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【方正军工/机械】深度-核聚变：核聚变超导材料/磁体的投资机会
川川不息 / 05月28日 14:14 发布
超导材料具有零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，在电力能源、医疗装备、交通运输、量子信息计算、国防工业以及科学研究等方面有着重要的应用价值和未来前景。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。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。在试验堆ITER中，磁体部分所占成本高达28%，超导磁体为托卡马克装置的关键组成部分。 超导材料具有独特的绝对零电阻、完全抗磁性、磁通量子化等物理特性，这使得它们几乎在所有可以用到电和磁的方面都有用武之地。超导材料的应用可分为强电应用、弱电应用以及量子应用；也可分为高温超导和低温超导应用。其中，相比一代高温超导，ReBCO带材有望大幅降低生产成本，有着广阔的商业前景，在16T@4.2K以上超导磁体系统研制中发展潜力巨大。 超导材料应用广泛，前景广阔。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℃至-243℃超导体为低温超导体，高于该温度的为高温超导体。ITER项目中心螺管、纵场线圈采用（铌三锡）Nb3Sn超导材料，极向场（PF）、校正场线圈(CC)采用铌钛（NbTi）低温超导材料。新一代核聚变装置（如美国CFS公司的SPARC托卡马克装置）正在考虑采用高温超导材料，以利用其在更高温度下仍保持超导性的能力，从而降低运行成本和提高系统效率。据悉国内核聚变创业公司星环聚能和能量奇点的磁体系统均采用高温超导材料加工建造；此外，还有合肥等离子体所的BEST装置采用了部分高温超导，南昌的“星火一号”混合堆项目则采用全高温超导的技术路线。相比于低温超导，高温超导可以工作在更高的温区，有更高的热惯性，因此鲁棒性更强，可以将其应用在更为复杂恶劣的环境中，这大大拓展了超导技术的应用范围，因此我们看好未来高温超导在可控核聚变领域的大量应用。 投资建议 可控核聚变或为人类能源终极解决方案，未来商业化发展前景广阔，近年来国内外可控核聚变项目持续推进，商业化进程有望加速，可控核聚变-托卡马克装置相关配套供应商。 1）链主企业：国光电气（混合堆总承/分系统、涉氚各类设备零部件）；合锻智能（聚变堆分系统；真空室扇区、窗口延长段、重力支撑）；联创光电（混合堆总承/分系统、超导磁体、核聚变设备）。 2）超导磁体：永鼎股份（高温超导带材），东方钽业（超导铌材、铍材料），西部超导（低温超导线材），精达股份（高温超导带材）。 3）电源类：英杰电气（电源总成），旭光电子（真空开关、氮化铝核心材料），王子新材（薄膜电容），许继电气（电源电气总承），上海电气（杜瓦、真空室、TF线圈等），弘讯科技（聚变电源器），久盛电气（特种电缆），爱科赛博（电源总成），国力股份（真空开关），四创电子（PSM电源）。 4）结构件/功能件：安泰科技（钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料），久立特材（TF、PF导管），海陆重工（结构件），航天晨光（杜瓦系统），斯瑞新材（耐高温高强高导原材料）。 5）核心模块建设及分系统制造：利柏特、中国能建。 风险提示：可控核聚变技术发展不及预期；ITER项目推进不及预期；国内项目推进不及预期。 01 超导材料
1.1 超导材料前景广阔，可控核聚变中的磁体系统至关重要
