深度 | 一天吃透【可控核聚變】關(guān)鍵材料，附核心龍頭

01 產(chǎn)業(yè)鏈全景圖

02 托卡馬克拆解

托卡馬克是當(dāng)前主流的核聚變?cè)O(shè)備，本質(zhì)就是個(gè)環(huán)形 “磁隔離罩”——靠環(huán)形磁性結(jié)構(gòu)把高溫等離子體和容器壁徹底隔開，就像給核聚變反應(yīng)打造了一個(gè)獨(dú)立的 “封閉實(shí)驗(yàn)室”，讓反應(yīng)能在專屬空間里發(fā)生。

以最完整的 ITER 裝置為例，托卡馬克的核心是磁體系統(tǒng)、真空室、包層模塊等關(guān)鍵部件，再搭配真空、低溫、電源診斷等支持系統(tǒng)，整套設(shè)備就像一臺(tái)精密機(jī)器：核心部件是 “骨架”，支持系統(tǒng)是 “神經(jīng)脈絡(luò)”，缺一不可。

成本方面，磁體系統(tǒng)是絕對(duì)的 “花錢大頭”——它由鈮錫、鈮鈦超導(dǎo)線圈組成，相當(dāng)于設(shè)備的 “能量控制中樞”。其中低溫超導(dǎo)托卡馬克的磁體系統(tǒng)占比約 28%，高溫超導(dǎo)型的占比更高，能達(dá)到 50%，就像不同規(guī)格的建筑，核心承重結(jié)構(gòu)的造價(jià)占比差異明顯。

02-1、托卡馬克關(guān)鍵材料

材料創(chuàng)新是可控核聚變產(chǎn)業(yè)化的核心瓶頸，也是突破關(guān)鍵。核聚變裝置的極端環(huán)境（上億度等離子體、強(qiáng)中子輻照），相當(dāng)于讓零件在 “煉獄級(jí)考場(chǎng)” 里闖關(guān)，材料性能被推到極限，成了工程化的頭號(hào)難題。

關(guān)鍵部件得靠特定材料 “撐場(chǎng)”：第一壁用合金、鈹涂層扛高熱流；超導(dǎo)磁體靠 316L 不銹鋼、Inconel718 高溫合金穩(wěn)結(jié)構(gòu)；氚增殖包層靠低活化鋼、鈦酸鋰陶瓷轉(zhuǎn)燃料循環(huán)。但這些材料普遍卡殼：性能驗(yàn)證像 “超長(zhǎng)試用期”（輻照實(shí)驗(yàn)需數(shù)年），規(guī)模化成本高，長(zhǎng)效可靠性數(shù)據(jù)不足。

目前材料體系正從四個(gè)方向破局：表面與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、超導(dǎo)材料優(yōu)化 、材料改性、新材料探索

以托卡馬克關(guān)鍵部件以及材料為例：

03 關(guān)鍵材料--超導(dǎo)材料

03-1、超導(dǎo)材料

超導(dǎo)材料是可控核聚變裝置磁場(chǎng)系統(tǒng)的 “動(dòng)力核心”，其性能直接決定裝置的等離子體約束能力與能量效率。托卡馬克需靠高強(qiáng)度、高穩(wěn)定的磁場(chǎng) “困住” 高溫等離子體，超導(dǎo)磁體正是這層 “約束網(wǎng)” 的關(guān)鍵組件。

當(dāng)前主流超導(dǎo)材料分低溫（如 NbTi、Nb3Sn）與高溫（如 REBCO）兩類，如同不同規(guī)格的 “功能元件”，在磁場(chǎng)強(qiáng)度、制冷成本、材料性能上差異顯著。

03-2、發(fā)展最新現(xiàn)狀

低溫超導(dǎo)是核聚變磁體的 “老牌成熟選手”，NbTi、Nb3Sn 已廣泛應(yīng)用 ——ITER 磁體系統(tǒng)就以 Nb3Sn 為主。但它需在 4.2K 液氦環(huán)境運(yùn)行，制冷系統(tǒng)如同 “沉重的冷卻包袱”，成本高昂；且磁場(chǎng)上限低，難適配未來緊湊型裝置的高磁場(chǎng)需求，適用性正被高溫超導(dǎo)逐步替代。2024 年 6 月能量奇點(diǎn) “洪荒 70” 實(shí)現(xiàn)等離子體放電，成為全球首臺(tái)全高溫超導(dǎo)托卡馬克，標(biāo)志其商業(yè)化應(yīng)用邁出關(guān)鍵步。

