1.核能发电：核技术军技民用的典范
1.1 双碳目标背景下，发展核电大势所趋
能源是推进碳达峰、碳中和的主战场。中共中央、国务院《关于全面推进美丽中国建 设的意见》明确提出，要力争 2030 年前实现碳达峰，为努力争取 2060 年前实现碳 中和奠定基础。坚持先立后破，加快规划建设新型能源体系，确保能源安全。大力发 展非化石能源，加快构建新型电力系统，要求到 2035 年非化石能源比重进一步提高。核电具有环保性、经济性、高效性三大优点，对实现双碳目标和清洁能源转型发挥不 可或缺的作用。环保性：与火电相比，核电站不会污染空气或直接排放二氧化硫、氮氧化物、温室气 体，其二氧化碳的间接排放量仅为 21 克每千瓦时，是六种主要发电方式中最低的。经济性：与风电、光伏相比，单位投资相当，但核电的运行小时数高，每年可以运行 7000 小时以上。据联合国经合组织研究报告，欧洲的核电发电成本是光伏发电的 1/5.3，风电的 1/1.8；中国的核电发电成本是光伏发电的 1/4.7，风电的 1/2.1。高效性：1000 克标准煤、矿物油及铀分别产生约 8 千瓦时、12 千瓦时及 24 兆瓦时 的电力，单位铀的发电量分别是标准煤和矿物油的 3000 倍和 2000 倍。
能源转型趋势下，世界各国重视核电发展。目前已有 70 多个国家（能源相关温室气 体排放量占全球四分之三）承诺将排放量减至净零。核能发电作为唯一可大规模替代 化石燃料的清洁能源，受到世界许多国家的青睐，各国政策纷至沓来，我国也提出 《“十四五”现代能源体系规划》，明确提出加快推动能源绿色低碳转型，到 2025 年， 核电运行装机容量达到 7000 万千瓦左右。
1.2 压水堆是全球在运核电站主流堆型
核燃料在反应堆内发生裂变而产生大量热能，高温高压的一回路冷却水把这些热能 带出反应堆，并在蒸汽发生器内把热量传给二回路的水，使它们变成蒸汽，蒸汽推动 汽轮机带动发电机发电。
一回路：反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的热能，高温高压的冷却水由主泵泵入堆 芯带走热量，然后流经蒸汽发生器内的传热 U 型管，通过管壁将热能传递给 U 型管 外的二回路，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。水这样不断 的在密闭的回路内循环，被称为一回路。二回路：蒸汽发生器 U 型管外的二回路水受热变成蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电机做 功，把热能转换为电力；做完功后的蒸汽进入冷凝器冷却，凝结成水返回蒸汽发生器， 重新加热成蒸汽。这个回路循环被称为二回路。
核反应堆：装配核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置，是核电站的核心装 置。反应堆冷却剂将热量由核反应堆堆芯转移至发电机及外部环境，中子慢化剂会降 低快中子的速度，生成可维持核链式反应的热中子。商用核电反应堆一般根据反应堆冷却剂/慢化剂或中子能分类。按照冷却剂/慢化剂的 不同，反应堆一般可分为轻水堆（包括压水堆和沸水堆等）、重水堆及气冷堆。按照 所用的中子能量，反应堆一般可分为慢（热）中子堆或快中子堆。
目前，压水堆为全球主流反应堆堆型。全球在运压水堆占所有反应堆的占比达 73.6%， 其次为沸水堆，占比 9.9%。截至 2023 年底，我国共 55 台在运核电机组，有两台重 水堆（秦山三期 1 号、2 号）、一台高温气冷堆（石岛湾一期），其余均为压水堆。
1.3 核电产业链高壁垒，我国核电规模不断扩大
核电产业链包括了核燃料供给商、设备供应商、电力设计、科研、施工、安装、发电 和输配电等企业，按照其在产业链中的位置可分为上游、中游和下游三个环节。核电上游环节包括核燃料及循环、碳素及金属的制造；中游环节包括核岛、常规岛设 备制造及核电辅助设备制造；下游环节主要包括核电站设计、建设及运营维护。