超导材料具有零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型的量子材料，在电力能源、医疗装备、交通运输、量子信息计算、国防工业以及科学研究等方面有着重要的应用价值和未来前景。低温超导材料(如NbTi、Nb3Sn)发展较早，目前已经形成系统的商业化生产，且广泛应用于核磁共振成像、聚变堆以及大型粒子加速器等装置中，但该类材料临界转变温度(Tc)低，导致其应用停留在液氦(4.2 K)温区，并需要依赖昂贵的液氦冷却系统，严重限制了超导应用的发展。直到1986年高温铜氧化物超导体的出现，突破了超导应用温度的壁垒(由液氦提升至液氮温区)，极大地拓宽了超导材料的工程化应用范围。目前，高温超导体正处于提升性能和突破应用的阶段，在这个过程中，高性能高温超导材料的批量化制备成为关键基础。 由于可控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℃至-243℃超导体为低温超导体，高于该温度的为高温超导体。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。 在试验堆ITER中，磁体部分所占成本高达28%。超导磁体为托卡马克装置的关键组成部分。 图：ITER成本构成与2024年全球超导行业细分市场结构 
资料来源：中国科学院物理研究所，Superconductors for fusion: a roadmap，华经产业研究院,方正证券研究所 磁场强度：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。具体低温超导与高温超导对比如下图所示。 图：高低温超导磁体对比 
资料来源：华经产业研究院,方正证券研究所 从高温超导产业链角度来看，上游原材料主要包括Bi、Ba、La、Sm、Y等金属元素的氧化物。其中，镧系元素具备较强的还原能力，活性仅次于碱金属与碱土金属，其单质易与氧气发生化学反应。中游的线材带材薄膜主要包括BSCCO线材带材薄膜、YBCO带材薄膜、铁基带材、MgB2线材等的加工。下游则是各领域方面的应用。 图：超导产业链 
资料来源：中商情报网，锋成科技，方正证券研究所 1.2 核心工艺——超导材料与磁体系统制备 超导线材通过绕制能够产生强磁场的超导线圈，以及结合其运行所必要的低温恒温容器来制成超导磁体。这一过程需要经过多个生产流程，包括线材性能评价、线材热处理及绝缘、磁体设计及烧制、磁体固化、磁体稳定性评价、磁体系统总装、系统出厂测试等。 MgB2线材的制备工艺主要包括粉末装管法和中心镁扩散法(internal Mg-diffusion，IMD)两种，其中粉末装管技术可分为原位法和先位法。原位法制备工艺先将混合均匀的Mg粉和B粉作为前驱体粉末装入铌管内，然后经过加工获得具有特定尺寸和芯丝结构的线材，最后进行热处理，使Mg粉和B粉在线材中发生反应原位生成MgB2。先位法首先将Mg粉和B粉进行反应生成MgB2相，然后将MgB2粉末装入到铌管中，再进行加工获得具有特定尺寸和结构的多芯线材，两种制备工艺流程如下图所示。 图：粉末装管法（左图）与中心镁扩散法（右图） 
资料来源：中国科学院物理研究所，锋成科技，方正证券研究所 超导线圈的绕制：以高温超导为例，由于高温超导材料的扁平结构，大部分高温超导磁体装备都是利用饼式线圈结构堆叠而成的。 第一步：从带盘A中取出绕制单线双饼线圈所需要的全部带材的一半到带盘B上。 第二步：将线轴放在带盘A和带盘B中间，让带盘B绕着线轴转动，使带盘B上的全部带材绕到线轴的第一层中，并用kapton胶带固定。 第三步：让带盘A绕着线轴转动，使带盘A上的剩下的带材绕到线轴的第二层，并用kapton胶带固定。 图：超导线圈的绕制方法 
资料来源：原力超导，方正证券研究所 1.3 核心工艺——超导材料特性优良、应用广泛 超导材料具有独特的绝对零电阻、完全抗磁性、磁通量子化等物理特性，这使得它们几乎在所有可以用到电和磁的方面都有用武之地。特别是在需要突破传统功能材料电磁能力极限的地方，超导材料有着不可替代的应用，例如实现零损耗载流、高电流密度、强磁场、量子极限测量等。 图：超导材料的应用 
资料来源：中国科学院高能物理研究所，方正证券研究所 超导材料的应用可分为强电应用、弱电应用以及量子应用。对于磁约束可控核聚变而言，聚变功率与磁场强度的四次方成正比，因此提升磁场强度是关键核心技术，但聚变磁体往往尺寸非常庞大，例如国际热核聚变堆（ITER）的磁体就有三层楼那么高，采用超导磁体几乎是唯一的选择。 图：超导材料应用分类 
