神力
摘要当前关于托卡马克装置的行业研究较多，但从全球来看，磁约束中其他技术路线，例如仿星器、场反位形装置，以及激光约束等技术路径也在不断突破，且国内聚变-裂变混合堆也即将进入产业落地阶段，因此应当关注混合堆以及纯聚变中多种技术路径企业的技术进展及相关投资机会。
混合堆：核心思想在于使用D-T聚变反应堆产生的高能中子来激发铀-238、钍-232等这类非易裂变材料（也称作可裂变材料）的裂变。每个中子能触发多次裂变事件，从而将每个聚变反应释放的能量放大几十到一百倍。这种设计不仅提高了核聚变的经济性，还能处理那些不适合传统裂变反应堆使用的燃料，包括核废料。混合堆又可以分为增殖堆、嬗变堆、能源堆等几种类型。2023年11月12日, 江西联创光电超导应用有限公司（下称联创光电超导）和中核聚变（成都）设计研究院有限公司签订了协议，双方计划联合建设聚变-裂变混合实验堆项目“星火一号”。 2025年3月，国光电气表示，与天府创新能源研究院等股东共同出资成立先觉聚能科技(四川)有限公司，将与天府创新能源研究院共同构建起“研究院+公司”相互支撑的聚变裂变混合能源事业核心组织架构。：1）链主企业：国光电气（混合堆总承/分系统、涉氚各类设备零部件），联创光电（混合堆总承/分系统、超导磁体、核聚变设备），合锻智能（聚变堆分系统；真空室扇区、窗口延长段、重力支撑）；2）超导磁体：永鼎股份（高温超导带材）；精达股份（高温超导线材）；联创光电（同上），西部超导（低温超导线材），东方钽业（超导铌材）；3）电源类：旭光电子（真空开关、氮化铝核心材料），王子新材（薄膜电容），许继电气（电源电气总承），上海电气（杜瓦、真空室、TF线圈等），弘讯科技（聚变电源器），久盛电气（特种电缆），英杰电气（特种电源）；4）结构件/功能件：安泰科技（钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料），久立特材（TF、PF导管），海陆重工（结构件），航天晨光（杜瓦系统）。风险提示：可控核聚变技术发展不及预期；ITER项目推进不及预期；国内项目推进不及预期；项目投融资不及预期
01混合堆
混合堆
1.1 混合堆的概念
混合核聚变-裂变（混合核能）：是一种利用核聚变和裂变过程相结合来生产核燃料及发电的方法。混合堆的核心思想在于使用D-T聚变反应堆产生的高能中子来激发铀-238、钍-232等这类非易裂变材料（也称作可裂变材料）的裂变。每个中子能触发多次裂变事件，从而将每个聚变反应释放的能量放大几十到一百倍。混合堆的概念实际上可以降低对聚变功率的要求。这就降低了第一壁的高能中子负载,极大减轻了对材料的要求。此外，因为所用的裂变材料本身热中子区不可维持链式反应，故这种裂变在热堆不会自发临界。这种设计不仅提高了核聚变的经济性，还能处理那些不适合传统裂变反应堆使用的燃料，包括核废料。【增殖堆】包层使用可裂变材料,用液态金属/气冷/熔盐等冷却方式,生产的易裂变燃料进行铀钚分离后供热堆或者快堆使用。有一种采用抑制裂变设计的增殖堆,可以实现一个循环将天然铀转化为3%左右低浓铀,直接供压水堆使用。上世纪80年代末至90年代中期,中国商用混合堆就采取了这种思路。该设计聚变功率为2000MW,使用大量的铍来增殖中子。另外,混合堆的增殖能力是和聚变功率直接相关的。在系统总功率一定的情况下,包层内能量放大倍数越高,聚变功率越低,生产核燃料越少;反之,能量放大倍数越低,聚变功率越高,生产核燃料越多。显然,在聚变发展的不同阶段,增殖堆的设计要求是不同的。图：聚变-裂变混合堆反应原理资料来源：可控核聚变、中国核技术网、国际热核实验反应堆专题，彭先觉等,方正证券研究所图：混合堆示意图资料来源：可控核聚变、中国核技术网、国际热核实验反应堆专题，彭先觉等,方正证券研究所因此科学家首先想到的是在包层内放置大量天然铀、钍或者贫化铀,利用可转换材料的裂变,实现能量放大、并产生易裂变材料，这种类型的混合堆简称增殖堆。【嬗变堆】从1990年代开始,美国的混合堆研究开始转向乏燃料的处理。乏燃料中的Pu239、Pu241是很好的易裂变材料,Pu240、镎、镅、锔等元素在高能区都可以发生直接裂变。因此,利用高能中子来进行嬗变超铀元素是有吸引力的。