《機械行業未來產業系列研究：可控核聚變專題報告（二）托卡馬克的發展史全梳理-240124（19頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機械行業未來產業系列研究：可控核聚變專題報告（二）托卡馬克的發展史全梳理-240124（19頁）.pdf（19頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、 敬請閱讀末頁的重要說明 證券研究報告|行業深度報告 2024 年 01 月 24 日 推薦推薦（維持維持）托卡馬克的發展史全梳理托卡馬克的發展史全梳理 中游制造/機械 托卡馬克是當前最具商業化潛力的核聚變托卡馬克是當前最具商業化潛力的核聚變技術路徑技術路徑之一，也是各個大國開展聚之一，也是各個大國開展聚變實驗時重點聚焦的技術路徑。變實驗時重點聚焦的技術路徑。隨著高溫超導技術的突破，民營資本大量涌入隨著高溫超導技術的突破，民營資本大量涌入可控核聚變賽道，“洪荒可控核聚變賽道，“洪荒 70”（能量奇點）、“”（能量奇點）、“SUNIST-2”(星環聚能星環聚能)等托等托卡馬克裝置卡馬克裝置運行運

2、行進程提速。進程提速。在這篇報告中，我們主要梳理了托卡馬克的運行原在這篇報告中，我們主要梳理了托卡馬克的運行原理及構成理及構成、其長達、其長達 50 年的年的發展史發展史、目前、目前面臨的技術上的挑戰面臨的技術上的挑戰，以及各國科學，以及各國科學界界對于對于托卡馬克托卡馬克未來未來發展發展的展望。的展望。托卡馬克：磁約束聚變路徑的主流裝置，磁體系統是核心部件。托卡馬克：磁約束聚變路徑的主流裝置，磁體系統是核心部件。磁約束聚變，顧名思義，就是利用磁場來約束帶電的等離子體。磁約束聚變裝置包括托卡馬克、仿星器、磁鏡等。托卡馬克在技術上最成熟，理論上更可行，已成為可控磁約束聚變研究的主流。由各種線圈組

3、成的磁體系統是托卡馬克的核心部件。發展史：從越建越大到越建越緊湊。發展史：從越建越大到越建越緊湊。大半徑、小半徑和磁場強度這三個參數共同決定了托卡馬克裝置能實現多少聚變三重積。因此，在沒有超導材料或其他技術加成的情況下，托卡馬克建得越大，它的等離子體約束能力和凈能量輸出的能力就越好。隨著經濟、時間成本水漲船高，如何提升磁場強度成為了人們關注的方向，超導（包括普通超導和高溫超導）技術就是實現托卡馬克小型化、緊湊化的突破口。目前，托卡馬克還處于實驗堆的階段，一切目前，托卡馬克還處于實驗堆的階段，一切技術上技術上的突破都是為了之后的示范堆和的突破都是為了之后的示范堆和聚變電站聚變電站打基礎。打基礎。

4、主要難點：等離子體“大破裂”的預防和應對，以及材料的選擇。主要難點：等離子體“大破裂”的預防和應對，以及材料的選擇。首先，由于等離子體的不穩定性，“大破裂”是幾乎所有的托卡馬克在運行中都會遇到突發的失控事件，具體表現為等離子體極快的冷卻和電流損失。截至目前，還沒有哪個托卡馬克裝置能夠完全避免這種現象的發生。其次，“大破裂”發生時，面對等離子體的材料元件會受到很大的機械應力和電磁負載，然后變形。因此，器壁材料的選擇非常重要，包括第一壁材料和偏濾器材料。未來展望：未來展望：各國原先的規劃為 2030 年-2050 年左右完成示范堆和聚變電站的建設。我國計劃 2030 年建成 CFETR 工程堆，2

5、050 年建成 PFPP 原型電站。但是，高溫超導、混合堆等技術的加速突破，以及民營資本的涌入可能會加速這一過程。以我國為例，初創公司能量奇點計劃在 2024 年內建成運行“洪荒 70”并點燃等離子體，未來 10-15 年內建成經濟聚變發電商業示范堆。2023 年 7 月，我國清華大學和星環聚能聯合建設的 SUNIST-2 球形托卡馬克建成并開展了首輪運行，獲得 100 千安培等離子體電流。投資建議：投資建議：可控核聚變產業已經進入了從 0-1 的加速階段，建議關注產業內相關動態。風險提示：風險提示：遇到新的技術瓶頸遇到新的技術瓶頸、被其他技術路徑替代被其他技術路徑替代、花費資金金額超預、花費

6、資金金額超預期期、資金投入不及預期資金投入不及預期 行業規模行業規模 占比%股票家數（只）467 9.2 總市值（十億元）3082.5 4.4 流 通 市 值（十 億元）2531.4 4.1 行業指數行業指數%1m 6m 12m 絕對表現-13.1-19.9-16.8 相對表現-9.6-4.2 6.2 資料來源：公司數據、招商證券 相關相關報告報告 1、未來產業系列研究：可控核聚變專題報告聚變-裂變混合堆，并非一個神話2024-01-04 胡小禹胡小禹 S1090522050002 宋盈盈宋盈盈 S1090520080001 林喜鵬林喜鵬 S1090522050001 王超王超 S109051

7、4080007 鄢凡鄢凡 S1090511060002 方嘉敏方嘉敏 研究助理 -30-20-10010Jan/23May/23Sep/23Dec/23(%)機械滬深300未來產業系列研究：可控核聚變專題報告未來產業系列研究：可控核聚變專題報告（二）（二）敬請閱讀末頁的重要說明 2 行業深度報告 正文正文目錄目錄 一、前言.4 二、托卡馬克：地球上的“人造太陽”.4 1、托卡馬克是磁約束聚變路徑的主流裝置.4 2、磁體系統是托卡馬克的核心部件.5 三、托卡馬克發展史全梳理.5 1、托卡馬克發展史中的“里程碑”事件.5 2、各國群雄逐鹿，實現了哪些科學目標？.9 四、托卡馬克價值量拆分及主要技術