1.3.1 上游端：世界铀资源分布不均，我国多措并举保供应安全
核燃料进入反应堆前的制备和在反应堆中燃烧后的处理的整个过程被称为核燃料循 环，其包括核燃料进入反应堆前的制备和在反应堆中的裂变及乏燃料处置的整个过 程，是核能安全可持续发展的重要基础，被喻为核能发展的“大动脉”。核燃料循环 的前端包括铀矿探采、矿石加工、精炼、转化、浓缩等；核燃料循环的后端包括对放 射性废物的处理、乏燃料的贮存和处置等，乏燃料经过处理后可以回收 99%以上的 铀和钚以及其他有用的放射性同位素，实现铀资源的充分利用。
世界铀资源分布极不均匀，近八成的产量来自哈萨克斯坦、加拿大、纳米比亚和澳大 利亚。2022 年，哈萨克斯坦的矿山铀产量最大（占世界供应量的 43%），其次是加 拿大（15%）、纳米比亚（11%）和澳大利亚（9%），我国 2022 铀产量约 1700 吨铀， 占比 3.4%。产铀行业市场集中度极高，2022 年产量排名前 10 位的公司贡献了全球 铀产量的 90%以上。
我国是铀资源丰富的国家，但整体品位较低。根据世界核协会数据，截至 2021 年 1 月，中国已查明可采资源总量为 22.39 万吨铀，占世界铀资源的 4%，排名第九。考 虑到我国资源禀赋的现实因素，我国高度重视天然铀保障体系建设，强化多元多样的 铀资源保障体系。我国已初步建立了国内开发、国际贸易、海外开发、储备体系相结 合的“四位一体”天然铀保障供应体系。国内开发方面，我国开采的铀矿主要位于新疆、陕西、江西、广东和内蒙古，总名义 产能 1600 吨铀/年，由中核集团的全资子公司中核铀业有限责任公司（简称中核铀 业）负责经营。国际贸易方面，我国铀的国际来源主要是公开市场上购买的铀，进口国主要是哈萨克 斯坦、乌兹别克斯坦、加拿大、纳米比亚、尼日尔和澳大利亚。
海外开发方面，我国对其他国家铀矿的权益投资主要由中核铀业和中广核铀业发展 有限公司进行。该部分铀资源供应保障是可靠且成本相对稳定的，相比之下国际铀贸易的波动性和供应风险性更高。此外，由于铀资源对国际航线运输量和通道占用量极 低，因而通常海外开发的铀资源安全性较高。
储备体系方面，天然铀供应安全性水平高，能够相对经济地构建安全的储备体系。相 比于储备 1 年所需的石油费用 3 万亿，当前我国现有运行核电机组 50 余台，按照每 台百万千瓦核电机组消耗天然铀 180 吨铀计算，储备一年量的天然铀需要 150 亿元 人民币，储备 10 年的天然铀约 1500 亿元，远低于石油储备 1 年的成本。价格端，天然铀供应紧缺，价格大幅攀升。近年来，由于多起突发事件如俄乌战争、 全球最大的铀生产国哈萨克斯坦的大规模抗议、尼日尔政变，天然铀持续供应紧缺， 铀价大幅攀升。截止 2024 年 1 月，每公吨铀价突破了 80 美元。相比于化石燃料发 电，核电的燃料成本（包括铀、转化、浓缩和制造的成本）在核电站总电力成本中占 比较小，通常不到 20％。需求端，全球核电装机容量不断增加，铀需求量也随之上升。我国 2007-2023 年铀 需求保持快速增长，年均复合增速为 13.7%， 2023 年需求量为 1.1 万吨。根据世界 核协会预测，到 2040 年，全球反应堆对铀燃料的需求预计将从目前的约 6.6 万吨铀 增加至约 13 万吨铀，东亚将成为全球核电装机容量和铀需求增幅最大的地区，装机 容量将增加到 1.4-2.6 亿千瓦，铀需求量将达到 2.3-4.1 万吨铀。
乏燃料后处理是核燃料循环过程的关键一环。乏燃料是反应堆中使用完卸载出来的燃料，国际上处理乏燃料主要有直接处置和再 循环两种途径。我国根据自身情况，立足长远，采用的是闭式燃料循环后处理战略， 同时采用该方式的还有法国、日本、俄罗斯、印度等国。乏燃料处理过程中，乏燃料水池和乏燃料贮存格架是后处理产业链中的核心设备。