Sandia的InZinerator，Georgia理工学院提出的SABR，以及中国科学院等离子体物理研究所设计的FDS系列混合堆都属于这类。由于包层内放了大量超铀元素,这种包层的能量放大倍数在几十以上，其能量主要是裂变放出的,要求的聚变功率只有几十MW。但超铀元素(主要是钚)的装量在40吨左右,比快堆所需的钚还多10倍左右，因此面临超铀元素装量较大的问题。图：Georgia理工学院的SABR示意图资料来源：可控核聚变、中国核技术网、国际热核实验反应堆专题，彭先觉等，方正证券研究所【能源堆】彭先觉所在的研究小组在分析传统增殖堆概念的基础上,经过比较多种燃料与冷却剂的组合方案,提出了以U-10Zr合金为燃料,用轻水冷却,以供应能源为目的的混合堆概念,简称混合能源堆。能源堆的核燃料可用天然铀或压水堆乏燃料,后期也可用能源堆自身的乏燃料、贫化铀。这种堆型生产的核燃料只供自身使用,燃料后处理只需去除吸收截面大的裂变产物,而不涉及铀钚的分离,且后处理可采用简单干法处理和湿法处理相结合的方法进行(若从天然铀核燃料开始,也不需要铀浓缩)。另外,U-Zr合金可参考美国在U-Pu-Zr合金方面的工作,轻水冷却方式可以借鉴压水堆的成熟技术,因而混合能源堆具有较好的技术基础。初步研究结果表明,混合能源堆如用天然铀启动,包层能量放大倍数在10左右;如果以压水堆乏燃料启动,能量放大倍数在15左右。这两种方式均可有效地降低聚变中子源强度,实现氚的自持。这种系统运行期间的功率波动小,燃料初装量较大,考虑到同功率下,燃耗深度较浅,为提高经济性可采用3—5年的换料周期,并采用简单干法为主的后处理方式。首炉可用天然铀,后期可用能源堆的乏燃料、贫化铀组合,扩大堆的规模。能源堆可使聚变技术提前服务人类,同时实现持续燃烧U-238的目的,而且可较少受资源的约束。Z箍缩聚变-裂变混合能：采用Z箍缩驱动惯性约束聚变(ICF)途径,利用快Z箍缩技术提供足够的等离子体内爆动能、并与聚变靶丸相互作用,近似球对称地压缩热核燃料(氘氚冰),最终实现大规模热核聚变。同时提出“先进次临界能源堆”概念:以天然铀为初始核燃料,以水作为传热(慢化)介质,其能量放大倍数M值为10-20倍,造氚率(TBR)大于1.05,采用“简单干法”进行核燃料循环。Z箍缩相对激光ICF的优势：1）能量转换效率高：Sandia曾在Z装置上用20MA电流产生脉宽，5ns、功率200TW、总能量约2MJ的X射线(他们认 为,作为能源应用,需要驱动器电流大于70MA),能 量转换效率为15%。高的X射线转换效率对开发能 源是至关重要的。激光ICF最大的一个问题就是电能转化为激光能的效率太低。2）造价更低：Z箍缩驱动器的造价要比ICF驱动器或者磁约束聚变低。Z箍缩ICF使用的靶丸较大,聚变产额高。图：Sandia设计的Z箍缩惯性(纯)聚变能源示范堆资料来源：强激光与粒子束，国际热核实验反应堆专题，彭先觉等，方正证券研究所Z箍缩驱动的ICF，用大功率脉冲电流通过金属套筒(或金属丝阵)时形成强电磁内爆并产生大量X射线作为驱动源的。Sandia设计的Z箍缩聚变能源装置：靶丸每次爆炸可放出3GJ的能量,计划每10s爆炸一次,相当于聚变功率300MW。他们计划在12个腔室内依次引爆靶丸,实现1000MW的电功率输出。要实现上述目标,必须解决好3个问题:1)加速器的设计,要求电流60—100MA,重复频率0.1Hz,且要能长时间稳定运行;2)高产额聚变靶设计,实现高效率能量转换,单发释能大于2GJ;3)爆室及换靶机构设计,实现换靶、氚循环和有效的热交换。实际上,如果采用混合堆的概念,实现10倍的裂变包层能量放大,则只需要用一个腔室即可,这就大大简化了工程设计。
Z箍缩聚变-裂变混合能：涉及的关键技术主要包括高产额聚变靶设计技术、重复频率大电流驱动器设计技术、次临界能源堆设计技术、换靶机构和爆室设计技术。其中以前三项最为关键,涉及技术路线的选择、工程实现的可能性、经济性等诸多问题,第四方面更多涉及工程问题。
