束性能好，但聚變參數(shù)遠低于勞森判據(jù)（FieldReversedConfiguration,是一種軸對稱緊湊環(huán)型的等離子體位形，對等離子體具有良好的約束性能。FRC等離子體內(nèi)部具有閉合的磁力線，其磁場方向在等θFRC等離子體形成的主要方4步。首先在真空腔室中通入氘氚氣體，外部θ線圈對氣體進行周期性放電使氣體完全被電離，初始磁場被凍結(jié)在等離子體內(nèi)；隨后θ線圈放電提供一個更強的反向磁場，使等離子體產(chǎn)生θ箍縮效應(yīng)，向半徑方向壓縮；在此過程中，反向磁場向等離子體內(nèi)滲透，在放電管兩端反向磁力線與等離子體內(nèi)凍結(jié)磁力線重新聯(lián)結(jié)，形成閉合磁力線；最后由于兩端磁鏡的作用，進一步導致等離子體軸向收縮，最終達到平衡狀態(tài)。圖表53：FRC等離子體磁場位形 圖表54：θ箍縮形成FRC等離子體的流程 HFRC（華泰研究

資料來源：《FRX-L:AField-ReversedConfigurationPlasmaInjectorforMagnetizedTargetFusion》（J.M.Taccetti，2003），華泰研究FRCθ箍縮+FRC等離子體形成區(qū)與壓縮區(qū)的分離，從而提高等離子體參數(shù)。首先，在裝置兩端形成區(qū)利用θFRC（場反位形）FRC融合，等離子體的動能大部分轉(zhuǎn)化為熱能，提高等離子體的參數(shù)；最后，進一步加熱壓縮等離子體實現(xiàn)聚變。目前主流的FRC裝置，包括HelionEnergy的Trenta裝置、的C-2KMAX裝置均采用這種方式。圖表55：FRC裝置等離子體對碰融合示意圖資料來源：《HFRC裝置的建設(shè)與初步調(diào)試》（劉顯龍，2022），華泰研究FRC裝置結(jié)構(gòu)簡單具有較高的等離子體比壓βFRC等離子體參數(shù)與勞森判據(jù)尚存在FRCFRC具有更高的等離子體比壓（等離子體熱壓強與磁壓強之比β越高表明在一定的磁場強度下能夠獲得更高的FRCEnergyFRC的等FRCC-2W為例，n~1-3×1019m-3Te+Ti~5keV20keV以上，nτ1020m-3·s左右）3個數(shù)量級。圖表56：C-2W的等離子體參數(shù)距離勞森判據(jù)存在較大差距參數(shù) 值外部磁場強度B/T ～0.1-0.3FRC半徑r/m ～0.4-0.45FRC長度L/m ～2-3.5等離子體密度n/m^-3 ～1-3×10^19溫度Te+Ti/keV 5等離子體壽命/ms 40資料來源：TAETechnology，華泰研究托卡馬克：技術(shù)最為成熟，有望率先實現(xiàn)受控核聚變托卡馬克是利用磁場來約束高溫等離子體的環(huán)形聚變實驗設(shè)備。2050（kmk（torod真空室（km、磁（mit、線圈（kska）四個詞的前幾個字母組成。托卡馬克通過環(huán)向場線圈、中心螺管線圈和極向場線圈構(gòu)成的磁體系統(tǒng)在環(huán)形真空室中構(gòu)造出一個圖表57：托卡馬克工作原理示意圖資料來源：IAEA，華泰研究T-31968T-3托卡馬克1KeV0.5KeV，等離子nτ=1018s/m3，等離子體約束時間長達幾毫秒，Q值為T-3普林斯頓實驗室將仿星器-cST-TFR托卡馬克；西德馬克思-PulsatorJFT-Ⅱ托卡馬克。圖表58：1968年蘇聯(lián)T-3托卡馬克首次實現(xiàn)能量輸出資料來源：星環(huán)聚能公眾號，華泰研究90Q1.25TFTRJETJT-60并TFTR1982年建成并投入運行的全球首個大型托卡3年2月9TTR使用1Q值達到；JET1991202312月，JET0.2mg5.269MJ的能量；JT-601985T-0T-U由T-08年6月5日，Q1.25。