JIC投资观察原创文章
中国建投成员企业建投华科
作者：陈伊荻 刘卓然
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2023年12月29日，由中核集团牵头，联合其他24家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新联合体在四川成都宣布成立，中国聚变能源有限公司(筹)正式揭牌。
可控核聚变作为人类能源问题的理想解决方案，已成为大国科技竞争的前沿阵地。去年以来，国务院国资委启动了实施未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的重要方向。我国在可控核聚变领域也取得了显著进展：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）已经在多个实验中取得了重要成果；核聚变大科学装置“中国环流三号”面向全球开放……
人类究竟离实现可控核聚变的那一天还有多远？作为投资者，该如何把握在追逐“能源圣杯”过程中涌现出的投资机会？本文拟从可控核聚变的发展现状入手，展望可控核聚变商业化的可能性，挖掘潜在的投资机会。
01
可控核聚变为何受尽万众瞩目？
可控核聚变指的是氢同位素（如氘、氚）原子核在人为的极高温高压状态下，形成等离子体形态，通过高强度磁场、激光、引力等多种方式的在长时间约束下进行的可控聚变反应，结合成氦原子核，从而释放出巨大能量的过程。由于太阳中也时刻在发生核聚变反应、向外辐射能量，可控核聚变装置常被称为“人造太阳”。
以氘为原料的核聚变为例，每1升海水中提取出来的氘元素通过聚变反应就可以释放出300升汽油的能量；聚变反应对于环境条件要求极高，如果温度/密度下降就会导致聚变反应停止；而且反应后的产物仅为氦和中子，几乎没有放射性污染。
由此可见，与传统发电方式、以及现有的核能发电（核裂变）过程相比，核聚变都具有能量密度高、原料丰富、放射性废物少、可控性强、安全性高等显著的优势。
02
千呼万唤未出来，难点何在？
可控核聚变虽好，但由于聚变反应所需的条件非常苛刻，目前还难以达到真正实现可控核聚变发电的要求。
主要的难点在于——如何做到使核聚变输出的功率大于为了启动核聚变反应而输入的功率？因为只有这样，可控核聚变反应才能够在现实中成为一种能量来源。这就涉及到1957年英国物理学家劳森提出的“聚变三重积”的概念——聚变三重积=等离子体的温度×等离子的密度×约束时间——经计算表明，当聚变三重积达到1022次方时，聚变输出的功率等于为驱动反应而输入的功率，超过这一“点火条件”，核聚变反应才能实现净能量输出。
由上一个理论性问题，又引出了下一个现实性问题——如何将超高温高压的核聚变原料（等离子体）约束在反应容器里面足够长的时间，以完成有净能量输出的聚变反应？主流的约束方式包括磁场约束、惯性约束和引力约束三种；其中磁场约束指的是利用强磁场约束等离子体沿着磁场方向做回旋运动，等离子体在运动过程中发生碰撞从而发生核聚变，磁场约束是业内公认最有可能实现的方式；惯性约束指的是利用激光或X射线作驱动源照射核聚变原料，形成高温高压等离子体，从而点燃聚变反应，惯性约束的商业化应用潜力次之；而引力约束的效率较低，很难满足商业化应用的需求。
总而言之，目前实现商业化可控核聚变最有可能的路径就是磁约束核聚变，相关的装置又叫“环形托卡马克”装置，该装置主要分为两个核心部分，第一部分是带电线圈被绕成一个圆形环，第二部分是在圆形环外横向缠绕带电线圈，两部分综合在环内产生巨大的螺旋型磁场，将环内的核聚变原料气体电离成等离子体，将等离子体加热到极高温度，并形成约束等离子体位置与形状的磁场，在圆形环内发生长时间的聚变反应。
在磁约束核聚变装置中，决定聚变三重积的三个参数中的“等离子体密度”和“能量约束时间”都与等离子体电流成正比。也就是说，等离子体电流越高，就越接近核聚变“点火条件”。未来托卡马克要实现稳定运行，等离子体电流必须超过1兆安。而要达到高的等离子体电流，主要的方法就是增加磁约束的磁场强度与托卡马克环的尺寸，这也是目前世界各国努力的方向。
托卡马克环的尺寸增加10倍，能使聚变输出功率增加100倍。但是装置尺寸的增加本身就会带来成本的急剧增加，尺寸的无限增加将使得可控核聚变不具备经济性。所以业内主要将长期发展目标投向增加磁约束的磁场强度。
磁场强度增加10倍，能使聚变输出功率增加1000倍。但是，维持强大的约束磁场，需要给线圈加上非常大的电流。普通线圈在高强度、长时间通电后大量发热，使得线圈的效率降低，产生能耗。而超导材料由于具有显著的零电阻特性，几乎不产生电阻热，能够维持强电流、产生稳定强磁场。业内便开始探索将普通线圈更换为超导线圈材料，但是目前的低温超导线圈材料韧性低、易折断，且需要通过液氦制冷等方式将超导线圈维持在超低温状态，也带来很多实际应用上的挑战。这也是为何高温超导甚至常温超导的相关发现能够如此吸引学术界目光的原因之一，因为超导材料的进步将大大增加可控核聚变商业化的可能性。
此外，达到了“点火条件”并不意味着“万事大吉”，要保持聚变反应的稳定输出，除了“可控”以外还需要能够“自发维持”。由于等离子体本身的不稳定性，局部的温度或密度改变都可能引起整个等离子体状态的波动，所以在整个聚变反应过程中都需要严格控制、实时调控反应条件。也就是说，如何在达到点火条件以后保持等离子体的稳定运行状态、并尽量减少能量输入的需求，也是一个实操中的技术性难题。