8、難點.15 五、如何看托卡馬克的未來？.17 六、風險提示.18 圖表圖表目錄目錄 圖 1：等離子體帶電（電子與原子核剝離開來）.4 圖 2：三種約束等離子體的方式.4 圖 3：托卡馬克、仿星器、磁鏡.4 圖 4：托卡馬克裝置的構成.5 圖 5：托卡馬克磁體系統構成示意圖.5 圖 6：蘇聯 T-3 裝置.6 圖 7：泵（Hg）的超導性.6 圖 8：超導托卡馬克示意圖.6 圖 9：蘇聯的 T-7，中國東方超環的前身.7 圖 10：等離子體高、低約束模式下溫度、密度示意圖.7 圖 11：JET 的“D”形截面設計.8 圖 12：ITER 的三個科學目標和一個工程目標.8 圖 13：ITER 裝置結

9、構構成.8 圖 14：ITER 七方貢獻比例（%）.8 圖 15：各國家承接的 ITER 部件.9 圖 16：托卡馬克等離子體的性能提升速度比 CPU 芯片還要快.10 圖 17：EAST 東方超環（中國科學院等離子體所）.10 hYaXoXjUMBdYhZdUMAnPoMnPbR8Q8OoMnNtRtPlOqQqRiNpNmR6MoOwPNZnQpMwMqRpO 敬請閱讀末頁的重要說明 3 行業深度報告 圖 18：HL-3 環流三號（核工業西南物理研究院）.10 圖 19：TFTR 裝置.11 圖 20：DIII-D 裝置.11 圖 21：JT-60SA 裝置.11 圖 22：K-STAR

10、裝置.12 圖 23：托卡馬克實驗參數用定標率.12 圖 24：越造越大的托卡馬克裝置.13 圖 25：東方超環超導線圈實物截面.13 圖 26：C-Mod 率先開啟“緊湊型”托卡馬克新紀元.14 圖 27：SPARC 的誕生徹底點燃研究熱情.14 圖 28：ITER 托卡馬克裝置中除磁體外的核心部件及其作用.15 圖 29：ITER 各部件價值量占比（%）.16 圖 30：等離子體破裂的典型特征波形（左等離子體環電壓、右等離子體電流）16 圖 31：我國磁約束聚變發展路線圖.17 圖 32：美國 CFS 的 SPARC 項目設計圖.18 圖 33：我國能量奇點的“洪荒 70”.18 表 1：

11、主要托卡馬克裝置的參數及成本.13 表 2：托卡馬克中的最高記錄及創造記錄的裝置.14 表 3：各國對于可控核聚變發電的規劃.17 敬請閱讀末頁的重要說明 4 行業深度報告 一、一、前言前言 在上篇可控核聚變專題報告中，我們重點解釋了聚變-裂變混合堆這一方案的技術優勢?；旌隙训亩研臼蔷圩兎磻l生的地方，很多堆芯的設計采用的是“托卡馬克”的形式?？梢哉f，托卡馬克是當前最具商業化潛力的核聚變技術路徑之一，也是各個大國開展核聚變實驗時重點聚焦的技術路徑。在這篇報告中，我們主要梳理了：（1）托卡馬克的運行原理及構成；（2）托卡馬克的發展史；（3）托卡馬克面臨的技術上的挑戰；（4）對于托卡馬克未來的展望

12、。二、二、托卡馬克：地球上的“人造太陽”托卡馬克：地球上的“人造太陽”1、托卡馬克是磁約束聚變路徑的主流裝置托卡馬克是磁約束聚變路徑的主流裝置 等離子體有三種約束方式等離子體有三種約束方式，磁場約束磁場約束在民用領域在民用領域最為常見最為常見。聚變反應堆中，氘、氚等離子體在極高的能量下，電子和原子核完全剝離開來，原子核帶正電，電子帶負電。磁約束聚變，顧名思義，就是利用磁場來約束帶電的等離子體。受到洛倫茲力（運動電荷在磁場中所受到的力）的影響，等離子體在磁場中會繞著磁力線不斷旋轉，這就是磁約束聚變的原理。除磁約束聚變外，還有另外兩種約束等離子體的方式：引力約束和慣性約束。引力約束聚變無法在地球上

13、實現，慣性約束聚變雖已實現了較高的能量增益因子（Q 值），但更常用于軍事領域。圖圖1：等離子體帶電（電子與原子核剝離開來）等離子體帶電（電子與原子核剝離開來）圖圖2：三種：三種約束等離子體的方式約束等離子體的方式 資料來源：酷玩實驗室、招商證券 資料來源：超導磁體技術與磁約束聚變、招商證券 托卡馬克是磁約束聚變中的主流托卡馬克是磁約束聚變中的主流裝置。裝置。磁約束聚變裝置包括托卡馬克、仿星器、磁鏡幾種。托卡馬克在技術上最成熟，原理上更可行，已成為可控磁約束聚變研究的主流。圖圖 3：托卡馬克、仿星器、磁鏡托卡馬克、仿星器、磁鏡 資料來源：中國科學院、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 5 行業深度

14、報告 2、磁體系統是托卡馬克的核心部件磁體系統是托卡馬克的核心部件 托卡馬克托卡馬克的的形狀酷似一個“甜甜圈”，主要形狀酷似一個“甜甜圈”，主要由由極向場線圈、環向場線圈和歐姆極向場線圈、環向場線圈和歐姆加熱線圈三個加熱線圈三個部分構成部分構成。為什么為什么要采用這樣的設計？要采用這樣的設計？第一，第一，洛倫茲力能用來約束等離子體，但它只對垂直于磁力線運行的等離子體起作用。因此，為了防止不垂直于磁力線運行的等離子體向外飛散，托卡馬克采用的是環狀的設計（將等離子體圈起來）。第二，第二，為了均勻這個“甜甜圈”內外磁場的強度，防止等離子體向外漂移，還需要在托卡馬克的中間加一個歐姆加熱線圈，使等離子體

