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核聚变行业:核聚变订单加速落地,三四代机组进入交付上行期

核聚变行业:核聚变订单加速落地,三四代机组进入交付上行期 厚禄投资
2025-04-18
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(报告出品方/作者:方正证券,赵璐)


1. 核电:三、四代机组进入交付上行期

三代核电:24年设备企业如期交付,25年开始逐渐进入交付上行期

三代核电投资逻辑主要为批复机组数量的增加对应业绩的逐渐兑现+国产替代+较稳定的高毛利。 设备企业进入交付上行周期:2019-2021年机组批复数量分别在4、4、5台,2022-2023年均批复10台核电机组,24年批复11台机组。考虑 到核电项目建设周期较长,批复后,核电设备交付节奏滞后,24年核电设备企业交付订单仍然以22年及以前批复机组为主,2025年及以 后核电设备企业有望迎来订单交付的上行周期。 国产替代空间大:以阀门为例,目前我国在部分高价值的关键零部件领域进口自法国、加拿大企业,对设备及零部件企业而言,仍然存 在国产替代空间。 核电行业由于资质壁垒较高,且对安全性要求高等特点,具有良好的竞争格局,企业进入供应商梯队后,出现竞争加剧导致毛利率下滑 等情况较少,毛利率基本可以维持在较高水平。

四代核电:2024年进入元年,25年逐渐进入交付期

2024年3月27日,华能石岛湾高温气冷堆示范工程核能供暖项目正式并网运行,标志着四代核能供热系统首次实现向城镇居民 供暖,四代核能综合利用取得突破。华能石岛湾核能供暖项目正式并网运行,标志着四代核能综合利用取得突破。高温气冷堆 示范工程核能供暖项目于2022年11月首次实现厂区内核能供热,2024年3月22日完成供暖管道升温,具备正式供暖条件。项目并 网后将新增19万平方米的供暖面积,可满足1850户居民清洁取暖需求,每个供暖季可替代燃煤3700吨,减少二氧化碳排放6700 吨。 2024年11月,国常会批复了中核集团所属的江苏徐圩一期工程,是全球首个将高温气冷堆与压水堆耦合,以工业供热为主、兼 顾电力供应的核动力厂,建成后将为连云港万亿级石化产业基地大规模供应高品质低碳工业蒸汽。 该项目采用我国具有完全自主知识产权的第三代核电技术华龙一号和第四代核电技术高温气冷堆组合的方案建设核能供热系统。 一期工程拟建设2台华龙一号压水堆核能发电机组、1台高温气冷堆核能发电机组,配套建设蒸汽换热站,首次采取以热定电的 运行模式,通过华龙一号主蒸汽加热除盐水制备饱和蒸汽,再利用高温气冷堆主蒸汽对饱和蒸汽二次升温,建成后设计工况下 将同时具备高品质蒸汽供应能力和发电能力。 江苏徐圩一期工程建成投产后,年供应工业蒸汽3250万吨,最大发电量超115亿度,每年可减少燃用标准煤726万吨,减少排放 二氧化碳1960万吨,将有效缓解高耗能产业减排脱碳压力。