高溫超導(dǎo)是磁體系統(tǒng)的 “潛力新星”，REBCO 這類材料兼具高磁場(chǎng)、低制冷成本、小體積，是未來理想選擇。國(guó)內(nèi)企業(yè)已加速布局：聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)研制 REBCO 集束纜線的 D 型磁體，2024 年 4 月完成低溫測(cè)試，穩(wěn)態(tài)電流超 1.5kA；上海超導(dǎo)的二代高溫超導(dǎo)帶材已用于核聚變磁體等領(lǐng)域，2025 年 6 月科創(chuàng)板 IPO 獲受理，計(jì)劃募資 12 億元擴(kuò)產(chǎn)，2025 年底產(chǎn)能將達(dá) 4000 公里 / 年。但它制備工藝如同 “精密細(xì)作的高端工序”，成本偏高，仍需突破以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

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03-3、市場(chǎng)規(guī)模

全球超導(dǎo)市場(chǎng)正處 “加速賽道”，第二代高溫超導(dǎo)是賽道里的沖勁選手，市場(chǎng)份額將快速擴(kuò)容。2027 年全球超導(dǎo)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 192 億歐元，2022-2027 年復(fù)合增速 23%，行業(yè)節(jié)奏明顯提速。

第二代高溫超導(dǎo)尚處產(chǎn)業(yè)化初期，后續(xù)隨應(yīng)用滲透率提升 + 核聚變裝置等下游需求爆發(fā)，市場(chǎng)將迎來 “翻倍級(jí)擴(kuò)容”，預(yù)計(jì) 2030 年其占全球超導(dǎo)行業(yè) 25% 份額，潛力顯著。

成本端，國(guó)內(nèi)托卡馬克高性價(jià)比：低溫超導(dǎo)磁體占比 20%（海外 28%）、真空室 14%（海外 8%），優(yōu)勢(shì)顯著 ——1 個(gè) ITER 預(yù)算可造 2 個(gè) CFETR。成本構(gòu)成上，CFETR 的 “花錢主力” 是磁體環(huán)向場(chǎng)線圈、真空室隔熱層，包層、偏濾器占比低，輔助系統(tǒng)費(fèi)用集中在射頻加熱；能量奇點(diǎn)成本與 SPARC 相當(dāng)，堆芯環(huán)向場(chǎng)磁體及結(jié)構(gòu)占比最高，輔助系統(tǒng)核心支出為低溫水冷、真空系統(tǒng)。

03-4、核心公司：永鼎股份（高溫超導(dǎo)）

在高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化加速期，公司擴(kuò)產(chǎn)研發(fā)布局磁約束核聚變等領(lǐng)域，超導(dǎo)業(yè)務(wù)進(jìn)入新階段。

東部超導(dǎo)（永鼎子公司）主營(yíng)二代高溫超導(dǎo)帶材及應(yīng)用產(chǎn)品，是 “洪荒 70” 全高溫超導(dǎo)托卡馬克的超導(dǎo) “獨(dú)家供血方”，深度綁定中核集團(tuán)、核工業(yè)西南物理研究院等客戶，應(yīng)用覆蓋能源、電力等多領(lǐng)域。

其采用國(guó)內(nèi)獨(dú)有的 IBAD+MOCVD 技術(shù)路線，搭配稀土替代與摻雜技術(shù)，性能如同超導(dǎo)材料的 “強(qiáng)化核心”：臨界電流密度達(dá) 800A/mm2，磁通釘扎強(qiáng)度是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 3 倍，性能優(yōu)勢(shì)顯著。