圖表59：歐美日托卡馬克裝置技術(shù)參數(shù)設(shè)備TFTRJETJT-60大半徑/m2.522.963.4小半徑/m0.871.251磁場強度/T5.63.454加熱功率/MW39.52540等離子電流/MA2.74.83資料來源：PPPL，華泰研究EAST，403秒高約束模等離子體運行創(chuàng)造世界紀EASTT-7EAST三大科學目標：1MA等離子體電流、11000秒運行時間。EAST20101MA5281011.2億攝氏度201.6億攝氏度等離子體運行，202112301056秒長脈沖高參數(shù)等離子體運行，三大科學目標分別獨立完成。2023412EAST403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，創(chuàng)造托卡馬克裝置穩(wěn)態(tài)高約束模運行新的世界紀錄。圖表60：EAST磁體系統(tǒng)全部采用超導磁體資料來源：《EAST超導托卡馬克》（萬寶年，2015），華泰研究圖表61：EAST裝置主要設(shè)計指標指標名稱 技術(shù)指標等離子體大半徑R/m 1.8～1.9等離子體小半徑a/m 0.45等離子體電流I/MA 1脈沖長度t/s 10～1000低雜波電流驅(qū)動LHCD/MW 10中性束注入NBI/MW 8離子回旋波ICRF/MW 12電子溫度T/萬℃ 10000環(huán)向磁場強度B/T 3.5電子密度n/m-3 1×1019～8×1019（中核集團核工業(yè)西南物理研究院，22，華泰研究托卡馬克由五大主體結(jié)構(gòu)組成，磁體系統(tǒng)是核心部件托卡馬克的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次是包層模塊-真空室-冷屏-磁體系統(tǒng)-冷屏-托卡馬克托卡馬克通過磁體系統(tǒng)的三組線圈產(chǎn)生螺旋形磁場約束等離子體。聚變反應(yīng)需要在真空環(huán)境內(nèi)發(fā)生，為此設(shè)置真空室，同時真空室還起到支撐結(jié)構(gòu)的作用。由于真空室的材料和結(jié)構(gòu)難以承受聚變反應(yīng)的高溫以及中子輻照，因此在真空室內(nèi)側(cè)設(shè)置包層模塊實現(xiàn)熱屏蔽和輻射屏蔽。此外，反應(yīng)過程產(chǎn)生的雜質(zhì)會影響等離子體的穩(wěn)定運行，因此在裝置的底部裝有一圈偏濾器，用于排出雜質(zhì)、氦灰。最后，在裝置的最外側(cè)裝有真空杜瓦，在超導磁體和真空室、真空杜瓦之間設(shè)置冷屏，以保證裝置內(nèi)部部件在工作溫度運行。圖表62：托卡馬克裝置結(jié)構(gòu)示意圖資料來源：《磁約束核聚變能研究進展、挑戰(zhàn)與展望》（劉永，2024），華泰研究磁體系統(tǒng)磁體系統(tǒng)是托卡馬克核心部件，主要用于產(chǎn)生螺旋形磁場約束等離子體。磁體系統(tǒng)包括環(huán)向場線圈、中心螺管（歐姆加熱）線圈和極向場線圈三組線圈。磁體系統(tǒng)的工作流程為：①環(huán)向磁場線圈通入電流，在環(huán)形真空室內(nèi)產(chǎn)生環(huán)向磁場；②向環(huán)形真空室中通入工作氣體；③中心螺管線圈中通入變化的電流，產(chǎn)生變化的歐姆磁場感應(yīng)產(chǎn)生環(huán)向電場，該電場擊穿工作氣體，產(chǎn)生若干電子和離子；④工作氣體被電離為等離子體，在環(huán)向電場的驅(qū)動下形成環(huán)形等離子體電流，產(chǎn)生角向磁場，并與環(huán)向磁場合成為螺旋形磁場；⑤等離子體受到熱壓強有向外擴張的趨勢，若不采取措施，等離子體將撞向真空室壁而冷卻；⑥極向場線圈中通入電流產(chǎn)生垂直磁場，從而控制等離子體的形狀和截面大小，實現(xiàn)磁約束。圖表63：磁體系統(tǒng)工作流程示意圖資料來源：星環(huán)聚能公眾號，華泰研究環(huán)向場線圈（產(chǎn)生環(huán)狀磁力線：在線性磁場中，洛倫茲力使得原子核和電子繞磁場做回旋運動，但洛倫茲力只能對垂直于磁力線的等離子體起到約束作用，如果等離子體平行將多個線圈圍成一圈，從而形成環(huán)狀磁力線，防止等離子體沿磁力線逃逸。