可控核聚变专题一_磁体材料更迭驱动托卡马克性能提升_17页_1mb

可控核聚变专题一：磁体材料更迭驱动托卡马克性能提升总结

核心内容

可控核聚变是未来清洁能源的重要方向，目前实现可控核聚变的约束方式主要有磁约束、引力约束和惯性约束三种。其中，磁约束是最接近工程化实现的路径，而托卡马克是磁约束的核心装置之一。磁体作为托卡马克装置的关键组件，其性能直接决定了装置的磁场强度，进而影响聚变反应的效率和稳定性。

主要观点

• 磁约束技术优势：磁约束通过构建磁场对带电粒子进行约束，具有工程可行性高、能量约束时间长等优势，是实现可控核聚变的首选技术路线。
• 磁体升级趋势：托卡马克装置磁体从铜基材料向低温超导（LTS）和高温超导（HTS）材料演进。其中，高温超导材料（如REBCO）因其更高的临界温度和热稳定性，成为未来发展的主要方向。
• 磁体价值量提升：高温超导托卡马克中，磁体系统成本占比显著提升，如ARC项目磁体系统占比达46%，而ITER项目为28%。磁体系统成为托卡马克装置中最重要的组成部分之一。
• 行业需求增长：随着核聚变技术的推进，高温超导材料在托卡马克中的需求显著增加，预计2024-2030年全球可控核聚变用高温超导材料需求复合增速为59.3%。
• 技术路线差异：低温超导材料（如NbTi、Nb₃Sn）主要应用于ITER等大型项目，而高温超导材料（如REBCO、Bi-2212）则适用于新一代紧凑型托卡马克装置，如SPARC和洪荒70。

关键信息

托卡马克磁体系统结构

托卡马克磁体系统主要包括以下部分：

• 环向场线圈（TF）：提供环向磁场，限制等离子体粒子。
• 中心螺线管（CS）：用于欧姆驱动等离子体电流，是托卡马克的“心脏”。
• 极向场线圈（PF）：控制等离子体形状、位置与稳定性。
• 校正线圈（CC）：校正误差场，维持等离子体稳定。

磁体材料演进

• 铜基材料：早期托卡马克使用无氧铜（OFC）作为磁体材料，如TFTR、JET、JT-60等。
• 低温超导材料：如NbTi和Nb₃Sn，广泛应用于ITER、EAST等项目，具有较高的磁场强度和稳定性。
• 高温超导材料：如REBCO和BSCCO，具有更高的临界温度和热稳定性，适合紧凑型装置，如SPARC和洪荒70。

磁体性能与成本

• 磁场强度与聚变功率关系：聚变功率与磁场强度的四次方成正比，因此更强的磁场是提升聚变效率的关键。
• 成本结构：高温超导托卡马克磁体成本占比更高，如ARC项目磁体占比达46%，而ITER项目为28%。
• 需求预测：全球可控核聚变用高温超导材料需求预计从2024年的3亿元增长至2030年的49亿元，复合增速达59.3%。

投资建议

• 投资建议：强于大市（维持）
• 关注领域：高温超导磁体和带材公司，如上海超导、苏州新材料研究所等。
• 主要技术路线：低温超导（NbTi/Nb₃Sn）与高温超导（REBCO/Bi-2212）。

风险提示

• 项目进度风险：核聚变项目审批与招标进度可能不及预期，导致设备与材料供应延迟。
• 研发风险：核聚变技术路线仍处于探索阶段，不同路线的研发进度可能影响产业进展。
• 市场竞争风险：高温超导材料技术难度高，产能有限，若需求快速增长，可能引发市场竞争加剧。

相关公司

高温超导磁体公司

• Commonwealth Fusion Systems（美国）
• Cryomagnetics, Inc.（美国）
• General Atomics（美国）
• TE Magnetics（英国）
• 翌曦科技（中国）
• 联创超导（中国）
• 曦合超导（中国）

高温超导带材公司

• Faraday Factory Japan（日本）
• 古河电工（日本）
• 上创超导（中国）
• 上海超导（中国）
• 甚磁科技（中国）
• 苏州新材料研究所（中国）

低温超导磁体公司

• ASG Superconductors（意大利）
• SIGMAPHI（法国）

低温超导带材公司

• 西部超导（中国）
• 夸夫超导（中国）

图表说明

• 图表1：聚变的三种约束类型
• 图表2：磁约束装置类型
• 图表3：全球磁约束装置
• 图表4：ITER项目线圈系统组成
• 图表5：托卡马克磁场流动方向
• 图表6：托卡马克磁场强度分布
• 图表7：典型铜基托卡马克装置磁体系统参数
• 图表8：典型低温超导托卡马克装置磁体系统参数
• 图表9：部分商业化高温超导托卡马克信息
• 图表10：低温与高温超导材料特性对比
• 图表11：第二代高温超导带材结构和实物
• 图表12：高温超导产业链情况
• 图表13：ITER CS磁体（CICC导体结构）
• 图表14：能量奇点“经天磁体”
• 图表15：ITER项目成本拆分
• 图表16：远期Demo项目成本拆分
• 图表17：SPARC装置与其他托卡马克装置参数对比
• 图表18：高温超导项目ARC成本拆分
• 图表19：全球可控核聚变用高温超导材料需求
• 图表20：全球低温/高温超导磁体/带材公司

评级说明

• 投资建议评级为“强于大市”，基于未来6-12个月内相对市场表现的预期。
• 股票评级分为买入、增持、持有、卖出，行业评级分为强于大市、中性、弱于大市。

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