15、產生沿著環運動的電流。第三，第三，等離子體電流產生的磁場與環向場線圈產生的磁場一起構成磁力線，將等離子體扭成“麻花狀”。最后，最后，在托卡馬克上方的極向場線圈會產生磁場，用來控制等離子體截面形狀和位置平衡。綜上所述，由各種線圈組成的磁體綜上所述，由各種線圈組成的磁體系統系統能夠形成螺旋狀的磁場能夠形成螺旋狀的磁場，將等離子體約將等離子體約束住束住。這個磁體系統就。這個磁體系統就是托卡馬克的核心部件。是托卡馬克的核心部件。圖圖4：托卡馬克裝置的構成：托卡馬克裝置的構成 圖圖5：托卡馬克磁體系統構成示意圖：托卡馬克磁體系統構成示意圖 資料來源：超導磁體技術與磁約束聚變、招商證券 資料來源：托卡馬克

16、聚變堆研究進展、招商證券 三、三、托卡馬克發展史全梳理托卡馬克發展史全梳理 科學的發展有其內在規律，沒有時間的積累，科技無法發生突破性的進展。因此，我們復盤了托卡馬克的發展史，重點梳理了幾大“里程碑”事件及代表性的裝置。1、托卡馬克發展史中的“里程碑”事件托卡馬克發展史中的“里程碑”事件（1）1960s：蘇聯蘇聯 T-3 裝置讓托卡馬克裝置讓托卡馬克正式正式走入人們的視野走入人們的視野 托卡馬克（Tokamak）在俄語中由“環形（toroidal）”“真空室（kamera）”“磁（magnit）”“線圈（kotushka）”幾個詞組成，最早被蘇聯庫爾恰托夫研究所的科學家在 20 世紀 50 年

17、代提出。1958 年年底，世界上第一個托卡馬克裝置 T-1 誕生。1968 年，該裝置發展到了第三代年，該裝置發展到了第三代（T-3），實現了，實現了 1 千電子伏千電子伏的等離子體電子溫度和的等離子體電子溫度和 0.5 千電子伏的離子溫度，千電子伏的離子溫度，Q 值十億分之一。值十億分之一。這一結果在蘇聯新西伯利亞國際會議上公布后，引起了轟動。英國卡拉姆實驗室于次年 敬請閱讀末頁的重要說明 6 行業深度報告 證實了該實驗結果，隨后，全球掀起了研究托卡馬克研究的熱潮。圖圖 6：蘇聯蘇聯 T-3 裝置裝置 資料來源：托起明天的太陽、招商證券（2）1970s：蘇聯：蘇聯 T-7 開啟托卡馬克“超導

18、”時代開啟托卡馬克“超導”時代 聚變反應需要在高溫、高壓的極端環境發生，因此，磁體材料的性能變得尤為重要。早期的托卡馬克采用的磁體材料為銅導體，這種導體在強大的電流下容易發熱，導致能量耗散嚴重。1911 年，荷蘭物理學家末林昂內絲發現金屬汞（Hg，也就是常說的水銀）在溫度冷卻到 4.2K 時，其電阻會突然消失。這種在特殊低溫條件下電阻能夠降為零的材料就叫超導材料，能夠盡量避免或減弱線圈的發熱問題，利于托卡馬克的長時間運行。圖圖7：泵（泵（Hg）的超導性）的超導性 圖圖8：超導托卡馬克示意圖：超導托卡馬克示意圖 資料來源：Hyperphysics、招商證券 資料來源：國家能源網、招商證券 蘇聯的

19、蘇聯的 T-7 是世界上第一個是世界上第一個使用超導材料的使用超導材料的托卡馬克裝置，也是我國著名的托卡馬克裝置，也是我國著名的“東方超環”的前身?！皷|方超環”的前身。T-7 在 1978 年建成，1991 年，該裝置被轉交給了中國科學院等離子體物理研究所。1994 年，中科院將其改造成為后來的 HT-7。2006 年，HT-7 又被改造成現在的“東方超環”（EAST）。這一系列的改造過程，成就了現在“全超導”形態的東方超環：T-7 的環向場采用了超導線圈，HT-7 則是在縱場磁體上采用了超導體繞制。EAST 的整個磁體系統采用的都是超導材料。敬請閱讀末頁的重要說明 7 行業深度報告 圖圖 9

20、：蘇聯的蘇聯的 T-7，中國東方超環的前身，中國東方超環的前身 資料來源：中國科學院等離子體物理研究所、托起明天的太陽、招商證券（3）1980s：德國：德國 ASDEX 發現發現 H-模模，突破托卡馬克研究瓶頸，突破托卡馬克研究瓶頸 早期的托卡馬克研究主要利用等離子體電流的歐姆加熱效應來加熱等離子體。但歐姆加熱效率會隨著電子溫度的升高而迅速下降。這種約束狀態稱為低約束模式（Low-mode，L 模）。簡單來說，在這種狀態下，溫度越高，等離子體越難約束。1982 年，德國物理學家瓦格納在年，德國物理學家瓦格納在 ASDEX 托卡馬克裝置上托卡馬克裝置上首次首次發現了發現了H 模（模（High-m