中心螺管線圈（加熱等離子體并形成螺旋形磁場：中心螺管線圈相當于變壓器的初級線圈，當中心螺管中的電流變化導致磁通變化時，將在環(huán)形真空室中感應(yīng)出環(huán)電壓，擊穿加入真空室中的工作氣體產(chǎn)生初始等離子體。初始等離子體類似變壓器次級線圈的導流載體，會產(chǎn)生環(huán)向電流對等離子體進行歐姆加熱。同時，環(huán)向電流會形成角向磁場，與初始的環(huán)狀磁場結(jié)合形成螺旋形磁場。由于在環(huán)狀磁場中磁場強度存在梯度變化，內(nèi)側(cè)磁場強度大，外側(cè)磁場強度小，從而產(chǎn)生一個垂直粒子運動方向的力將電子和離子分離。電子和圖表64：環(huán)形磁場與角向磁場結(jié)合產(chǎn)生螺旋磁場資料來源：星環(huán)聚能公眾號，華泰研究極向場線圈（控制等離子體截面形狀和位置：極向場線圈的作用是讓等離子體穩(wěn)定懸浮在真空室內(nèi)部，以及根據(jù)實驗需要主動改變等離子體截面形狀和位置。極向場線圈呈圓環(huán)形，通常布置在環(huán)向場線圈外面，當通以環(huán)向電流時，線圈中的電流可以與等離子體環(huán)向電流同向或反向從而產(chǎn)生相互吸引或排斥的作用力以控制等離子體形狀，其電流強度和方向需要可以根據(jù)實驗需求動態(tài)反饋調(diào)節(jié)。圖表65：托卡馬克磁體系統(tǒng)包括縱場線圈（TF）、中心螺管線圈（CS）和極向線圈（PF）三組線圈資料來源：《CFETR物理與工程研究進展》（高翔等，2019），華泰研究過去托卡馬克裝置尺寸不斷擴大，以實現(xiàn)更好的等離子體約束性能。定標率公式基于各種托卡馬克實驗數(shù)據(jù)擬合所得，衡量了等離子體約束性能。典型的定標率公式可表示為τE=0.0562I0.93B0.15n0.41P-0.69R1.39α0.58κ0.78M0.19，其中τE為能量約束時間，I為等離子體電為等離子體環(huán)大半徑，α為等離子體截面半徑與環(huán)半徑之比，κ為等離子體截面形狀拉長比，M為等離子體中粒IR。最終聚變?nèi)?.53.5圖表66：定標率公式由托卡馬克實驗數(shù)據(jù)合而來 圖表67：托卡馬克裝置越建越大 資料來源：FusionEnergy，華泰研究 注：形狀大小代表裝置大小資料來源：《ITERontheroadtofusionenergy》（KanameIkeda，2010），華泰研究超導材料應(yīng)用解決線圈發(fā)熱問題，并推動托卡馬克小型化。常規(guī)托卡馬克裝置的磁體系統(tǒng)采用銅導體建造線圈，由于銅本身存在電阻，而托卡馬克裝置中需要大電流產(chǎn)生磁場，會產(chǎn)生嚴重的發(fā)熱問題。超導材料電阻為零，能夠根本上解決電阻導致的材料發(fā)熱問題，維持裝置的穩(wěn)態(tài)運行；并且超導磁體磁場強度大，通入相同通量的電流，所需要的超導體尺寸更小，有助于將托卡馬克磁體系統(tǒng)做得小型緊湊，從而降低建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期，加速裝置的更新迭代。圖表68：蘇聯(lián)T-7是世界上第一個超導托卡馬克裝置資料來源：星環(huán)聚能公眾號，華泰研究真空室真空室為等離子體提供真空運行環(huán)境以及為輔助支持系統(tǒng)提供接口。真空室位于環(huán)向場線圈內(nèi)部，其作用是隔絕地球大氣的復雜氣體環(huán)境，為聚變等離子體及其工作氣體提供獨立純凈的真空電磁腔室。為了滿足實驗要求，真空室需要在不同位置開設(shè)窗口，以便為外圍的抽氣系統(tǒng)、等離子體加料與加熱系統(tǒng)、等離子體診斷監(jiān)測系統(tǒng)等提供接口。圖表69ITER真空室結(jié)構(gòu)圖資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究D形截面設(shè)計提高等離子體比壓β并平衡線圈內(nèi)部張力。