资料来源：中国科学院高能物理研究所，方正证券研究所 低温超导应用：Nb3Sn主要应用在9T@4. K以上的超导磁体中，市场份额远远小于NbTi。基于NbTi的低温超导线圈技术目前已经发展的比较成熟，在加速器、核磁共振（NMR）、人体医学成像（MRI）和科学仪器通用磁体等领域获得了广泛的应用，并产生了巨大的商业价值。基于Nb3Sn的超导磁体技术经过多年的实践和研究已经取得了显著进步，但在绕线工艺和失超保护方面仍有待完善。考虑到经济效益和技术可靠性，强场磁体（9T@4.2K以上）通常混合使用Nb3Sn和NbTi超导线绕制。 高温超导应用：第一代高温超导带材的制备须要大量使用贵金属银，银占比高达70%，因此其成本一直居高不下，且未来降价乏力，这严重影响了高温超导的大规模工业应用和商业推广。新世纪以来，二代高温超导带材ReBCO受到了越来越多的关注。ReBCO超导带材一般由基层、过渡层、超导层和保护层等多层结构组成，比一代高温超导带材由更高的临界磁场和载流能力。其主要成分是哈氏合金、不锈钢、铜等普通金属和基于镀膜工艺的ReBCO薄膜涂层，其中生产过程仅需极微量的银（1~3微米厚），无其他贵金属。因此，相比一代高温超导，ReBCO带材有望大幅降低生产成本，有着广阔的商业前景，在16T@4.2K以上超导磁体系统研制中发展潜力巨大。 图：各类超导线及材料 
资料来源：曦合超导，方正证券研究所 1.3.1 低温超导材料的应用：ITER ITER磁体系统由四个主要子系统组成，其中包括：18个环向场线圈（Toroidal Field Coil, 简称 TFC）；6个极向场线圈（Poloidal Field coil, 简称PFC）；18个校正线圈（Correction coil, 简称CC）以及中心螺线管（Central Solenoid,简称CS）。其周边连接关系为：放置在18个重力支撑（Gravity Support，简称GS）上的TFC通过6组极向场线圈支撑（PFCS）支持6个PFC；同时通过3组校正场线圈支撑（CCS）支持CC。TFC通过其自身的结构和支撑对CS提供支持。 超导材料：超导导体是用于绕制ITER超导线圈的重要材料，根据不同线圈的作用和要求，ITER有不同规格的超导导体。中心螺管、纵场线圈采用（铌三锡）Nb3Sn超导材料，极向场（PF）、校正场线圈(CC)采用铌钛（NbTi）低温超导材料。 图：ITER磁体系统及其构成 
资料来源：中国国际核聚变能源计划执行中心，中科院等离子体物理所，方正证券研究所 ITER环向场与极向场线圈 环向场线圈：它由18个TF线圈构成，每个TF线圈由7根完整连续的基于Nb3Sn超导线的铠装导体（CICC）绕制而成。总的来说，制造18个TF线圈总共需要126根单元导体。ITER装置运行时，TF导体内流动着4.2K（-269℃）的超流态液氦，每根导体额定电流68kA，承受的磁场强度最高达12T，约为地球磁场的20万倍。2008年6月16日，中国与ITER组织签署《环向场导体采购安排协议》，根据协议规定，中国承担11根TF导体制造任务，约占全部TF导体制造任务的7.51%。 极向场（PF）线圈：它的主要作用是在等离子体的产生、上升、成形和平顶各个阶段提供欧姆加热和控制等离子体位形。PF线圈系统由6个不同尺寸的独立线圈组成，自上而下分别为PF1、PF2、PF3、PF4、PF5、PF6。与环向场线圈导体类似，PF线圈导体为NbTi基超导铠装导体。运行时，PF导体内通有4.2K（-269℃）的液氦，电流45kA，磁场强度最高可达5T。2008年10月10日，中方与ITER组织签署极向场线圈导体采购安排协议，中方负责制造PF2至PF5共60根PF导体，约占全部PF导体的65%。 图：环向场线圈（左）与极向场线圈（右） 