21、ode），這種高約束模，這種高約束模在高功率加熱下的能量約束時間基本是之在高功率加熱下的能量約束時間基本是之前低約束前低約束模模的的 2 倍。倍。這一發現使得托卡馬克的規模和建造經費至少比之前減少一半。圖圖 10：等離子體高、低約束模式下溫度、密度示意圖等離子體高、低約束模式下溫度、密度示意圖 資料來源：托卡馬克聚變堆研究進展、招商證券（4）1980s：歐盟歐盟 JET 非圓截面創新設計非圓截面創新設計 此外，科學家們還在研究中發現，托卡馬克腔室截面的形狀也會影響等離子體的約束。在最早期的托卡馬克設計中，其腔室的截面為圓形。研究發現，如果將這種形狀改為“D”形，磁體線圈內部的張力就會更加均衡，

22、能夠承載更大的等離子體電流，其約束等離子體的能力也會變得更好。1983 年，歐洲聯合環年，歐洲聯合環（JET）正式建成并投運。）正式建成并投運。JET 采用了非圓截面（“采用了非圓截面（“D”形）環向場線圈，有效”形）環向場線圈，有效地降低了實驗的成本，為后來核聚變裝置的設計和建造提供了極大的參考價值。地降低了實驗的成本，為后來核聚變裝置的設計和建造提供了極大的參考價值。之后美國的 DIII-D 裝置和日本的 JT-60 裝置也采用了這種設計。敬請閱讀末頁的重要說明 8 行業深度報告 圖圖 11：JET 的“的“D”形截面設計”形截面設計 資料來源：中國核電網、招商證券（5）2000s：國際熱

23、核國際熱核聚變實驗堆聚變實驗堆（ITER）啟動啟動建設建設 超導、H 模、非圓截面腔室等發現和創新大大提升了托卡馬克建造的性價比。1988 年，美、蘇、歐、日共同啟動了 ITER 計劃。2006 年，年，ITER 正式啟動建正式啟動建設，選址在法國，由設，選址在法國，由 35 個國家共同參與，個國家共同參與，7 方方（歐盟、印度、美國、俄羅斯、（歐盟、印度、美國、俄羅斯、韓國、日本和中國）參與建設。韓國、日本和中國）參與建設。歐盟對該項目貢獻 45.46%，其余六方各貢獻了9.09%。ITER 采用的是托卡馬克這一技術路徑，目標是建造一個可自持燃燒的核聚變實驗堆。為了實現這個大目標，ITER

24、設定了三個階段性的小目標，如圖 12 所示。ITER 的啟動標志著可控核聚變的啟動標志著可控核聚變的研究的研究將集聚各個國家的將集聚各個國家的科研科研力量，聚變能正式力量，聚變能正式成為全人類共同追求的清潔能源。成為全人類共同追求的清潔能源。圖圖 12：ITER 的三個科學目標的三個科學目標和一個工程目標和一個工程目標 資料來源：托起明天的太陽、招商證券 圖圖13：ITER 裝置結構構成裝置結構構成 圖圖14：ITER 七方貢獻比例（七方貢獻比例（%）資料來源：中國核電網、招商證券 資料來源：托起明天的太陽、招商證券 受技術瓶頸、疫情等因素影響，受技術瓶頸、疫情等因素影響，ITER 計劃進展不

25、及預期，預算也從最開始的計劃進展不及預期，預算也從最開始的45.46%9.09%9.09%9.09%9.09%9.09%9.09%歐盟印度美國俄羅斯韓國日本中國 敬請閱讀末頁的重要說明 9 行業深度報告 50 億歐元（折合人民幣億歐元（折合人民幣 450 億元）上漲至億元）上漲至 200 億歐元（折合人民幣億歐元（折合人民幣 1800 億億元）。元）。項目最初計劃在 2016 年開機，后延期至 2025 年。ITER 進展不及預期進展不及預期的主要原因的主要原因如下如下：一、關鍵部件質量問題修復影響關鍵部件質量問題修復影響了了安裝安裝的的進度：進度：質量差的部件主要包括韓國與歐盟負責的真空室部

26、件及韓國承制的冷屏部件。二、新的重大技術變更二、新的重大技術變更，尚未獲得各方一致同意：尚未獲得各方一致同意：新任總干事出于鈹的毒性等原因，提議將第一壁材料（直接與等離子體接觸的材料）由鈹換成鎢，但換鎢后將引入新的第一壁硼化系統，且面臨諸多技術問題。三：三：基準方案重大調整、技術難度與風險增加基準方案重大調整、技術難度與風險增加：從第一束等離子體到開始運行，原基準計劃是 10 年四個階段。ITER 組織提議只進行一次升級改造，賦予了第一等離子體階段更多目標使命，技術難度與風險增加。圖圖 15：各國家承接的：各國家承接的 ITER 部件部件 資料來源：托起明天的太陽、招商證券 2、各國群雄各國群

27、雄逐鹿，實現了哪些科學目標？逐鹿，實現了哪些科學目標？除了除了 ITER 項目外，世界上還有很多有名的核聚變裝置都是托卡馬克。項目外，世界上還有很多有名的核聚變裝置都是托卡馬克。實際上，承接 ITER 項目建設的七方都無一例外地將托卡馬克視為實現核聚變能發電的重要技術路徑。托卡馬克研究的進展也并沒有人們想象的那么慢。據有關研究表示，近近 50 年，托卡馬克等離子體的性能提升速度比年，托卡馬克等離子體的性能提升速度比 CPU 芯片還要快。芯片還要快。敬請閱讀末頁的重要說明 10 行業深度報告 圖圖 16：托卡馬克：托卡馬克等離子體的性能提升速度比等離子體的性能提升速度比 CPU 芯片還要快芯片還