在早期的托卡馬克設(shè)計中，真空室截面為圓形。在對圓形截面實驗裝置的長期研究過程中發(fā)現(xiàn)，D形截面具有大拉長比和大三角形變，能夠提高等離子體的β值。同時，在圓形截面下，由于裝置內(nèi)側(cè)空間小，線圈之間的距離更近，導致靠近裝置芯部一側(cè)的環(huán)向場線圈之間的張力明顯高于裝置外側(cè)線D形線圈，內(nèi)部的張力會更加均衡。因此，現(xiàn)代托卡馬克裝置設(shè)計上普遍采用非圓截面（D形。圖表70：托卡馬克D形截面設(shè)計資料來源：中國核電官網(wǎng)，華泰研究包層模塊包層模塊的作用是熱屏蔽和輻射屏蔽。包層模塊位于真空室內(nèi)側(cè)，主要作用是實現(xiàn)熱屏蔽和輻射屏蔽，保護結(jié)構(gòu)免受等離子體產(chǎn)生的高熱和中子輻照的傷害。包層模塊由一個個模塊構(gòu)成，每個模塊可分為第一壁、屏蔽模塊兩個部分。第一壁是聚變裝置中直接面對等離子體的部件，會長時間受到熱負荷、中子輻照和等離子體輻照三重負載，因此需要第一壁ITER經(jīng)考慮使用鈹或鎢作為目前的第一壁材料。屏蔽模塊位于第一壁之后，主要提供核屏蔽以及冷卻水。圖表71：ITER包層模塊結(jié)構(gòu)圖資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究偏濾器偏濾器通過改變磁場位形從而形成等離子體邊界，避免等離子體和第一壁直接接觸。托卡馬克中的螺旋形磁場雖然能夠有效地約束等離子體，但并沒有給等離子體劃定邊界，導致等離子體會與第一壁會發(fā)生較強的相互作用。偏濾器的作用就是將等離子體與第一壁相互作用較強的區(qū)域轉(zhuǎn)移到遠離中心等離子體的偏濾器腔室中。偏濾器的線圈通過產(chǎn)生磁場與XX（FS以內(nèi)為主等離子體區(qū)，以外為刮削層（O。從主等離子體區(qū)橫越出來的粒子流和熱流會沿著OL區(qū)開放磁力線被輸運到偏濾器腔室內(nèi)，與偏濾器靶板發(fā)生作用，從而避免了與第一壁的直接接觸。偏濾器可以有效排除雜質(zhì)，維持聚變反應(yīng)的持續(xù)性。聚變反應(yīng)過程中會產(chǎn)生氦灰，同時中子轟擊第一壁也會產(chǎn)生雜質(zhì)，這些雜質(zhì)回流到等離子體，會影響等離子體的穩(wěn)定運行，甚至導致等離子體破裂。偏濾器刮削層區(qū)中的開放磁力線可以把聚變產(chǎn)生的氦灰以及第一壁圖表72：托卡馬克偏濾器磁位形示意圖 圖表73：偏濾器結(jié)構(gòu)示意圖 資料來源：《托卡馬克聚變堆研究進展》（李建剛，2023），華泰研究 資料來源：可控核聚變公眾號，華泰研究冷屏和外真空杜瓦冷屏和外真空杜瓦將超導磁體與高溫等離子體、室溫大氣隔絕，保持超導磁體正常運行。超導裝置從內(nèi)到外存在巨大溫差，其中真空室內(nèi)部是高溫等離子體，真空室外是需要在液氦溫區(qū)運行的超導磁體，而裝置外面則是室溫大氣。為了有效降低超導磁體熱負荷，需要有保護超導磁體的隔熱設(shè)施。首先使用外真空杜瓦把主機與室溫大氣絕熱隔離，從而減少大氣環(huán)境對超導磁體的影響。其次，在超導磁體與外真空杜瓦之間以及在超導磁體與內(nèi)真空室之間設(shè)置冷屏，從而保證超導磁體的熱負荷滿足可靠運行的要求。圖表74：EAST冷屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖表75：EAST真空外杜瓦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖資料來源：《EAST超導托卡馬克》（萬寶年，2015），華泰研究 資料來源：《EAST超導托卡馬克》（萬寶年，2015），華泰研究支持系統(tǒng)輔助加熱系統(tǒng)（加熱等離子體：中心螺管線圈對等離子體進行歐姆加熱，但隨著等離子體溫度的升高，等離子體中的電阻減小，導致歐姆加熱的效率逐步減小。