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未来能源:可控核聚变产业链分析(30页报告)
联系电话:13699799697(微信) | 联系电话:13699799697(微信)佚名 | 发布时间: 2026-01-02 | 25 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ | 分享到:


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可控核聚变释放出的大量核能,需要通过核电站转化为电能。核燃料在反应堆中通过核聚变产生的热量加热一回路高压水,一回路水通过蒸汽发生器加热二回路水使之变为蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机,推动汽轮发电机发电。整个过程的能量转换是由核能转换为热能,热能转换为机械能,机械能再转换为电能。核电站一般分为两部分:核岛和常规岛。核岛:是整个核电站的核心,负责将核能转化为热能,是核电站所有设备中工艺最复杂、投入成本最高的部分,投资成本占比达到58%,并且市场参与者较少,主要包含的器件有第一壁、偏滤器。常规岛:利用核聚变产生的能量,转化成蒸汽,进行发电,主要包含蒸汽发生器、汽轮机、水泵、低温系统等,与火电站类似。

可控核聚变产业链上游为原材料,包括第一壁材料钨、高温超导带材原料REBCO和氚氚燃料。中游为相关设备,核心设备包括超导磁体、第一璧和偏滤器,其中超导磁体占总投资成本约40-50%。高温超导磁体可大幅提升磁场强度,是装置运行的核心部件,第一壁的作用是控制进入等离子体的杂质、传递辐射到材料表面的热量等,偏滤器的作用是控制等离子体与真空室壁面的相互作用,减少壁面的热负荷和粒子轰击。产业链下游为应用环节,核聚变技术主要用干发电、医疗、科研等领域。

第一壁是聚变装置的关键部件,主要功能是有效控制进入等离子体的杂质,有效传递辐射到材料表面的热量,保护非正常停堆时其它部件因受等离子体轰击而损坏。我国为ITER研制的第一璧为三层结构,分别是最内侧的面向等离子体材料(铍)、中间的热沉材料(铜铬锆合金,利用铜良好的导热性把内部的热量传导出来,再通过冷却剂(如氦气)输送到反应堆外用于发电)和背后的结构支撑材料(不锈钢)。但是,铍和铜之间的相互扩散会形成一些脆性的金属间化合物(如CuBe),导致材料力学性能的劣化。钨基合金可能是未来聚变堆理想的第一壁材料。钨及钨基材料具有高熔点、高热导率、低溅射产额和高自溅射阅值、低蒸气压和低氚滞留性能,成为最具应用前途的一类第一壁材料。据此,ITER已确定了一条从铍/碳/钨到铍/钨,最后变成全钨的路线。EAST(中国核聚变实验装置东方超环)也确定了约3年逐步从现在的全碳到碳/钨的过渡,最后全部变成全钨的发展方向。我国钨资源储产量为世界第一,据USGS,2023年我国钨资源储量为 230 万吨、占比约 52.3%,产量 6.3万吨、占比约 80.8%.

高温超导带材:规模化应用时代正在开启。超导材料具有常规材料所不具备的零电阻、完全抗磁性和宏观量子效应,能够为核聚?反应提供更强磁场。一个聚变托卡马克的超导材料用量超过1万公里,2020年全球超导带材的产能只有3000公里,随着以可控核聚变为代表的下游进展加速,将带动高温超导带材需求快速提升、产能快速增长和价格快速下降。高温超导磁体:聚变装置核心,投资成本占比约四成。高温超导磁体较之目前使用的低温超导磁体大幅提升了磁场强度,2021年9月,美国麻省理工CFS团队成功研制了全球首个可用于核聚变的20特斯拉高温超导磁体,标志着高温超导核聚变装置进入功能样机研制阶段。根据ITER初始支出投资计划,超导磁体预计占到总成本37%。而GFS公司的商业化可控核聚变SPARG项目中,百亿研发预算中高温超导磁体的支出预计占比50%。

偏滤器通常位于真空室的上下方,主要用于控制等离子体与真空室壁面的相互作用,减少壁面的热负荷和粒子轰击。偏滤器是磁约束核聚变装置最为关键的系统之一,直接承受强粒子流和高热流的冲击,服役环境十分苛刻,而满足偏滤器运行环境的热沉材料是聚变堆正常运行的关键,铜合金以高热导率、较高的强度、较好的热稳定性和抗中子辐照性能被认为是聚变堆偏滤器用热沉材料的首要候选材料。

我国偏滤器研发步伐不断加快。为配套EAST项目,2012年,中科院等离子体所启动偏滤器升级改造计划。2018年,法国原子能和替代能源委员会开展的全钨偏滤器托卡马克核聚变实验装置(WEST)对我国自主研制的偏滤器W/cu部件达成采购意向。除中科院等离子体所外,国光电气承制了中国环流器二号M装置(HL-2M)所需的偏滤器模块,并且生产的偏滤器还应用于ITER计划中。



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