28、要快 資料來源：科學大院、招商證券 我們對中、美、歐盟、日本、韓國我們對中、美、歐盟、日本、韓國五五個國家個國家/地區地區的托卡馬克研究做了復盤。的托卡馬克研究做了復盤。中國：中國：自上世紀自上世紀 70 年代開始，我國集中選擇托卡馬克為主要研究路徑，年代開始，我國集中選擇托卡馬克為主要研究路徑，先后建成并運行了中科院物理所的 CT-6、中國科學技術大學的 KT-5、中科院等離子體所的HT-6B、HT-6M、HT-7（EAST 前身）、核工業西南物理研究院的 HL-1A、HL-1M、HL-2A、HL-2M、HL-3 等托卡馬克裝置。中科院等離子體所的中科院等離子體所的 EAST（東方超環）（東

29、方超環）和核工業和核工業西南物理研究院的西南物理研究院的 HL-3（環（環流三號）是最值得關注的兩大裝置。流三號）是最值得關注的兩大裝置。東方超環（2006 年建成）：我國第一臺全超導非圓形截面托卡馬克。2017 年，該裝置實現 1.2 億攝氏度101 秒等離子運行；2021 年，實現7000 萬攝氏度下 1056.7 秒的等離子體放電；2023 年實現 403 秒穩態長脈沖高約束模式等離子運行，創造了托卡馬克裝置 H-模運行的世界紀錄。環流三號（2020 年建成）：我國“環流”系列的第三代裝置，也是我國目前設計參數最高、規模最大的核聚變大科學裝置。2023 年 8 月，環流三號成功實現了 1

30、00 萬安培等離子體電流下的高約束運行模式。圖圖17：EAST 東方超環（東方超環（中國科學院等離子體所中國科學院等離子體所）圖圖18：HL-3 環流三號（環流三號（核工業西南物理研究院核工業西南物理研究院）資料來源：中國科學院等離子體物理研究所、招商證券 資料來源：中國核技術網、招商證券 美國美國：美國美國政府政府在慣性約束、托卡馬克、仿星器、在慣性約束、托卡馬克、仿星器、Z 箍縮等方式都有投入，其中托卡箍縮等方式都有投入，其中托卡馬克在美國聚變基金中占據較大比例。馬克在美國聚變基金中占據較大比例。我們重點介紹我們重點介紹 TFTR 和和 DIII-D 兩大裝置。兩大裝置。敬請閱讀末頁的重要

31、說明 11 行業深度報告 TFTR（1982 年建成，1997 年退役）：世界上第一臺大型托卡馬克裝置，也是世界上第一個產生超過 10 兆瓦核聚變功率的裝置。DIII-D（1986 建成）：通用原子能公司（GA）旗下的、目前仍在運行的美國最大的磁約束聚變裝置，在先進托卡馬克運行模式、等離子體診斷、偏濾器物理等方面處于世界領先水平。中美雙方在該裝置的實驗上有過合作。圖圖19：TFTR 裝置裝置 圖圖20：DIII-D 裝置裝置 資料來源：鳳凰網、招商證券 資料來源：General Atomics、招商證券 歐盟：歐盟：歐盟歐盟除托卡馬克外還開展除托卡馬克外還開展仿星器等其他技術研究仿星器等其他技

32、術研究。JET 是歐盟最具代表性的托卡馬克裝置是歐盟最具代表性的托卡馬克裝置。該裝置于 1983 年開始運轉，于 1997年創下 0.67Q 值、21.7 兆焦耳的記錄。2021 年，該裝置刷新了自己的記錄，在 5 秒內產生了 59 兆焦耳持續能量。日本：日本：和我國一樣，日本也將和我國一樣，日本也將托卡馬克托卡馬克作為了主要研究的聚變技術路徑作為了主要研究的聚變技術路徑。日本資源匱乏，對核能的需求格外迫切。同時，因為日本憲法有禁止使用氚的明確規定，日本的托卡馬克裝置進行的是氘、氘的聚變實驗，且主要目的是實現臨界等離子體聚變條件。JT-60SA（Super Advanced）是日本最受關注的托

33、卡馬克裝置是日本最受關注的托卡馬克裝置，由日本和歐，由日本和歐盟共同建造盟共同建造。它和 EAST 一樣，也經歷了兩次的改造?！俺醢妗盝T-60 于 1985年開始運行并成功產生第一個等離子體。1989 年下半年，JT-60 開始改造，改造后的裝置被稱為 JT-60U（JT-60 Upgraded）。JT-60U 在一次實驗中實現了1.5 1021 3的聚變三重積（Q 值 1.25），至今仍是托卡馬克歷史上的最高記錄。2009 年，JT-60U 拆除后被重建成 JT-60SA（JT-60 Super Advanced），該裝置于去年 11 月“點火”。圖圖 21：JT-60SA 裝置裝置 資料

34、來源：fusionforenergy、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 12 行業深度報告 韓國：韓國：韓國也將托卡馬克作為了主要研究的聚變路徑韓國也將托卡馬克作為了主要研究的聚變路徑，“韓國太陽”，“韓國太陽”KSTAR 與與 EAST在在 H-模運行時間上展開角逐。模運行時間上展開角逐。KSTAR 是韓國最有名的托卡馬克裝置，被譽為“韓國太陽”。2017 年，KSTAR 先是實現了 70 秒的高溫等離子體運行，這一記錄在同一年被 EAST 用 101 秒7000 萬度的記錄打破。2023 年，EAST 實現了 403 秒的等離子體約束運行記錄，又一次刷新了自己在 2017 年的記錄。圖圖