為了進一步提高等離子體的溫度，需采用中性束注入和射頻波加熱兩種輔助加熱方式。中性束注入即向等離子體中注入高能量的中性燃料粒子，通過碰撞對等離子體進行加熱，注入等離子體的中性燃料粒子最終會被電離，成為等離子體的一部分。射頻波加熱是向等離子體中發(fā)射電磁波進行加熱，如果注入波的頻率與等離子體中某個固有頻率相同，便會產(chǎn)生與射頻波的共振吸收，射頻波的能量被等離子體吸收從而產(chǎn)生加熱效應(yīng)。射頻波加熱主要包括電子回（H（ICRH（D三種方式。圖表76：ITER的中性光束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖表77：ITER的離子回旋共振加熱系統(tǒng) 資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究 資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究冷卻水系統(tǒng)（冷卻設(shè)備：將等離子體中產(chǎn)生的熱量排放到環(huán)境中，并冷卻輔助系統(tǒng)。診斷系統(tǒng)（診斷等離子體性能：測量等離子體的溫度、密度、形狀、位置等，從而控（測量等離子體的電流和能量（測量等離子體的溫度和密度（探測主等離子體和偏濾器區(qū)域的等離子體等。（循環(huán)核燃料）電源系統(tǒng)（提供電力圖表78：ITER的冷卻水系統(tǒng) 圖表79：ITER大約有50個獨立的診斷系統(tǒng) 資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究 資料來源：ITER官網(wǎng)，華泰研究高溫超導磁體第一壁全鎢替代提高等離子體約束性能，增殖包層推動托卡馬克實現(xiàn)自持托卡馬克當前面臨的最大難題是等離子體控制，維持等離子體長時間的穩(wěn)定運行而不破裂需要考慮兩方面的問題：一方面是要通過強大磁場約束住等離子體，另一方面是避免面向等離子體材料產(chǎn)生的雜質(zhì)影響等離子體穩(wěn)定運行。此外，托卡馬克未來要想在點火后實現(xiàn)自持燃燒，不僅需要維持等離子體穩(wěn)定運行，還需要源源不斷向堆內(nèi)補充燃料。氘在自然界中儲量豐富，但氚基本已經(jīng)衰變消失，因此托卡馬克需具備氚增殖功能以實現(xiàn)氚自持。高溫超導+AI深度學習提高等離子體約束性能等離子體環(huán)向電流容易產(chǎn)生不穩(wěn)定性，破裂下聚變裝置可能損壞。由于托卡馬克存在大環(huán)向電流，導致等離子體容易產(chǎn)生各種不穩(wěn)定性，尤其是磁流體（MHD）不穩(wěn)定性，會嚴重影響等離子體的約束，甚至導致等離子體破裂。等離子體破裂是指等離子體溫度陡然下降并使等離子體放電，在短時間內(nèi)瞬間出現(xiàn)淬滅的現(xiàn)象。在等離子體破裂期間，等離子體電流快速下降引起高的感應(yīng)環(huán)電壓，逃逸電子在高環(huán)電場的加速下通量和能量急劇增加，形損壞聚變裝置。圖表80：等離子體破裂期間電流快速下降形成逃逸電流資料來源：《等離子體破裂期間逃逸電流平臺的研究》（竹錦霞等，2019），華泰研究H模實現(xiàn)更長的能量約束時間，是托卡馬克標準運行模式。等離子體之間相互作用會產(chǎn)生能量輸運過程，由微觀不穩(wěn)定產(chǎn)生的湍流導致的能量輸運為湍流輸運。在等離子體邊緣處模1982ASDEXL模的基礎(chǔ)上提高加熱功率并超過一定閾值后，低約束模式（L模）會自動轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒s束運行模式（H模HL模獲得極大改善，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更長的能量約束時間。H模已成為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的標準運行模式。