资料来源：可控核聚变，方正证券研究所 ITER校正场与中心螺管 校正场超导磁体系统（CC）：这是ITER超导托卡马克装置中重要的部件之一，主要用来补偿环向场和极向场系统由于制造与安装过程带来的不可消除的磁场误差。ITER装置共有18个校正场线圈，其中底部、侧线圈和顶部线圈各6个。ITER校正场线圈是由NbTi超导导体绕制而成，匝工作电流10kA，最高磁场约5T。中方承担ITER装置所有18个校正场线圈的制造。自2010年中方与ITER国际组织签署采购安排协议以来，经国内多年联合攻关，先后完成了线圈绕制、氦冷却管焊接、真空压力浸渍、线圈盒封焊等多项关键技术认证。系列生产制造已于2017年正式开展。 中心螺管CS：穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒（中心螺管CS），在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈，即极向场线圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。 图：校正场超导磁体系统（左）与中心螺管模型线圈（右） 
资料来源：可控核聚变，中科院之声，方正证券研究所 高温超导材料：新一代核聚变装置（如SPARC）正在考虑采用HTS材料，以利用其在更高温度下仍保持超导性的能力，从而降低运行成本和提高系统效率。据悉国内核聚变公司星环聚能和能量奇点的磁体系统均采用高温超导材料加工建造。 SPARC，全称是Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact，以最直接、简明的方式阐述了快速、体积小、私营资本主导、低成本、紧凑等特点。SPARC是CFS商业化聚变电厂ARC（Affordable Robust Compact）的前期验证装置，目前正在美国马萨诸塞州的Devens建设。 图：CFS实验室（左）与SPARC设计图（右） 
资料来源：可控核聚变，曦合超导，方正证券研究所 革命性高温超导磁体技术：SPARC的核心创新在于采用稀土钡铜氧化物（REBCO）高温超导材料制成的磁体。实验表明，其制造的基于REBCO磁体在液氦温度下可承受高达5000安培的电流，局部磁场强度达20T，远超ITER的5.3T，实现更高效的等离子体约束。 图：高温超导材料REBCO 
资料来源：可控核聚变，曦合超导，方正证券研究所 1.3.3 全高温超导材质托卡马克，能量奇点实现对美反超 全球已建成超过百台托卡马克装置，但截至2024年底正运行的全超导装置仅4台。能量奇点自主研制的“洪荒70”，是其中唯一一台全高温超导材质建造的托卡马克。对低温超导托卡马克，全球已有20年研发经验，工艺相对成熟，但装置体型巨大。如在建的国际热核聚变实验堆（ITER），高30米，直径28米。能量奇点之所以绕行“低温”而取“高温”，旨在将托卡马克的体积、造价缩减约50倍，并大幅加快建设周期。“洪荒70”所有关键零部件都用高温超导材料建造，全世界仅此一台，每一步都是从0到1。其中，“洪荒70”由上海超导科技股份有限公司提供高性能超导磁体材料。 今年3月10日，能量奇点能源科技（上海）有限公司宣布，其自主研制的大孔径强场磁体“经天磁体”成功完成首轮通流实验，产生了高达21.7特斯拉的磁场，这一场强超过了美国麻省理工学院和CFS公司联合研制的SPARC TFMC磁体在2021年创造的20.1特斯拉的纪录，创下大孔径高温超导D形磁体最高磁场纪录，反超美国。 图：经天磁体成功励磁至21.7特斯拉（左） 图：能量奇点加工完成待安装的单饼线圈（右） 
资料来源：上海超导，新民眼，能量奇点，方正证券研究所 1.3.4 紧凑型聚变实验装置BEST如火如荼，高温超导材料大放异彩 BEST，全称Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，将在EAST装置的基础上首次演示聚变能发电，引领燃烧等离子物理研究，为中国聚变能的发展做出前瞻性和开创性贡献。2027年建成后将会成为世界首个紧凑型聚变能实验装置。BEST项目由聚变新能（安徽）有限公司（下称“聚变新能”）负责运营，后者成立于2023年5月，初始注册资本50亿元，并在2024年6月增至145亿元，股东涵盖安徽省与合肥市国有平台、企业、中国科学院及社会资本。 BEST采用了新一代全超导托卡马克技术，其磁场强度相较于传统装置更高，但能耗却更低，核心的磁体运用高温超导材料。在极低温环境下能够实现 “零电阻”，从而将等离子体牢牢地 “锁定” 在磁场之中，有效避免能量的逃逸。这一技术曾经助力我国HL-2M装置实现了1.5 亿度高温等离子体运行，如今在 BEST 上又得到了进一步的优化，为稳定发电奠定了坚实的基础。 图：BEST主机系统构成 