35、22：K-STAR 裝置裝置 資料來源：SciTechDaily、招商證券 通過復盤托卡馬克歷史上的重要事件及各個國家的裝置，我們得出了以下兩點通過復盤托卡馬克歷史上的重要事件及各個國家的裝置，我們得出了以下兩點觀察和結論觀察和結論。（1）這幾十年的發展史，托卡馬克經歷了從越建越大到越建越緊湊的過程。這幾十年的發展史，托卡馬克經歷了從越建越大到越建越緊湊的過程。為什么越建越大？為什么越建越大？這里我們不得不提到定標率的概念：通過不斷地建造各種托卡馬克裝置，科學家們發現，托卡馬克的能量輸出功率主要是由電流、縱場、大半徑、加熱功率等參數決定的，具體公式如下圖所示。其中，我們最需要關注的三個參數就是

36、大半徑（環的大?。?、小半徑（環有多粗）和磁場強度。大半徑影響了等離子體電流的強度（影響溫度），小半徑和電流強度一起決定了等離子體密度的極限，而磁場強度又決定了等離子體約束的時間。大半徑、小半徑和磁場強度這大半徑、小半徑和磁場強度這三個參數共同決定了托卡馬克裝置能實現多少聚變三重積。三個參數共同決定了托卡馬克裝置能實現多少聚變三重積。因此，在沒有超導材料或其他技術加成的情況下，托卡馬克建得越大因此，在沒有超導材料或其他技術加成的情況下，托卡馬克建得越大（大半徑（大半徑和小半徑變大）和小半徑變大），它的等離子體約束，它的等離子體約束能力和凈能量輸出的能力能力和凈能量輸出的能力就越好。就越好。圖圖

37、23：托卡馬克實驗參數用定標率：托卡馬克實驗參數用定標率 資料來源：nuclear fusion、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 13 行業深度報告 圖圖 24：越造越大的托卡馬克裝置：越造越大的托卡馬克裝置 資料來源：ITER and the road to fusion energy、招商證券 注：圖形越大，說明裝置越大 為什么為什么后來又后來又開始走“緊湊”路線？開始走“緊湊”路線？因為隨著托卡馬克越建越大，經濟成本和時間成本也變得越來越高。因為隨著托卡馬克越建越大，經濟成本和時間成本也變得越來越高。ITER 項目就是最好的例子。所以，如何從提升磁場強度的角度來提升聚變三重積成為了所以

38、，如何從提升磁場強度的角度來提升聚變三重積成為了人們關注的方向。人們關注的方向。怎么才能提升磁場強度呢？怎么才能提升磁場強度呢？首先，首先，普通的超導金屬材料就普通的超導金屬材料就可以提升一定等離子體電流下的磁場強度?？梢蕴嵘欢ǖ入x子體電流下的磁場強度。從下表就可以看出，采用超導設計的 EAST 和 KSTAR 雖然大半徑和小半徑沒有DIII-D、JT-60SA 高，磁場強度卻高達 3.5T。圖圖 25：東方超環：東方超環超導線圈實物截面超導線圈實物截面 資料來源：中國科學院等離子體物理研究所、招商證券 表表 1：主要托卡馬克裝置的參數及成本：主要托卡馬克裝置的參數及成本 DIII-D KS

39、TAR（超導）EAST（超導）JT-60SA ITER ARC（高溫超導）大半徑 1.67m 1.8m 1.8-1.9m 3.0m 6.2m 3.2m 小半徑 0.67m 0.5m 0.45m 1.18m 2.5m 1.1m 磁場強度 2.1T 3.5T 3.5T 2.3T 5.3T 9.2T 建造成本 4 億美金 1.65 億元 153 億元 200 億歐元 建造所花時間 12 年 5-6 年 13 年 未建成 資料來源：托卡馬克聚變堆研究的進展、各實驗室官網、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 14 行業深度報告 注：ARC 是 SPARC 項目聚變電廠的名稱 其次，高溫超導材料進一步提升了

40、一定電流下允許的最高磁場強度。其次，高溫超導材料進一步提升了一定電流下允許的最高磁場強度。美國 MIT建造的阿爾卡特 C-Mod 托卡馬克率先開啟了高磁場緊湊型托卡馬克的新紀元。該裝置于 1993 年開始運行，在 2016 年正式退役，是世界上唯一一個緊湊型強磁場托卡馬克裝置。其高強度磁場可達 8 特斯拉，相當于 16 萬倍地球磁場，其離子體壓強比其他托卡馬克裝置至少高 70%。阿爾卡特 C-Mod23 年的運行史為 MIT 積 累 了 豐 富 的 技 術 經 驗 和 實 驗 數 據，促 使 其 衍 生 公 司 CFS（Commonwealth Fusion Systems）在 2021 年順

41、利推出 SPARC 項目。SPARC 是一個采用托卡馬克技術路徑的聚變原型堆，其磁體系統由高溫超導體稀土氧化鋇銅組成的線圈構成，可支撐 20 特斯拉的超強磁場。圖圖26：C-Mod 率先開啟“緊湊型”托卡馬克新紀元率先開啟“緊湊型”托卡馬克新紀元 圖圖27：SPARC 的誕生徹底點燃研究熱情的誕生徹底點燃研究熱情 資料來源：SPARC and the high-field path to commercial fusion energy、招商證券 資料來源：SPARC and the high-field path to commercial fusion energy、招商證券（2）托卡馬克

42、尚處于實驗階段，一切實驗都是“升級打怪”，積累經驗。托卡馬克尚處于實驗階段，一切實驗都是“升級打怪”，積累經驗。所有可控核聚變裝置最大且首要的目標就是達到遠超聚變三重積（溫度密度約束時間）的物理條件，實現凈能量輸出。從三重積這一數據來看，日本的 JT-60U 創造的 1.25 的 Q 值至今未被世界上任何其他托卡馬克裝置打破。同時，這一結果也無法再復刻，哪怕是 JT-60U 自己。所以，單看這一個值似乎也沒有太大的意義，因為可控核聚變最終的用途在于發電，這就需要能量能夠源源不斷地、隨時隨地地輸出?？煽睾司圩兊难芯拷K究處于實驗堆的階段，目前人們能可控核聚變的研究終究處于實驗堆的階段，目前人們能夠