圖表81：H模比L模具有更好的等離子體約束性能資料來源：《托卡馬克高約束運行模式和磁約束受控核聚變》（董家齊，2010），華泰研究高溫超導磁體能夠增強等離子體穩(wěn)定性，并進一步推動托卡馬克小型化。目前主流的托卡（臨界溫度T左右，（45Tqψ=BΦa/BθR，表示磁力線繞等離子體小環(huán)一圈，其對應(yīng)需要繞大環(huán)的圈數(shù)，用于衡量等離子體平衡的穩(wěn)定性。由于qψ與環(huán)向磁場強度BΦ2.5次方和磁場的3.5成本。圖表82：高溫超導磁體增強等離子體穩(wěn)定性并推動托卡馬克小型化資料來源：華泰研究人工智能應(yīng)用有望實現(xiàn)對等離子體的精確控制。通過深度強化學習，人工智能技術(shù)能夠?qū)崟r模擬等離子體的狀態(tài)，從而精確控制和預測等離子體的不穩(wěn)定性，提前干預等離子體的2022DeepMind與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院瑞士等離子體中心聯(lián)合，開發(fā)了一個人工智能深度強化學習系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)對托卡馬克內(nèi)部核聚變等離子體的控制。202332024AI300圖表83：DeepMind通過強化學習控制等離子體 圖表84：普林斯頓通過技術(shù)提前300毫秒預測等離子體破裂資料來源：機器之心，華泰研究 資料來源：《Avoidingfusionplasmatearinginstabilitywithdeepreinforcementlearning》（JaeminSeo等，2024），華泰研究鈹或?qū)⒈绘u全面替代，液態(tài)鋰有望作為固體第一壁替代方案面向等離子體材料（PFM）是保護真空室內(nèi)壁和各種內(nèi)部部件免受高溫等離子體直接輻照的第一道屏障，包括第一壁和偏濾器靶板。PFM直接面向高溫等離子體，需經(jīng)受高熱負荷沖擊、等離子體輻照和中子輻照三重負載，因此對材料性能要求極高。（PFM）好的熱力學性能、高熔點，從而能夠快速移除等離子體沉積的熱量，避免溫度積累熔化材料。的濺射，導致原子脫離進入等離子體，影響等離子體的約束性能。因此，PFM濺射率和低氚滯留。中子輻照：14MeV的高能中子，中子輻照一方面會導致材料內(nèi)部產(chǎn)生大量離位原子，形成點缺陷，尤其對于重原子，離位損傷效應(yīng)更為嚴重；另一PFM具備低原子序數(shù)和低活化。圖表85：PFM需要承受熱負荷、等離子體輻照和中子輻照三重負載資料來源：《磁約束核聚變裝置等離子體與壁相互作用研究簡述》（胡建生等，2020），華泰研究PFM候選材料，ITER已經(jīng)確定使用鈹和鎢分別作為目前的第一壁和偏濾器材料。碳基材料的優(yōu)點是低原子序數(shù)、熱力學性能好、熔點高，因此最早被應(yīng)用于第一壁和偏濾器靶板。但由于碳基材料的氚滯留高，影響等離子體密度控制，已經(jīng)逐漸被其他材料所取代。鈹具有低原子序數(shù)、低氚滯留的優(yōu)點，是目前第一壁的主流材料。但鈹?shù)娜埸c低，濺射率高，一般只用于能流密度不高的等離子體第一壁。鎢具有高熔點、高熱導率、低熱膨脹系數(shù)、低濺射率和低氚滯留，因此適用于熱流沖擊最大的偏濾器靶板。圖表86：PFM材料物理屬性鈹（Be）碳（C）鎢（W）原子序數(shù)4674質(zhì)量9.0112.11183.84熱導率（W/m·K）190200～500140熔點（K）1500>25003605熱膨脹系數(shù)（10-6K-1）11.50～44.5比熱容（J/kg·K）1825709134中子輻照行為脆性增加、腫脹物理和化學屬性退化位錯、空洞、嬗變、活化電離能（kJ/mol）1st：899.52nd：1757.11st：1086.52nd：2352.61st：7702nd：1700（胡建生等，20，華泰研究合金化處理提升鎢性能，有望實現(xiàn)面對等離子體材料全鎢替代。