公司通過擴(kuò)產(chǎn)、升級(jí)設(shè)備、優(yōu)化工藝，結(jié)合應(yīng)用端反饋形成技術(shù)閉環(huán)加速產(chǎn)品迭代，目前產(chǎn)品已落地超導(dǎo)感應(yīng)加熱、可控核聚變磁體等領(lǐng)域，與中科院、能量奇點(diǎn)等機(jī)構(gòu)密切合作。2024 年核聚變訂單占超導(dǎo)營(yíng)收 80%，2025 年產(chǎn)能提至 1000 公里，覆蓋 ITER 二期需求，國(guó)產(chǎn)化率超 90%。

03-5、核心公司：西部超導(dǎo)（低溫超導(dǎo)）

公司低溫和高溫超導(dǎo)技術(shù)一直領(lǐng)先行業(yè)。近年來發(fā)展迅速：

2024 年：公司成核聚變核心供方—— 完成 CRAFT 線材交付、BEST 批量供貨，Nb3Sn/MgB2 線材性能突破；300mm 單晶硅超導(dǎo)磁體年交付超百臺(tái)，15T 無液氦磁體落地，加速器核心部件批量應(yīng)用。

2025H1：超導(dǎo)產(chǎn)能釋放、市占率提升；攻克 Bi 系線材技術(shù)，實(shí)現(xiàn)千米級(jí)批產(chǎn)（產(chǎn)能 2000 千米 / 年）；拿下 DCT 超導(dǎo)四極鐵出口訂單；MCZ 磁體升級(jí)獲增訂，2.5T 大口徑磁體發(fā)貨拓線。

04 關(guān)鍵材料--第一壁材料

04-1、第一壁關(guān)鍵材料

核聚變裝置工程化的核心卡殼點(diǎn)是材料性能：早期碳基材料像 “臨時(shí)湊數(shù)的零件”，雖抗熱震，但熔點(diǎn)低、氚滯留多，撐不住長(zhǎng)脈沖運(yùn)行；當(dāng)前首選的鎢基材料是 “高熔點(diǎn)選手”（約 3400℃），卻會(huì)因中子輻照脆化開裂、高溫抗氧化弱、抗熱疲勞差，凸顯新一代材料的剛需。

裝置材料需扛住上億度熱負(fù)荷、強(qiáng)中子輻照：第一壁 / 偏濾器要承＞20MW/m2 穩(wěn)態(tài)熱流（是航天器再入熱流的 100 倍），安泰科技用鎢銅梯度結(jié)構(gòu)將其耐熱性提至≥25MW/m2、熱應(yīng)力降 40%，但中子輻照讓脆變溫度超 300℃，材料壽命僅數(shù)百小時(shí)。

最新進(jìn)展，材料體系正補(bǔ)短板：鈹涂層能降雜質(zhì)、提氚效率，雖有毒遇水易反應(yīng)，東方鉭業(yè)已通過 ITER 認(rèn)證；偏濾器熱沉用高性能銅鉻鋯合金，斯瑞新材產(chǎn)品通過 CFETR 驗(yàn)證，性能足以替代歐洲同類產(chǎn)品。

04-2、核心公司：安泰科技

公司2024四大業(yè)務(wù)構(gòu)成核心板塊：特種粉末冶金材料及制品（39.11%）、先進(jìn)功能材料及器件（37.01%）、高品質(zhì)特鋼及焊接材料（21.80%）、環(huán)保與高端科技服務(wù)業(yè)（2.09%）。

控股子公司安泰中科是全球核聚變裝置的 “關(guān)鍵部件服務(wù)商”，其難熔鎢鉬、鎳基高溫合金帶材等產(chǎn)品配套 “華龍一號(hào)” 等核電技術(shù)，搭建起鎢銅偏濾器、第一壁等全系列涉鎢產(chǎn)品矩陣，已供貨法國(guó) WEST 裝置、ITER 項(xiàng)目，同時(shí)與國(guó)內(nèi) EAST、能量奇點(diǎn)等開展技術(shù)合作。

2025H1 核聚變產(chǎn)業(yè)商業(yè)化提速，安泰中科深耕偏濾器、第一壁包層技術(shù)，上半年中標(biāo) EAST、CRAFT 相關(guān)合同，總額近 4000 萬元；主導(dǎo) 2 項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，參與的 EAST 相關(guān)技術(shù)獲安徽省科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，凸顯行業(yè)技術(shù)引領(lǐng)地位。