43、做的，就是不斷地在各種裝置上做實驗，不斷地實現等離子體性能、約束時夠做的，就是不斷地在各種裝置上做實驗，不斷地實現等離子體性能、約束時間、放電時間等方面的突破，再將這種經驗運用到下一次的實驗當中。間、放電時間等方面的突破，再將這種經驗運用到下一次的實驗當中。每一次的突破都在帶著人類朝終極的“發電”目標更進一步。表表 2：托卡馬克中的最高記錄及創造記錄的裝置：托卡馬克中的最高記錄及創造記錄的裝置 記錄名稱記錄名稱 記錄記錄 記錄創造者記錄創造者 最大的正在建造的托卡馬克 高 30 米，直徑 28 米 ITER 最高的聚變能量輸出 16.1MW/5 秒內 59MJ 能量 JET（歐盟）最高的等離子

44、體電流 7MA JET（歐盟）最高的等離子體溫度 5.2 108 JT-60U（日本）最長的高溫等離子體放電時間 溫度 7000 萬攝氏度下 1056 秒 EAST 最長的 H-模約束時間 403 秒 EAST 最高的聚變三乘積 1.5 1021 3 JT-60U（日本）資料來源：tokamak info、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 15 行業深度報告 四、四、托卡馬克托卡馬克價值量拆分價值量拆分及主要技術難點及主要技術難點 除磁體系統外，托卡馬克還有很多其他部件除磁體系統外，托卡馬克還有很多其他部件，包括真空壓力室、包層、偏濾器、包括真空壓力室、包層、偏濾器、冷屏和外真空杜瓦、支持系統

45、等。冷屏和外真空杜瓦、支持系統等。從價值量占比來看，以 ITER 為例，環向線圈導體（26.5%）診斷系統（19.3%）磁體線圈電源（15.2%）包層第一壁（10.8%）。其中，環向線圈導體屬于磁體系統，診斷系統屬于支持系統，磁體線圈電源屬于磁體系統，包層第一壁屬于包層系統。這些部件對于托卡馬這些部件對于托卡馬克的穩定運行克的穩定運行都都起到了至關重要的作用：起到了至關重要的作用：磁體系統：磁體系統：參考本報告第二章。真空壓力室：真空壓力室：位于托卡馬克環向場線圈的內部，是等離子體直接運行的地方。包層包層系統系統：為整個裝置提供中子和高熱負荷的屏蔽，用來保護真空室和外部機器部件。偏濾器：偏濾器

46、：位于真空容器的底部，用來減少和排出氦灰等雜質，防止等離子體污染。冷屏和外真空杜瓦：冷屏和外真空杜瓦：位于裝置的最外層，用來降低熱負荷，保護磁體。支持支持系統：系統：包括診斷系統（用來“診斷”等離子體的狀態）、等離子體輸運裝置、抽氣系統等。圖圖 28：ITER 托卡馬克裝置中除磁體外的核心部件及其作用托卡馬克裝置中除磁體外的核心部件及其作用 資料來源：iter.org、招商證券 敬請閱讀末頁的重要說明 16 行業深度報告 圖圖 29：ITER 各部件價值量占比各部件價值量占比（%）資料來源：托起明天的太陽、招商證券 盡管托卡馬克已經歷了數十年的發展，這一聚變路徑仍面臨盡管托卡馬克已經歷了數十年

47、的發展，這一聚變路徑仍面臨著著許多許多難點。如何難點。如何防止等離子體“大破裂”以及如何防止等離子體“大破裂”以及如何應對“大破裂”應對“大破裂”是最難的兩件事。是最難的兩件事。1、如何防止等離子體如何防止等離子體“大破裂大破裂”由于等離子體的不穩定性，“大破裂”是幾乎所有的托卡馬克在運行中都會遇到突發的失控事件，具體表現為等離子體極快的冷卻和電流損失。目前減弱及預防等離子體大破裂的方法很多，如，氖氬彈丸雜質注入及大批量氦氣吹氣法在 DIII-D 實驗中取得了很大成功。再比如，之前提到的診斷系統就是專門用來診斷等離子體的狀態，及時對“大破裂”進行干預和抑制的系統。然而，截至目前，還沒有哪個托卡

48、馬克裝置能夠完全避免這種現象的發生。圖圖 30：等離子體破裂的典型特征波形等離子體破裂的典型特征波形（左（左等離子體環電壓等離子體環電壓、右等離子體電流）、右等離子體電流）資料來源：等離子體破裂期間逃逸電流平臺的研究、招商證券 2、如何如何應對“大破裂”應對“大破裂”既然無法完全避免，那么接下來要做的就是盡量降低“大破裂”帶來的影響?！按笃屏选卑l生時，面對等離子體的材料元件會受到很大的機械應力和電磁負載，然后變形。因此，器壁材料的選擇非常重要，這里面包括第一壁材料和偏因此，器壁材料的選擇非常重要，這里面包括第一壁材料和偏濾器材料。濾器材料。第一壁是包層系統的一個構成部分，也是直接面向等離子體的

49、那層，在整個聚變堆中的服役環境最為惡劣，面臨的材料問題也最為嚴峻。偏濾器是接收聚變反應產生的雜質的器件，需要具備較高的性能的壽命?？偟膩碚f，托總的來說，托卡馬克對于器壁材料的要求有以下幾點：卡馬克對于器壁材料的要求有以下幾點：26.5%19.3%15.2%10.8%10.0%7.1%3.7%2.8%2.6%0.9%0.7%0.3%0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%總價值量占比（%)敬請閱讀末頁的重要說明 17 行業深度報告 （1）具有高熔點、不易熔化；（）低濺射產額，保證器壁壽命；（）良好的機械性能和熱傳導性能，能夠承受高熱沉積；（）低的燃料滯留性，以降低氚滯留