在学术研究中，发现了多种先进等离子体运行模式，按照这些模式来操控反应条件，就能够维持在聚变反应中的等离子体低功耗稳态运行，并在多台托卡马克装置上完成验证；此外，人工智能和仿真技术的发展也使得计算机能够模拟聚变反应过程和等离子运行状态，减少实验成本，如Google、DeepMind、英伟达等公司都在使用AI技术控制等离子体运行方面投入研究。
03
可控核聚变，还要多久实现？
目前人类最先进的可控核聚变研究装置，非正在制造中的国际热核聚变实验堆（ITER）莫属。ITER装置于1988年开始研究设计，中方于2006年正式参与。ITER的主要使命是展示聚变发电的可行性，并证明它可以不造成负面影响。目前ITER装置由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国7方共同参与建造，它是一个巨型托卡马克装置，规划重达2.3万吨，近30米高，场地占地180公顷，是全世界最大的“人造太阳”，是目前全球规模最大的国际科研合作项目之一。ITER装置的目标包括产生聚变能量增益因子（输出能量与输入能量比值）为10倍的等离子体、产生聚变能量增益因子超过5的稳态等离子体、维持480秒的稳态聚变脉冲等。
然而，涉及到地缘政治、经济权责等因素，ITER装置建造的进度时有延误，最初提出的2025年实现首次点火的目标可能难以达到，而原有的2035年开始聚变实验的目标自然也将随之延迟。截至目前，ITER的土建工程已完成85%，首次等离子体放电所需的大部分系统及部件研制已完成80%，目前正在安装结构的关键部件，ITER或将于2024年公布最新的时间表，预计是在2030年后正式运行。
在ITER装置的目标规划实现频频推迟的情况下，各国也在积极开发自己的核聚变项目。2022年10月，中国环流器二号M装置（HL-2M）创造等离子体电流强度新纪录，达到100万安培（1兆安）；2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）团队基于惯性约束技术，在国家点火设施（NIF）输入2.05兆焦的能量，产生的能量为3.15兆焦，净增益超过了1，首次实现“点火成功”，并在随后1年内4次实现“点火成功”；2023年4月，中国的“东方超环”全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）刷新稳态长脉冲高约束模式等离子体运行时间纪录，达到 403 秒，远高于它在 2017 年创下的101秒的纪录。
除了研究机构外，尝试实现可控核聚变的企业也越来越多，根据美国聚变产业协会发布《2023年全球聚变产业》报告，聚变公司数量大幅增加，融资金额持续增长。国内包括能量奇点、星环聚能等初创公司同样开启了我国商业化聚变堆的尝试。
长远来看，国内可控核聚变技术的发展仍然会以国家科研项目为主，但创业企业也会进行多路线尝试与新技术验证，与科研机构的研究成果相互促进。
科研机构倾向于更加保守、稳定的大型装置，但是这样的装置造价高、建造周期长，成本对于创业企业而言是难以承受的；创业企业主要是建造中小型的装置，从而实现技术的快速迭代以及新技术在装置上的及时应用，如球形托卡马克、高温超导等。
04
可控核聚变相关的投资机遇
如果商业化可控核聚变最终能够实现，在技术大规模推广的过程中，相关的上下游产业链必将受益良多。
目前直接与可控核聚变相关的产业链，主要包括两类，一是为ITER、EAST、中国环流器、CFETR（中国聚变工程实验堆）等科研装置提供原材料的制造业企业；二是直接研发可控核聚变堆的企业。前者业务较为成熟，聚集了很多上市公司；后者以初创企业为主。
对于大型聚变装置供应链上的相关企业，我们认为目前总体建造商与磁体装置的重要性最高，目前使用更广泛的超导磁体装置仍然为传统的低温超导材料，但高温超导材料正在获取更多的关注；未来在核聚变走向大规模商业化后，聚变堆中的包层屏蔽模块也将获得大量需求；此外配套系统如真空系统/阀门、偏滤器、低温/冷却系统、结构材料/电气等部分也已形成完整产业链。
国内宣传正在研发可控核聚变堆的知名企业有数家，包括上市公司新奥科技、高校系企业能量奇点与星环聚能、安徽国资委与蔚来成立的合资公司聚变新能等，这些企业采取的技术路线各有千秋，但目前各企业的研发仍然停留在较为初步的阶段，并未成功点火运行，具体进展还需观察。
可控核聚变产业链（红色部分标粗为上市企业）
图片来源：建投华科
尽管目前实现商业化可控核聚变还没有明确的时间表，但是可以明确的是，随着一次次令人振奋的实验成果出现，人类在离可控核聚变越来越近。而愈发火热的超导材料研究，也许在不远的未来也会成为实现终极能源的“临门一脚”。实现可控核聚变需要的投入非常巨大，但是一旦技术可行性得到验证，可控核聚变的商业价值将带来广阔的市场。
参考资料：
1.《中国聚变能源公司（筹）揭牌》，2024.01.04，中核集团官网报道；
2.《可控核聚变开启未来清洁、安全、高效能源新解》，2024.01.08，智造调查局；
3.《一文看懂可控核聚变产业链投资机会》，2024.01.02，同花顺财经。
图片来源：unsplash.com/pexels.com
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