我国核电高速发展的背景下，乏燃料后处理建设进度却显得有些滞后。全球商用乏 燃料后处理能力为 4660 吨/年，约相当于全球每年卸出乏燃料量的 42%。其中，法 国乏燃料后处理能力为 1600 吨/年，英国为 1500 吨/年，日本为 800 吨/年。据预测， 2030 年我国核电厂累积卸出乏燃料将达到 2.4 万吨，离堆贮存需求达到 1.5 万吨以 上，而以我国目前的乏燃料管理能力，存在乏燃料管理压力增大、核电发展面临可持 续性问题突出、核燃料循环后段需求日益迫切的实际情况。
核废料后处理作为核电市场的下一片“蓝海”，已提至国家高度。在国家发改委、能 源局印发的《能源技术革命创新行动计划（2016~2030 年）》中“乏燃料后处理与高 放废物安全处理处置技术创新”成为核能行业技术两大创新重点之一。《“十四五” 规划和 2035 远景目标纲要》提出，“安全稳妥推动沿海核电建设”和“建设乏燃料 后处理厂”，更是明确了我国坚定执行闭式核燃料循环的政策。
我国在后处理产能方面制定了三步走计划：一是建设每年 60 吨规模后处理中试厂， 目前已完成；二是要完成每年 200 吨规模后处理示范工厂的建设；三是实现每年 800 吨的工业规模后处理能力。
1.3.2 中游端：核岛设备是关键，国产化水平持续提升
核电设备包括核岛设备、常规岛设备和辅助设备。其中，核岛设备是保障核电机组安 全运行的关键，其结构复杂、专业性强、交叉施工多、技术难度大、工期要求紧、质 量要求高，且必须满足核安全法规的严格要求，代表了核电站建设的技术水平；常规 岛工程与普通火电工程相近。由于核电产业的特殊性，核电工程建设市场为非完全竞争市场，行业内竞争企业数量 有限。中国核建在核电站核岛建设市场处于绝对主导地位，我国已建和在建的绝大多 数核岛工程由中国核建承建。常规岛和辅助设备建设市场，由于工程难度和特殊性不 及核岛建设，目前国内参与竞争的企业较多，包括各大型建筑企业、火电建设企业等， 市场竞争激烈。
近年来，我国核电主设备出产不断增长。我国已具备先进核电设备规模化制造能力， 且造价仅为海外同类机组价格的 60%左右，具备明显比较优势。2022 年，我国核电 装备制造企业持续推进三代核电装备制造技术改进、完善和标准化工作，通过实施核 心设备和零部件国产化攻关，着力解决“卡脖子”问题，主要核电堆型设备国产化率 达到 90%以上，如“国和一号”湿绕组电机主泵和屏蔽电机主泵等一批核电关键装 备首台套交付。2022 年国内核电主设备累计交付 54 台套，维持高位。
1.3.3 下游端：核电装机建设进程加速，核电发电占比有望快速提高
我国在运核电装机规模居世界第三位。据国际原子能机构统计，截至 2023 年 12 月 31 日，世界 32个国家在运核电机组共计 413 台，装机容量 371.5GW。其中，美国 在运核电 93 台，装机容量 95.8GW；法国在运核电 56 台，装机容量 61.4GW；俄 罗斯在运核电 37 台，装机容量 27.7GW。近年来我国核电装机规模和发电量均平稳增长，2023 年在运装机规模 56.9GW，同 比增长 2.5%，位居全球第三。
我国在建核电规模继续保持全球第一。截止 2024 年 2 月，世界 17 个主要核电国家 在建核电机组共计 60 台，装机容量约 64.1GW。其中我国在建核电机组共 25 台， 总装机容量约 27.9GW，整体规模继续保持全球第一，其中，两台为快中子堆，其余 均为压水堆。印度、土耳其在建核电为 8 台和 4 台，装机容量为 6.0GW 和 4.5GW；按堆型划分，全球在建压水堆、重水堆、沸水堆和快堆分别为 49 台、3 台、2 台和 4 台，装机容量分别为 53.2GW、1.9GW、2.7GW 和 2.1GW，压水堆仍是主流。
2022 年以来，中国核电机组核准数量创十余年来之最。2011 年日本发生福岛核事故 后，中国一度暂停了新增核电项目审批，2019 年中国核电审批再次重启，随后三年 分别核准核电机组四台、四台、五台。2023 年通过审批的核电机组数量达到十台， 分别于 7 月核准六台，以及 12 月再核准四台，与 2022 年持平，均创十余年来之最。按照单台“华龙一号”机组约 200 亿元的总投资计算，2023 年核准的 10 台机组投 资规模高达 2000 亿元。