Z-FFR主要包括60-70MA级驱动器、次临界能源堆、靶和负载工厂、氚工厂和燃料循环几大系统组成,各系统建造成本及总造价估算见下表。Z-FFR的优势：1）经济性优势明显：比快堆便宜、安全、且后续运行费用较少;比热堆稍贵但能成为千年能源并具有多项优点;比纯聚变堆经济性更高,技术难度大为减小,且安全性与环境友好性可以比拟。此外，Z-FFR运行时物质消耗量小、废料少(每年仅消耗1t天然铀、产生约1t废料）,处理废料消耗的资源少;快堆建造成本主要由大量的初始钚装料和燃料元件的制造成本构成，而热堆尚未考虑乏燃料和废料处理成本。 (1)关键技术攻关阶段:建成30~40MA级驱动器,重点开展Z箍缩驱动聚变点火研究,以及利用该装置研究次临界裂变堆模块设计氚循环,同时亦可作为高能量密度物理实验平台; (2)技术集成和功能演示(DEMO堆)阶段:建成可用作能源应用的60MA级驱动器,开展Z箍缩驱动聚变能源相关技术研究,完善各项工程技术问题; (3)应用阶段:进行工业应用演示。资料来源：强激光与粒子束，国际热核实验反应堆专题，彭先觉等，方正证券研究所1.2 混合堆的产业进展：星火一号中核集团与江西省政府签署全面合作战略框架协议2023年11月12日,中核集团与江西省政府签署全面战略合作框架协议。当日江西联创光电超导应用有限公司（下称联创光电超导）和中核聚变（成都）设计研究院有限公司签订了协议，双方计划各自发挥技术优势，联合建设聚变-裂变混合实验堆项目“星火一号”。技术目标Q值大于30，实现连续发电功率100 MW。该项目拟落户江西省，工程总投资预计超过200亿元。计划在 2025 年完成核聚变混合堆实验技术验证，2029 年首次并网发电。 2024年6月，联创光电与中核集团就共同推进“星火一号”聚变-裂变混合示范堆的建设达成了初步合作意向。2025年3月28日，星火一号高温超导混合堆项目在成都顺利通过了项目需求（PR文件）的全面评审。这一重要成果标志着星火一号在高温超导混合堆领域迈出了坚实的一步，为未来可控核聚变技术的发展奠定了坚实基础，具有重要的里程碑意义。评审过后星火一号将进入更为关键的实施阶段，为我国能源可持续发展和全球核聚变事业做出更大贡献。
图：战略合作框架协议签署仪式与星火一号完成项目需求文件评审
资料来源：界面新闻、澎湃新闻、可控核聚变、方正证券研究所
1.2混合堆的产业进展：先觉聚能
2025年3月6日，国光电气在投资者互动平台回复表示，与天府创新能源研究院等股东共同出资成立先觉聚能科技(四川)有限公司（注册资本500万元），其中国光电气持股比例为7.5%，并有两位董事在合资公司董事会，国光电气董事长张亚先生合资公司董事长。天府创新能源研究院是2021年2月在成都设立的一家新型研发机构，以分步实现电磁驱动聚变裂变混合堆能源为目标，致力于聚集领域高端人才，发展创新能源技术，中国工程院院士、中国工程物理研究院研究员、原子核物理学专家彭先觉任该研究院院长。先觉聚能科技（四川）有限公司，定位为支撑天府创新能源研究院发展的市场化机构，将与天府创新能源研究院共同构建起“研究院+公司”相互支撑的聚变裂变混合能源事业核心组织架构。天眼查显示，先觉聚能股东方包括天府创新能源研究院、成都国光电气股份有限公司（简称“国光电气”）、深圳前海捷创资本管理有限公司（简称“捷创资本”）等等。图：先觉聚能成立
资料来源：可控核聚变、天眼查、方正证券研究所
02相关标的1）链主企业：国光电气（混合堆总承/分系统、涉氚各类设备零部件），联创光电（混合堆总承/分系统、超导磁体、核聚变设备），合锻智能（聚变堆分系统；真空室扇区、窗口延长段、重力支撑）；2）超导磁体：永鼎股份（高温超导带材）；精达股份（高温超导线材）；联创光电（同上），西部超导（低温超导线材），东方钽业（超导铌材）；3）电源类：旭光电子（真空开关、氮化铝核心材料），王子新材（薄膜电容），许继电气（电源电气总承），上海电气（杜瓦、真空室、TF线圈等），弘讯科技（聚变电源器），久盛电气（特种电缆），英杰电气（特种电源）；4）结构件/功能件：安泰科技（钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料），久立特材（TF、PF导管），海陆重工（结构件），航天晨光（杜瓦系统）。【方正军工/机械】
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