鎢的優(yōu)異性能使其被認為是未來聚變裝置中最有前景的面對等離子體材料，但鎢作為高原子序數(shù)材料且易活化，容易受到中子輻照產(chǎn)生缺陷以及錸、鉭、鋨等嬗變元素，引起等離子體不穩(wěn)定。通過向鎢中添加氧化物顆粒、碳化物顆粒和合金化元素進行合金化處理，能夠有效提高鎢材料的斷裂韌性、熱沖擊以及抗中子輻照性能。ITER已經(jīng)確定了一條從鈹/碳/鎢到鈹/鎢，最后變成全鎢的發(fā)展路線。2023年起，ITER開始加速第一壁全鎢替換的研究設(shè)計。圖表87：合金化處理可以提高鎢的性能合金化元素優(yōu)點缺點Ti提高密度、強度和硬度高溫脆性大、不利于鎢的抗熱沖擊性能Zr提高硬度和韌性、改善鎢的塑性密度降低、過量將導致性能下降Ta提高硬度和強度Re改善抗蠕變強度、再結(jié)晶性能、提高低溫延展性成本高、降低熱導率、輻照脆化V提高鎢的相對密度和顯微硬度、降低脆性、提高韌性Y 強度和密度Nb 提高強度、硬度和韌性 熱導率降度（張學希，02，華泰研究流動液態(tài)鋰壁可作為固體第一壁替代方案，解決固定材料壽命問題并且提高等離子體約束性能。液態(tài)金屬作為第一壁具有自我更新能力、使用壽命長的優(yōu)點，能夠解決傳統(tǒng)固體材料使用壽命有限的問題。液態(tài)鋰作為低原子序數(shù)材料，與等離子體具有較好的兼容性，是比較理想的第一壁材料。在等離子體作用下鋰通過蒸發(fā)和濺射進入等離子體邊界，被迅速電離并跟隨刮削層流的方向輸運，形成一個不均勻分布的鋰輻射層，在一定程度上隔離了高溫等離子體與第一壁材料，減少了從壁材料表面釋放的雜質(zhì)粒子，從而提高等離子體的約束性能。圖表88：液態(tài)鋰能夠提高等離子體約束性能資料來源：《磁約束核聚變裝置等離子體與壁相互作用研究簡述》（胡建生等，2020），華泰研究包層模塊將升級為增殖包層以實現(xiàn)氚自持天然氚基本消失，而聚變堆需氚自持持續(xù)運行。目前聚變反應(yīng)主要采用的是氘氚聚變，氘12.43年，在自然界已基本衰變消失，為了實現(xiàn)聚變堆的長時間穩(wěn)態(tài)運行，在聚變堆消耗氚的同時，必須要依靠聚變堆自身增殖足夠的（3年，一個典型的1000MW150kg的氚燃料。未來包層模塊將升級為增殖包層，通過增殖單元產(chǎn)氚實現(xiàn)氚自持，增殖單元包括氚增殖劑和中子倍增劑：氚增殖劑可分為固體產(chǎn)氚劑Li4SiO4、Li2TiO3Li2ZrO3堆LiPb中鋰占比高，產(chǎn)氚性能好，并且液態(tài)金屬沒有輻照損傷問題，壽命更長。增殖產(chǎn)生的氚不在實際情況中存在中子損耗，因此需要在增殖單元中加入鈹或鉛作為中子倍增劑。當一個中子與鈹或鉛發(fā)生反應(yīng)后會產(chǎn)生兩個中子，這兩個新的中子又可以繼續(xù)引發(fā)更多的中子，直到次級中子能量不足以激發(fā)新的中子，形成一種有限鏈式反應(yīng)，從而提高氚增殖率。圖表89：聚變堆氚增殖包層資料來源：《聚變能源中的氚化學與氚工藝研究進展及展望》（趙林杰等，2019），華泰研究ITER：2025年有望完成第一階段建設(shè)，將成為世界上最大的托卡馬克ITER1985年，前蘇聯(lián)領(lǐng)導人戈爾巴喬夫和美國總統(tǒng)里根在日內(nèi)瓦峰會上倡議，由美、蘇、歐、日共同啟動“國際熱核聚變實驗堆（TR”計劃。TR計劃的目標是要建造一個可自持燃燒的托卡馬克核聚變實驗堆，以便對未來聚變示范堆及商用聚變堆的物理和工21ITERITER的設(shè)計參數(shù)為等離子體大半徑mmTmW500MW秒，一旦建成將成為世界上最大的托卡馬克裝置。圖表90：ITER一旦建成將成為世界上最大的托卡馬克裝置參數(shù) 設(shè)計值總聚變功率/MW 500(700)Q(聚變功率/加熱功率) >1014MeV中子平均壁負載/(MW/m2) 0.57（0.8）重復持續(xù)燃燒時間/s >500等離子體大半徑/m 6.2等離子體小半徑/m 2.0等離子體電流/MA 15（17）小截面拉長比 1.7等離子體中心磁場強度/