我国核电发电量占比还有巨大的发展空间。2022 年，我国火电占总发电量的比重高 达66.5%，而核电发电量占比仅4.7%，与法国（62.6%）、韩国（29.6%）、美国（18.2%）、 加拿大（12.9%）等主要核电国家相比仍然较低。我国近 20 年全国核电发电量增速 大体上先上升后下降，20 年 CAGR 为 11.40%，2023 年，我国核电发电量 4332.6 亿千瓦时，同比增长 3.71%。
核电行业的进入壁垒包括行政壁垒、技术壁垒、人才壁垒和资金壁垒这四大壁垒。目 前我国具有核电运营资质牌照的公司只有四家，即中国核工业集团公司、中国广核集 团、国家电力投资集团公司和中国华能集团公司。近十年来主要的核能发电企业只有 中核集团和中国广核，但近几年来国家电投和中国华能也开始有小规模的装机容量。
2023 年四大集团在运机组和容量分别为：中核集团：25 台，2375 万千瓦；中国广 核：27 台，3056 万千瓦；国家电投：2 台，250 万千瓦；中国华能：1 台，21 万千 瓦。五大发电集团中的国家电投、华能已实现核电站控股，中国大唐、中国华电和国 家能源集团在核电领域也有所渗透，通过参股的模式拥有一定的核电项目或装机权 益。未来五大发电集团的发力将带来新的变量和新的动能。
国内核电发展规模和节奏有望进入新常态。预计 2030 年前，我国在运核电装机规模 有望超过美国成为世界第一，在世界核电产业格局中占据更加重要的地位。综合多家 机构的研究成果，预计到 2035 年，我国核能发电量在总发电量中的占比将达到 10%， 相比 2022 年翻倍，核电在我国能源结构中的重要性进一步提升。
1.4 第四代核电多技术并行发展，中国 HTR、SFR 产业化进展速度快
2000 年，美国能源部发起了“第四代国际论坛”（GIF），其愿景是跨过应用中的轻水 堆技术，通过与国际伙伴的合作来分享先进核能反应堆系统的研究与开发。我国于 2006 年加入 GIF，与其他成员国共同开发能获得许可、建造和运行的未来一代核能 反应堆系统，这种核能系统将提供具有竞争力的价格、可靠的能源产品，且能令人满意地解决核安全、核废物、防扩散和公众认知关切。第四代核反应堆主要特征是安全可靠性高、废物产生量小、具有更好的经济性，是未 来核能重要的发展方向。
经过共同努力，GIF从 130多种概念设计中遴选出气冷快堆（GFR）、铅冷快堆（LFR）、 熔盐反应堆（MSR）、钠冷快堆（SFR）、超临界水冷堆（SCWR）、超高温气冷堆（VHTR） 六种核能系统作为最有开发前景的第四代核能技术，并在其后发布了技术路线图，确 定并规划了推动这六种核能发展所必不可少的研发工作和相关时间节点。我国对于 四代堆“高温气冷堆”和“钠冷快堆”分别建设了实验堆和示范工程，是产业化进展 最快的第四代核电技术。
钠冷快堆（SFR）：钠冷快堆是以液态金属钠为冷却剂、主要由快中子引起核裂变的反应堆。快堆主要有 两大优势：一是增殖，它可以将天然铀中占 99%以上的铀-238 转化为易裂变核素钚 -239，将铀资源利用率从压水堆的不到 1%提高到 60%以上；二是嬗变，它可以将乏 燃料中的长寿命高放射性核素转化为短寿命低放射性核素，从而将核废料的放射性 危害降至最小。俄罗斯：俄罗斯开展多用途钠冷快中子研究堆、BN 系列钠冷快堆以及燃料循环专项 计划的研究，主要在堆设计、新燃料以及相关装置和特种同位素生产的研发，同时俄 罗斯即将实现闭式燃料循环。美国：已在 20 世纪 40 年代建成全球首座实验快堆，已经积累了有近 50 年的运行经 验，并且已具备示范快堆燃料制造能力。日本：拥有大量运行快堆的经验，近期正携手美国开发钠冷快堆。中国：实验快堆工程（CEFR）已具备发电能力，目前正在建设福建霞浦 CFR600 示 范快堆。
