一、什么是商业可控核聚变

1.1核聚变和核裂变的区别

1）核裂变：

核裂变类似于细胞分裂，在核裂变中，一个原子会分裂成更小的粒子，并放出原子核的结合能。这种能量将会以热能和辐射的形式释放，其中热能被用来将水加热成蒸汽，进而使涡轮机转动并驱动发电机发电。在实际操作中，核电站首先会将铀置于钢制反应堆容器内的密封金属圆筒中，然后向铀原子发射中子，使其分裂并释放出更多的中子。这些中子击中其他原子，形成链式反应，分裂出更多的原子，以热和辐射的形式释放能量。

作为靶核的铀原子会分裂成氯和钡原子核，同时还有额外的中子，通过撞击其他铀原子产生裂变链式反应。当一个重原子(如铀或钚）的原子核经过裂变，它会分裂成两个较轻的原子核。这种裂变过程中会释放出2到3个中子，这些中子又会继续激发其他的重原子裂变，裂变过程伴随大量能量被释放出来，而核电站就是用裂变过程中的能量来发电。

首次裂变的产物常常处于高度不稳定状态，很快就会再次衰变多次（通常是β衰变)，直到衰变成为半衰期较长的相对稳定的原子。因此核裂变过程中会有很多放射性的废物产物。

核裂变示意图

2）核聚变：

核聚变是结合原子核以产生能量的过程，其释放的能量是裂变的数倍，并且不会产生长期的放射性废物。

聚变核电站的运行方式与裂变核电站类似，利用原子反应产生的热量来加热水、产生蒸汽、驱动涡轮机和发电，但要在聚变反应堆中创造发电条件，同时满足能量消耗低于能量生成，一直是个难以克服的挑战。

核聚变反应堆通常使用一种可从海水中提取的氢同位素，称为氖(氢-2)。当受到高热和高压时，电子被迫离开氖原子，产生等离子体。

这种等离子体是一种过热的电离气体，需要用强磁场来控制，因为它的温度可以达到1亿摄氏度以上，是太阳核心温度的十倍。

辅助加热系统将温度提高到核聚变所需的水平(1.5-3亿摄氏度)，通电的等离子体粒子发生碰撞并加热。这些条件允许高能粒子在碰撞时克服其自然电磁排斥力，将它们融合在一起并释放出巨大的能量。

核聚变示意图

3）核裂变与核聚变的核心区别：

核聚变反应释放的能量比核裂变更多，核聚变的完成需要更多的能量，核聚变不会像核裂变那样产生有害的长期放射性废物。

1.2实现可控核聚变的主要两种方式

可控核聚变，一定条件下，控制核聚变的速度和规模，以实现安全、持续、平稳的能量输出的核聚变反应。有激光约束核聚变（也成为惯性约束)、磁约束核聚变两种主要形式形式。

1）激光惯性约束：

惯性约束聚变(ICF)是实现受控核聚变的途径之一，它是通过内爆对热核燃料进行压缩，使其达到高温高密度，在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧,从而获取聚变能的方法.激光聚变是用激光作为驱动源的，因而也成为激光约束聚变。

2）磁约束：

核聚变的另一个技术路线是磁约束聚变，也称为“托卡马克核聚变”。磁约束核聚变，就是用特殊形态的磁场把氛、氲等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

该路线的主攻方向之一是采用是托卡马克(Tokamak)装置。这是一种环形容器，用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住，创造氛、氲实现聚变的环境和超高温，实现受控核聚变。这种装置又称环磁机，名字来源于其的关键词——环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)。

二、可控核聚变受益产业链

2.1近两年国内外的融资集中在小型商用托卡马克

托卡马克上世纪五十年代苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人提出了一种可控聚变方式----装置（磁约束热核聚变实验装置)。运用超导技术可以解决电阻、损耗和磁场强度的问题，超导技术成为可控核聚变的必然选择。

近年来，私人投资者已向聚变初创企业投入大量资金，且集中在小型的商用托卡马克，因为应对气候变化的紧迫性日益增加，这使得清洁能源解决方案特别具有吸引力。

聚变初创企业的融资轮次及融资金额

2.2高温超导材料先行

材料的突破也让托卡马克商业化成为可行。超导是指在一定温度条件下物质电阻突然消失的现象，超导体是指能够产生超导现象的物质。超导体同时具有零电阻、完全抗磁两个独特的性质。它可以无电阻地传输电流的特性，使人们在发现超导现象后立即想到利用超导体来传输电流。超导态是某些材料在温度降低到特定临界温度时电阻突然消失的现象。业界通常以液氮温度77K(零下摄氏度）为分界线，把超导材料分为低温和高温。高温超导材料在液氮温区下使用，低温超导材料在液氦温区下使用，我国氦气的资源量十分稀缺。而液氮成本远低于液氦，因此高温超导材料更具大规模应用价值。高温超导能在零下摄氏度(77K)实现零电阻，可广泛应用于智能电网、发电机组、磁浮列车、高能物理等多个领域。在电力传输中，高温超导材料可提高传输电流容量，降低远距离传输线损和能耗。