2. 聚变:订单加速落地,产业进入从0-1阶段

聚变的反应原理

核裂变:是指一个质量较重的原子核通过核反应过程分裂为两个或两个以上的中等质量的原子核的过程。并不是所有的原子核都能进行核裂变,只有因为质量过大而不 稳定的原子核才会发生裂变。为了控制裂变,一般需要的是诱发裂变,而非自发裂变。作为“外力”,中子由于不带电,所以比带电粒子更容易进入原子核,干扰原子 核的稳定。例如用中子轰击铀-235原子核,原子核分裂为较轻的原子核,同时产生2~3个中子,这些中子继续轰击其它铀-235原子核,会产生更多的中子。原子弹就是 利用核裂变原理,再极短时间内发生猛烈爆炸,燃料是U-235或Pu239。 核聚变:是两个轻原子核相互碰撞形成重原子核,并释放出大量能量的过程。例如,在极端的温度和压力下,氢(H)的两种同位素——氘(D,含有1个中子和1个质子) 和氚(T,包含2个中子和1个质子)的原子核会聚变形成氦核。氦核也被称为α粒子,其质量略小于氘核和氚核的质量之和。聚变反应在一种称为等离子体的物质状态 下发生,等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的带电热气体,具有不同于固体,液体和气体的独特性质。聚变反应产生的中子能量被包层吸收,使得包层温 度升高,将升温的能量用于加热工质并推动汽轮机发电。 太阳上的融合:太阳内部时刻发生着氢核聚变。原子核需要在超过1000万摄氏度的非常高的温度下相互碰撞,以使它们能够克服相互的电排斥。一旦原子核克服了这种 排斥力,并且彼此之间的距离非常近,它们之间的吸引力核力将超过电排斥力并使它们融合。为此,必须将原子核限制在较小的空间内,以增加发生碰撞的机会。在阳 光下,由其巨大引力产生的极端压力为发生聚变创造了条件。但如果没有这种引力,则需要更高的温度才能发生反应。在地球上,我们需要超过1亿摄氏度的温度和强 大的压力才能使氘、氚融合(克服库仑斥力),并且要有足够的约束条件来保持等离子体并保持聚变反应足够长的时间,以获得净功率增益,即产生的聚变功率与用于 加热等离子体的功率。

聚变的反应原理—磁约束核聚变

磁约束核聚变的原理:利用磁场来约束温度极高的等离子体的核燃料。我们在燃烧煤,石油,天然气的时候会有个容器来保温,让燃料在一定 的温度下反应,释放出能量。但在聚变反应中,为了能让原子核越过势垒相互之间发生碰撞,就要给原子核相当高的动能。 一种方法就是我们可以用粒子加速器来提高原子核速度,但是反应释放出的能量远小于加速原子核所消耗的能量。 另一种方法就是提高核燃料的温度,物质温度越高,意味着其微观粒子的无规则速度越大。我们需要把燃料加热到1亿度以上,这样原子核才 有足够大的动能相互碰撞,才可能发生聚变反应。但在1亿度的条件下,任何固态物质都会在极短的时间内汽化。 1亿度的物质处于等离子体态,物质的原子核和核外电子分离,电子是自由的,不再受某一特定的原子核的束缚。也就是等离子体中的粒子都 是自由的,带电粒子。科学家就想到了磁场,因为带电粒子在磁场中会绕磁力线做回旋运动,可以利用通过在容器内建立磁场来约束等离子体, 使其不与容器壁接触。这样可以使核燃料持续燃烧一段时间。 20 世纪 50 年代,苏联科学家提出一种名为“托卡马克”的环形磁约束聚变装置,其显著特征是环形真空室,这里是高温等离子体发生核聚 变反应的场所。在俄文中,托卡马克一词由环形、真空室、磁、线圈的前几个字母组成。

聚变的反应原理—惯性约束聚变

惯性约束聚变:是利用高功率激光束辐照热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表面会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离 子体。等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,从而将靶芯压缩成极高密度和极高温度的等离子体,称为热斑。由 于惯性,等离子体在还未膨胀扩散以前就达到聚变反应条件,并能逐步加热热斑周围的其余燃料,使热核反应能够延续下去。 简单地说,在惯性约束下,可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质,使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应 的时间非常短,被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。惯性约束核聚变的特点是驱动器和反应器是分离 的,故应用于火箭推进较为有利。而且相对磁约束核聚变来说结构较为简单,不需要庞大的磁路系统,系统的工作条件也相对宽松。 在我国,中国工程物理研究院等单位建造了“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置。

氘氚燃料:氘氚的来源?