50、；（）低原子序數以保證濺射產生雜質與主等離子體兼容。五、五、如何如何看托卡馬克看托卡馬克的未來？的未來？對于可控核聚變，各國原先的規劃為對于可控核聚變，各國原先的規劃為 2030 年年-2050 年左右完成示范堆和聚變電年左右完成示范堆和聚變電站的建設。我國計劃站的建設。我國計劃 2030 年建成年建成 CFETR 工程堆，工程堆，2050 年建成年建成 PFPP 原型電原型電站。但是，高溫超導、混合堆等技術的加速突破站。但是，高溫超導、混合堆等技術的加速突破可能會可能會加速這一過程。加速這一過程。表表 3：各國各國對于可控核聚變發電的規劃對于可控核聚變發電的規劃 國家國家 規劃規劃 美國 2

51、040 年建成示范堆 中國 2030 年建成聚變工程堆，2050 年建成電站 歐盟 2040 年開始建造示范堆，2050 年建成 日本 2050 年建成示范電廠 俄羅斯 2055 年建造聚變電站 韓國 2030 年建成示范堆，2040 年建造聚變電站 印度 2050 年建成兩座聚變反應堆 資料來源：托起明天的太陽、國家原子能機構、招商證券 圖圖 31：我國磁約束聚變我國磁約束聚變發展路線圖發展路線圖 資料來源：可控核聚變科學技術前沿問題和進展、招商證券 民營資本民營資本大量大量涌入，涌入，立下立下雄心壯志雄心壯志。截至 2021 年 4 月/2022 年 4 月/2023 年 4月，全球聚變行

52、業累計投資金額達 21/48/62 億美元。62 億美元中，有 59 億美元來自民營資本投資。這些民營企業中，很多都采用了托卡馬克的設計，并且將示范堆、電廠建成的時間目標提早了十幾年。美國的 CFS 計劃 2025 年建成示范堆，2030 年建成電廠。我國初創公司能量奇點計劃在 2024 年內建成運行 敬請閱讀末頁的重要說明 18 行業深度報告 “洪荒 70”并點燃等離子體，未來 10-15 年內建成經濟聚變發電商業示范堆。2023 年 7 月，我國清華大學和星環聚能聯合建設的 SUNIST-2 球形托卡馬克建成并開展了首輪運行，獲得 100 千安培等離子體電流。圖圖32：美國美國 CFS 的

53、的 SPARC 項目設計圖項目設計圖 圖圖33：我國能量奇點的“洪荒我國能量奇點的“洪荒 70”資料來源：CFS 官網、招商證券 資料來源：能量奇點官網、招商證券 六、六、風險提示風險提示 1、遇到新的技術瓶頸：遇到新的技術瓶頸：在托卡馬克的發展史中，科學家們曾遇到過許多瓶頸。隨著托卡馬克的研究從實驗堆轉向工程堆再到最后的商用電站，仍可能有許多難點和挑戰不斷浮出水面。2、被其他技術路徑替代：被其他技術路徑替代：如果仿星器、激光型慣性約束聚變等其他技術路線進展更快，托卡馬克裝置或存在被淘汰的風險。3、資金投入不及預期：資金投入不及預期：盡管超導等技術的突破已經大大降低了托卡馬克建造和運行的成本，

54、若后續資金投入不及時，許多托卡馬克裝置可能面臨停止運行的風險。敬請閱讀末頁的重要說明 19 行業深度報告 分析師分析師承諾承諾 負責本研究報告的每一位證券分析師，在此申明，本報告清晰、準確地反映了分析師本人的研究觀點。本人薪酬的任何部分過去不曾與、現在不與，未來也將不會與本報告中的具體推薦或觀點直接或間接相關。評級評級說明說明 報告中所涉及的投資評級采用相對評級體系，基于報告發布日后 6-12 個月內公司股價（或行業指數）相對同期當地市場基準指數的市場表現預期。其中，A 股市場以滬深 300 指數為基準；香港市場以恒生指數為基準；美國市場以標普 500 指數為基準。具體標準如下：股票評級股票評

55、級 強烈推薦：預期公司股價漲幅超越基準指數 20%以上 增持：預期公司股價漲幅超越基準指數 5-20%之間 中性：預期公司股價變動幅度相對基準指數介于5%之間 減持：預期公司股價表現弱于基準指數 5%以上 行業評級行業評級 推薦：行業基本面向好，預期行業指數超越基準指數 中性：行業基本面穩定，預期行業指數跟隨基準指數 回避：行業基本面轉弱，預期行業指數弱于基準指數 重要重要聲明聲明 本報告由招商證券股份有限公司（以下簡稱“本公司”）編制。本公司具有中國證監會許可的證券投資咨詢業務資格。本報告基于合法取得的信息，但本公司對這些信息的準確性和完整性不作任何保證。本報告所包含的分析基于各種假設，不同

56、假設可能導致分析結果出現重大不同。報告中的內容和意見僅供參考，并不構成對所述證券買賣的出價，在任何情況下，本報告中的信息或所表述的意見并不構成對任何人的投資建議。除法律或規則規定必須承擔的責任外，本公司及其雇員不對使用本報告及其內容所引發的任何直接或間接損失負任何責任。本公司或關聯機構可能會持有報告中所提到的公司所發行的證券頭寸并進行交易，還可能為這些公司提供或爭取提供投資銀行業務服務?？蛻魬斂紤]到本公司可能存在可能影響本報告客觀性的利益沖突。本報告版權歸本公司所有。本公司保留所有權利。未經本公司事先書面許可，任何機構和個人均不得以任何形式翻版、復制、引用或轉載，否則，本公司將保留隨時追究其法律責任的權利。