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可控核聚變釋放出的大量核能,需要通過核電站轉化為電能。核燃料在反應堆中通過核聚變產生的熱量加熱一回路高壓水,一回路水通過蒸汽發生器加熱二回路水使之變為蒸汽。蒸汽通過管路進入汽輪機,推動汽輪發電機發電。整個過程的能量轉換是由核能轉換為熱能,熱能轉換為機械能,機械能再轉換為電能。核電站一般分為兩部分:核島和常規島。核島:是整個核電站的核心,負責將核能轉化為熱能,是核電站所有設備中工藝最復雜、投入成本最高的部分,投資成本占比達到58%,并且市場參與者較少,主要包含的器件有第一壁、偏濾器。常規島:利用核聚變產生的能量,轉化成蒸汽,進行發電,主要包含蒸汽發生器、汽輪機、水泵、低溫系統等,與火電站類似。

可控核聚變產業鏈上游為原材料,包括第一壁材料鎢、高溫超導帶材原料REBCO和氚氚燃料。中游為相關設備,核心設備包括超導磁體、第一璧和偏濾器,其中超導磁體占總投資成本約40-50%。高溫超導磁體可大幅提升磁場強度,是裝置運行的核心部件,第一壁的作用是控制進入等離子體的雜質、傳遞輻射到材料表面的熱量等,偏濾器的作用是控制等離子體與真空室壁面的相互作用,減少壁面的熱負荷和粒子轟擊。產業鏈下游為應用環節,核聚變技術主要用干發電、醫療、科研等領域。


第一壁是聚變裝置的關鍵部件,主要功能是有效控制進入等離子體的雜質,有效傳遞輻射到材料表面的熱量,保護非正常停堆時其它部件因受等離子體轟擊而損壞。我國為ITER研制的第一璧為三層結構,分別是最內側的面向等離子體材料(鈹)、中間的熱沉材料(銅鉻鋯合金,利用銅良好的導熱性把內部的熱量傳導出來,再通過冷卻劑(如氦氣)輸送到反應堆外用于發電)和背后的結構支撐材料(不銹鋼)。但是,鈹和銅之間的相互擴散會形成一些脆性的金屬間化合物(如CuBe),導致材料力學性能的劣化。鎢基合金可能是未來聚變堆理想的第一壁材料。鎢及鎢基材料具有高熔點、高熱導率、低濺射產額和高自濺射閱值、低蒸氣壓和低氚滯留性能,成為最具應用前途的一類第一壁材料。據此,ITER已確定了一條從鈹/碳/鎢到鈹/鎢,最后變成全鎢的路線。EAST(中國核聚變實驗裝置東方超環)也確定了約3年逐步從現在的全碳到碳/鎢的過渡,最后全部變成全鎢的發展方向。我國鎢資源儲產量為世界第一,據USGS,2023年我國鎢資源儲量為 230 萬噸、占比約 52.3%,產量 6.3萬噸、占比約 80.8%.
高溫超導帶材:規?;瘧脮r代正在開啟。超導材料具有常規材料所不具備的零電阻、完全抗磁性和宏觀量子效應,能夠為核聚?反應提供更強磁場。一個聚變托卡馬克的超導材料用量超過1萬公里,2020年全球超導帶材的產能只有3000公里,隨著以可控核聚變為代表的下游進展加速,將帶動高溫超導帶材需求快速提升、產能快速增長和價格快速下降。高溫超導磁體:聚變裝置核心,投資成本占比約四成。高溫超導磁體較之目前使用的低溫超導磁體大幅提升了磁場強度,2021年9月,美國麻省理工CFS團隊成功研制了全球首個可用于核聚變的20特斯拉高溫超導磁體,標志著高溫超導核聚變裝置進入功能樣機研制階段。根據ITER初始支出投資計劃,超導磁體預計占到總成本37%。而GFS公司的商業化可控核聚變SPARG項目中,百億研發預算中高溫超導磁體的支出預計占比50%。
偏濾器通常位于真空室的上下方,主要用于控制等離子體與真空室壁面的相互作用,減少壁面的熱負荷和粒子轟擊。偏濾器是磁約束核聚變裝置最為關鍵的系統之一,直接承受強粒子流和高熱流的沖擊,服役環境十分苛刻,而滿足偏濾器運行環境的熱沉材料是聚變堆正常運行的關鍵,銅合金以高熱導率、較高的強度、較好的熱穩定性和抗中子輻照性能被認為是聚變堆偏濾器用熱沉材料的首要候選材料。
我國偏濾器研發步伐不斷加快。為配套EAST項目,2012年,中科院等離子體所啟動偏濾器升級改造計劃。2018年,法國原子能和替代能源委員會開展的全鎢偏濾器托卡馬克核聚變實驗裝置(WEST)對我國自主研制的偏濾器W/cu部件達成采購意向。除中科院等離子體所外,國光電氣承制了中國環流器二號M裝置(HL-2M)所需的偏濾器模塊,并且生產的偏濾器還應用于ITER計劃中。