聚变反应原理:氘氚(D-T)反应(2D+3T→4He+n)生成14.1 MeV的中子和3.5 MeV的α粒子。还有少量D-D反应(次级反应或副反应)产生的 2.45 MeV的中子。 氘:氘在海水中储量极大,一升海水中提取的氘经过聚变反应释放的能量相当于300升石油。海洋中,大约每5000个H原子中就有一个是D,它 的售价约为每克13美元,约合13000美元/kg(9.4万元/kg) 氚:但氚的半衰期为12.3年,天然氚是宇宙射线轰击的产物,只在地球高层大气中微量存在。制得的方法主要有两种: 1)链式核反应堆也能产生少量的氚,但很少被收集。目前,全球范围内氚的唯一商业来源是19座加拿大氘铀核反应堆(CANDU,又称坎杜反应 堆,是一种加压重水反应堆设计),每个反应堆每年产生约0.5kg氚,但这些核反应堆中的一半将在十年内退役。根据ITER 2018年的推测,可 用氚的库存将在十年内达到峰值,之后会随着氚的出售和衰变而稳步下降。目前全球氚的存量约为25kg。 2)用中子轰击锂可产生氚。在工业上,利用反应堆的中子,采用锂-6化合物做靶材,生产氚,然后利用热扩散法,使氚富集至99%以上。

磁体系统

超导材料:超导现象是指材料在低于某一温度(这一温度称为超导转变温度Tc)时电阻变为零的现象,这种状态下,材料进入超导态,材料电阻突降为零,同时所有外 磁场磁力线被排出材料外,材料同时出现零电阻态和完全抗磁性。由于核聚变需要超高的磁场对等离子体进行约束,因此需要大电流的产生,这就需要用到超导材料。 按照超导体的临界温度,可以将超导体分为低温、高温超导体。临界温度低于-248°C至-243°C超导体为低温超导体,该温度的为高温超导体。据华经产业研究院数据。 性能:低温超导体的稳定和最高磁场强度在15T左右,高温超导磁体能达到45.5T。 成本:目前低温超导体产业链成熟度较高,量化加工技术已经较为成熟,初始投资成本较低,但考虑到后续需要在液氦环境中使用,后续维护成本较高,且磁体体积及 重量较大;高温超导材料初始投资成本远高于低温超导体,但后续可以在液氮环境中使用,位处成本较低,且磁体体积及重量较小。 目前,全球低温超导材料占比超导材料超9成,高温超导当前受限于技术,整体市场应用占比较小,但随着超导线缆、可控核聚变等持续发展应用,预计高温超导材料的 市场份额将会逐步扩大。


3.重点公司分析

聚变价值量拆分

在试验堆ITER中,磁体占比28%、堆内构件、真空室等主要结构件占比25%,其他辅机占比33%,建筑占比14%。 在DEMO堆中,由于加入了燃料以及更多辅助设备系统,磁体在总成本占比约12%,堆内构件、真空室占比17%,加热和电流驱动、低温和冷却系 统、仪表监测与控制、电力供应、其他辅机合计占比31%,辅助设备系统占比25%。

国光电气

公司业务:公司是我国“一五”时期前苏联援建的国家156项重点建设项目之一,自成立以来,公司一直从事微波器件的研制生产,至今拥有超过60年的研制生产经验。 2023年,公司主营业务收入7.45亿中,核工业3.73亿元,占比约为49.97%,电真空器件营收2.93亿元,占比38.3%,民用领域其他产品占比9.23%。2024年公司实现营 业收入5.43亿元,归母净利润0.48亿元。 公司的核工业设备及部件产品主要包括ITER配套设备、核工业领域专用泵以及阀门等。 在ITER项目中,公司供应偏滤器、屏蔽模块热氦检漏设备、包层第一壁(FW)、工艺设备(例如多功能快速钎焊炉产品)等。公司长期致力于托克马克装置相关系统 与部件研制。2024年公司成功中标了包括聚变新能(安徽)有限公司氚兼容增压系统在内等项目。 此外,先觉聚能科技(四川)有限公司为国光电气与天府创新能源研究院等股东共同出资成立的合资公司,上市公司在其股权占比为7.5%,上市公司共有两位董事在其 董事会任职,其中张亚先生任职董事长。