05 關(guān)鍵部件--真空系統(tǒng)

05-1、真空室介紹

真空室是等離子體的 “專屬密閉艙”，是離堆芯最近的環(huán)形真空密封部件，既要承載自身及內(nèi)部構(gòu)件重量，又要抵御復(fù)雜電磁力，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與功能安全性直接決定聚變堆運(yùn)行成敗。

它的核心作用有二：一是打造 “潔凈反應(yīng)場(chǎng)”——維持 10??～10??帕級(jí)超高真空，隔絕大氣成分，為氘氚聚變提供純凈環(huán)境；二是充當(dāng) “安全屏障 + 支撐骨架”——既承重力、抗電磁力，又為包層、偏濾器等內(nèi)部部件提供安裝支撐。

ITER 真空室由 9 個(gè)高精度不銹鋼扇形件拼成 “D” 形環(huán)，如同拼裝高精度巨型積木：模塊化運(yùn)輸要求高、焊縫密集，且與冷屏、磁體間距極小（熱脹冷縮易碰撞），設(shè)計(jì)制造難度拉滿。

05-2、核心公司：合鍛智能

國(guó)內(nèi)高端機(jī)床龍頭合鍛智能通過戰(zhàn)略布局打造 “裝備 + 核聚變” 生態(tài)，成為國(guó)內(nèi)稀缺的核聚變裝備供應(yīng)商，核聚變業(yè)務(wù)已升級(jí)為第二增長(zhǎng)曲線核心支撐：

憑借鍛壓工藝 “技術(shù)積淀底盤”，公司2021 年啟動(dòng)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，從傳統(tǒng)液壓機(jī)廠商切入核聚變裝備領(lǐng)域，手握國(guó)內(nèi)少數(shù)具備核聚變核心部件制造的 “入場(chǎng)券”。

2024 年中標(biāo)聚變新能 “BEST 真空室” 項(xiàng)目，2.09 億元合同標(biāo)志著工程化突破；通過與中科大核科學(xué)技術(shù)學(xué)院共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，攻克材料疲勞、高精度加工等卡脖子問題，累計(jì)申請(qǐng)發(fā)明專利 18 項(xiàng)；與李政道研究所合作共建尖端制造實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步夯實(shí)精密加工與探測(cè)技術(shù)儲(chǔ)備。未來在政策紅利與市場(chǎng)需求雙重驅(qū)動(dòng)下，有望實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

06 其他關(guān)鍵材料--抗輻射材料

06-1、抗輻射介紹

ODS 鋼（氧化物彌散強(qiáng)化鋼）是核聚變抗輻射結(jié)構(gòu)材料的 “核心選手”，憑借優(yōu)異抗輻照性能與高溫強(qiáng)度，成為研發(fā)重點(diǎn)。以 EUROFER97-ODS 為例，通過機(jī)械合金化引入納米氧化釔顆粒，像給鋼材加了層 “抗輻照防護(hù)盾”，顯著提升硬度與高溫穩(wěn)定性 ——50℃以上力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼材，壓下率 50% 時(shí)硬度從 200HV 升至 280HV，中子輻照下韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）升高幅度低，應(yīng)用可行性突出。

目前該材料已用于 ITER 實(shí)驗(yàn)包層、DEMO 反應(yīng)堆第一壁等關(guān)鍵部位，為制造業(yè)提供明確技術(shù)路徑與市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

06-2、核心公司：國(guó)光電氣

寶武集團(tuán)在 ODS 鋼機(jī)械合金化、熱加工工藝上實(shí)現(xiàn)突破，完成多批次試樣制備，性能接近國(guó)際先進(jìn)水平；鋼研高納聚焦核聚變用 ODS 鋼產(chǎn)業(yè)化，開展規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)，產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段；中科院金屬所聯(lián)合企業(yè)開發(fā)出適用于聚變堆的低活化 ODS 鋼，為國(guó)內(nèi)聚變裝置材料國(guó)產(chǎn)化提供支撐。

最后，整理國(guó)內(nèi)公司參與情況如下：

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