资料来源：可控核聚变，瓴麟科技，方正证券研究所 1.3.4 高温超导材料强势赋能裂变-聚变混合堆—星火一号 2023年11月，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。江西联创光电超导应用有限公司和中核聚变（成都）设计研究院有限公司计划各自发挥技术优势，采用聚变裂变混合路线，拟在江西省联合建设可控核聚变项目，技术目标Q>30，实现连续发电功率100MW，工程总投资预计超过200亿元人民币。2024年6月，联创光电与中核集团就共同推进“星火一号”聚变-裂变混合示范堆的建设达成了初步合作意向。 图：联创超导高温超导方面专利申请 
资料来源：可控核聚变，江西聚变新能源有限责任公司，方正证券研究所 2025年3月28日，星火一号高温超导混合堆项目在成都顺利通过了项目需求（PR文件）的全面评审。这一重要成果标志着星火一号在高温超导混合堆领域迈出了坚实的一步，为未来可控核聚变技术的发展奠定了坚实基础，具有重要的里程碑意义。评审过后星火一号将进入更为关键的实施阶段，为我国能源可持续发展和全球核聚变事业做出更大贡献。 02 核心标的 2.1 核心标的：关注国内高低温超导线材、带材及磁体企业 我国国内超导材料与磁体相关企业主要包括联创光电、永鼎股份、精达股份、西部超导等。 永鼎股份：公司全资子公司东部超导是国内高温超导带材领域的头部企业，公司在第二代高温超导带材上采用了国内独有的IBAD+MOCVD的技术路线，研发出多种稀土替代和掺杂技术，所制备的超导材料磁通钉扎性能优异，在长度以及低温磁场下性能方面达到了国内外领先水平。目前产品主要应用在超导感应加热、超导磁拉单晶、可控核聚变磁体、超导电力装备等领域，保持与江西联创光电、能量奇点、核工业西南物理研究院、国家电网等客户的密切合作关系。 图：永鼎股份子公司东部超导 
资料来源：东部超导，方正证券研究所 西部超导（低温超导）：①NbTi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，各项全部满足ITER项目技术要求。②Nb3Sn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。 图：西部超导主要产品 
资料来源：核聚变商业化，方正证券研究所 2.2 投资建议 可控核聚变或为人类能源终极解决方案，未来商业化发展前景广阔，近年来国内外可控核聚变项目持续推进，商业化进程有望加速，可控核聚变-托卡马克装置相关配套供应商。 1）链主企业：国光电气（混合堆总承/分系统、涉氚各类设备零部件）；合锻智能（聚变堆分系统；真空室扇区、窗口延长段、重力支撑）；联创光电（混合堆总承/分系统、超导磁体、核聚变设备）。 2）超导磁体：永鼎股份（高温超导带材），东方钽业（超导铌材、铍材料），西部超导（低温超导线材），精达股份（高温超导带材）。 3）电源类：英杰电气（电源总成），旭光电子（真空开关、氮化铝核心材料），王子新材（薄膜电容），许继电气（电源电气总承），上海电气（杜瓦、真空室、TF线圈等），弘讯科技（聚变电源器），久盛电气（特种电缆），爱科赛博（电源总成），国力股份（真空开关），四创电子（PSM电源）。 4）结构件/功能件：安泰科技（钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料），久立特材（TF、PF导管），海陆重工（结构件），航天晨光（杜瓦系统），斯瑞新材（耐高温高强高导原材料）。 5）核心模块建设及分系统制造：利柏特、中国能建。 风险提示：可控核聚变技术发展不及预期；ITER项目推进不及预期；国内项目推进不及预期。
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