虽然托卡马克商业化还需要一段时间，但是无论是大型还是小型托卡马克，前期实验过程中都需要先消耗高温超导材料。托卡马克装置的核心就是产生强磁场，要产生磁场，仅仅依靠磁铁、永磁体必然是不可能达到要求的，那么就要用线圈，通电产生磁场。而线圈由导线缠绕组成，无论哪种材料，只要在超导温度以上，电阻是必然存在的。托卡马克装置要想产生极强的磁场，导线中必须通以极大的电流。这个时候，电阻使得线圈的效率降低，产生能耗，得不偿失。超导技术的发展给这一问题带来转机。只要借助超导技术，理论上就可以解决电阻和损耗的问题。

托卡马克装置中的线圈需要高温超导材料

2.3高温超导材料产业链

全球加速对于超导材料的研发。美国能源部从20世纪90年代初开始实施超导项目启动计划，年7月，美国能源部在公布的《电网/国家关于电力第2个年的设想》报告中，把超导电力技术作为美围电网未来30年发展的关键技术之一。欧洲各国政府和各大公司也一直对超导技术的应用研发进行投资，日本一直积极开展在超导电缆、变压器、飞轮储能、发电机、限流器等方面的研究开发工作，特别是东京电力公司(TEPCO)和超导线材制造商联合开发高温超导电缆。我国在“十五”期间，国家“”计划设立“超导材料与技术专项”，加强了对超导应用技术的研究，在电力应用、强磁体应用以及弱电应用等方面全面开展研发。

从产业链来看，超导产业主要由三部分组成:上游是矿产资源，如能、钛、钡、铋、锶等金属，是超导行业的基础;中游是超导材料如YBCO和BSCCO等带材，是超导行业的核心;下游是超导应用产品，如超导电缆、超导限流器、超导储能器、超导发电机、超导滤波器和超导变压器等，是超导行业的应用载体。

从上游来看，原材料成本占超导材料比重较低。其中，基带主要依赖于美国进口，有国产化降价空间。中游的超导材料是超导产业链中毛利率 的环节。下游产品如超导风机、超导限流器、超导电缆的毛利率相对超导材料较低，而超导材料占超导应用产品一半以上的成本。这部分业务是目前国内公司涉及最多、距离产业化最近的业务。

超导材料产业链

由于超导技术的先进性和在特定领域的不可替代性、其未来前景相当广阔。虽然目前国内从事超导材料制备和超导应用的企业都处于持续亏损的处境，但各家超导企业仍保持着对超导研发技术的持续投入。业内认为超导更有着光明的应用前景，电力设备是超导技术应用的一个重要领域，主要利用超导体可以无电阻传输大电流的特点。目前世界各国开发的主要超导电力设备包括超导电缆、超导限流器、超导风机和超导储能装置等。

高温超导带材未来百亿市场空间，应用场景广泛。根据Conectus公布的数据，年全球超导产品市场规模达51.9亿欧元，年达到64.6亿欧元，预测年将达到68亿欧元，增速预测达到6.4%。在超导材料应用领域，根据GMI预测高温超导材料的市场份额将会逐步扩大，高温超导材料整体的占比稳定提升，特别的某些新应用场景高速增长，如超导电缆根据Marketwatch数据，未来5年CAGR有望达到.7%。而伴随着上文我们统计的近两年全球可控核聚变托卡马克的融资，我们预计实验用高温超导材料未来也有可能高速增长。

-超导材料市场规模

年预测全球超导行业细分市场占比

相比于 代铋系高温超导带材，第二代高温超导材料与 代有显著不同和巨大优势。稀土钡铜氧化物(REBCO)超导带材具有较好的磁场特性和较高的机械强度，因而适合于磁分离器磁体，磁能存储器，电动机，发电机，磁共振成像，核磁共振，粒子加速器等电磁线圈类应用。此外，第二代高温超导带材相比 代高温超导带材有低成本潜力的优势，这使前者的产业化前景更被看好。第二代高温超导材料的市场目前在电流传输、核聚变、医疗、大科学装置、交通、风电、储能、感应加热、军事领域等均有应用，并且已建成多个应用示范工程。

第二代高温超导材料应用领域

我国在高温超导材料的研发和产业化上处于世界先进水平，产业化前景巨大。目前，在电力、通信、国防和医疗等领域均有超导需求。机构研究报告指出，超导技术是具有战略意义且有巨大商业价值和广阔应用前景的高新技术，目前已经进入产业化初期阶段。