西部超导

公司业务:公司主要从事超导产品、高端钛合金材料和高性能高温合金材料及应用的研发、生产和销售。2023年公司营收41.6亿元中,约34.9 亿元来自钛合金及超导,占营收比重83.5%,(其中超导线材9.8亿元),4.7亿来自高性能高温合金材料,约占营收比重11.4%。 2024年公司实现营收46.4亿元,同比+11.6%,归母净利润8.1亿元,同比+7.6%。 在聚变领域,公司,成为世界上能够批量生产超导用NbTi合金的两家公司之一。 NbTi超导线材工程化生产技术:公司开发出核聚变用NbTi超导线材工程化生产技术,发明了单重达450公斤的大型复合包套一次组装技术、高 临界电流密度线材塑形加工和时效热处理技术,生产出最大长度达到9万米的多芯NbTi超导线材,各项性能指标全部满足ITER项目技术要求。 Nb3Sn 超导线材工程化生产技术 :1)公司解决了高性能内锡法Nb3Sn超导线材的导体设计、Cu/Nb/Sn/Ta多组元金属复合体塑性变形和大坯料 制备等工程化生产技术难题,最大长度达到 10,000 米,各项性能指标全部满足ITER 项目和10T以上高场磁体技术要求。 2)公司解决了青铜法Nb3 Sn超导线材加工硬化难题,实现了ITER用青铜法Nb3Sn超导线材长线连续加工,各项性能指标满足核聚变和高场核磁 共振谱仪技术要求,(12T,2736A/mm2@4.2K)成功应用于中国首台600MHZNMR制造。

联创光电

公司业务:公司主营业务为激光系列及传统LED芯片产品、智能控制系列产品、背光源及应用产品、光电通信与智能装备线缆及金属材料产品 的研发、生产和销售。公司23年实现营收32.4亿元,其中,智能控制产品19.8亿元,背光源及应用产品8.7亿元,光电通信缆等1.6亿元,半导 体激光系列及航天微电子元器件1.8亿元。公司2024年前三季度实现营收24.3亿元,归母净利润3.4亿元。 在超导材料领域,公司持股江西联创超导应用有限公司40%股权,2024H1该公司实现营收2346万元。目前,联创超导主要业务范围涵盖高温超 导感应加热、高温超导磁控单晶硅生长设备、可控核聚变三大领域。 1)高温超导感应加热领域:随着2023年联创超导研制的世界首台兆瓦级高温超导感应加热设备投产,高温超导感应加热商用设备进入规模化 放量阶段,全国有色金属热加工设备替换空间预计将达千亿级规模。2)高温超导磁控单晶硅生长设备领域:伴随着光伏N型电池时代的来临, 先进硅片产能开始释放大量需求,新型单晶炉进入放量阶段。3)可控核聚变领域:提供面向未来终极能源-超导可控核聚变装置应用的高温 超导磁体系统和关键部件。 2023年11月12日,江西省人民政府与中国核工业集团有限公司签订全面战略合作框架协议。双方计划各自发挥技术优势,采用全新技术路线, 联合建设可控核聚变项目,技术目标Q值大于30,实现连续发电功率100MW,该项目拟落户江西省,工程总投资预计超过200亿元人民币。


报告节选:

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来源:行业报告研究院
禄投资介绍: 

   上海厚禄投资有限公司成立于2015年,主营科创板PE股权投资业务。早年从事上市公司重组并购业务,在业内获得良好口碑及佳绩。

    2025年厚禄投资与见华国际携手设立泰国办公室,致力于为中国企业出海泰国投资设厂,包括泰国工业用地买卖,BOI申请等。


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厚禄投资
上海厚禄投资有限公司成立于2015年,主营科创板PE股权投资业务。早年从事上市公司重组并购业务,在业内获得良好口碑及佳绩。2025年厚禄投资与见华国际携手设立泰国办公室,致力于为中国企业出海泰国投资设厂,包括泰国工业用地买卖,BOI申请等。
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