超高温气冷堆（VHTR）：VHTR 是 20 世纪 70-80 年代开发的高温反应堆的衍生物。以全陶瓷包覆颗粒燃料为 特征，采用石墨作为中子减速剂，氦作为冷却剂，通过自动衰变热排除能力实现了固 有安全性和工艺用热应用能力。美国：主要开发棱柱型反应堆。美国能源部开展的“下一代核电站”（NGNP）研究 项目最终选择通用公司参与的棱柱型模块式反应堆（MHTGR）作为美国超高温堆研 发的目标，目前还处于研发阶段。日本：拥有研究运行 HTTR 试验堆的大量经验，并掌握高温制氢技术。俄罗斯：主要开展超高温堆燃料制造技术研究。中国：主要开发球床型反应堆。中国已于 2021 年底建成全球首座球床模块式高温气 冷示范堆核电站（石岛湾高温气冷堆核电站），实现并网发电。
超临界水堆（SCWR）：SCWR 是一种高温高压水冷堆，在水的热力学临界点（374℃，22.1MPa）以上运行。一般地说，SCWR 的概念设计可分为两大类：一类最初由日本提出、最近由欧洲原 子能共同体合作提出的压力容器概念；另一类是由加拿大提出的压力管概念，一般称 为加拿大超临界水堆。SCWR 的主要优点是热力效率高，且有可能简化厂房，从而 提高了经济性。日本：在超临界水冷堆方面开展过大量系统性工作。加拿大：研究目前由加拿大核能实验室（CNL）牵头，多所科研机构和大学共同参与。欧盟：研究由德国卡尔斯鲁厄研究院（KIT）牵头，其他十余个欧洲研究机构参加。中国：目前的超临界水堆设计方案已基本具备国际评审条件。
熔盐堆（MSR）：熔盐堆是以熔盐作为冷却剂的反应堆。熔盐具有高温、低压、高化学稳定性、高热容 等非常理想的反应堆热量传输特性，可建成常压、紧凑、轻量化和低成本的反应堆；熔盐堆运行只需少量的水，即使在干旱地区也能够高效发电；熔盐堆输出温度可达 700℃以上，既可用于发电，也用于工业生产和高温制氢、吸收二氧化碳制甲醇等， 缓解气候问题和环境污染，实现核能综合利用。俄罗斯：正由国家原子能集团公司的博奇瓦尔无机材料研究所开展熔盐堆燃料及乏 燃料处理技术的研发，主要包括氟化钚和次锕系元素氟化物的制备、氟化锂和氟化铍 混合熔盐的制备以及氚的安全防护。美国：在 1965 年已建成并满功率运行 8MW 熔盐实验堆（MSRE），后来停止运行；目前，美国和加拿大两国核监管机构已完成一体化熔盐堆（IMSR）的联合技术评审。中国：我国 20 世纪就开展过熔盐堆的研究，包括“820 工程”“728 工程”，并在 1971 年建成冷态熔盐堆，目前主要由上海应用物理研究所牵头开展钍基熔盐堆的研究，有 机所、高研院、金属所等参与，已在甘肃武威实现了机电安装以及功率调试。
铅冷快堆（LFR）：GIF 确定的 LFR 概念包括三个参考系统：一是额定功率为 600MWe 的大型系统 （ELFR，欧盟）；二是额定功率为 300MWe 的中型系统（BREST-300，俄罗斯）；三是额定功率为 10-100MWe 的小型可运输系统（小型安全可运输的自主反应堆 SSTAR，美国），其特征是堆芯寿命很长。美国：已于 21 世纪初重启铅冷快堆研发计划。美国阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利 国家实验室和洛斯阿拉莫国家实验室联合开展 SSTAR 项目，主要研究小型模块化设 计；在 SSTAR 基础上，美国阿贡国家实验室开展 SUPER-STAR 项目，主要研究小 型自然循环铅冷快堆，并处于国际领先地位；美国西屋公司开展铅冷示范快堆（DLFR） 项目研究，主要验证示范快堆技术的可行性。俄罗斯：主要实施“突破”计划，目前已基本掌握快堆、氮化物燃料和后处理关键技 术，且正在设计和建造 BREST300 铅冷快堆及燃料循环设施。中国：我国已拥有三座启明星系列零功率装置，已分别于 2005 年、2016 年和 2019 年实现临界。
气冷快堆（GFR）：GFR 的参考概念是一种堆芯出口温度达 850℃的 2400MWh 反应堆。如此高的堆芯 出口温度使间接燃气－蒸汽联合循环能够由三个中间热交换器来驱动。但也需要燃 料能够在为实现快堆堆芯的良好中子经济性所必需的高功率密度下持续工作。这是 在开发 GFR 系统的过程中遇到的最大挑战。GFR 面临的第二大挑战是确保在所有 预期的运行工况和事故工况下都能排除衰变热。截至目前，国际上还没有建造过真正的气冷快堆，美国开展了 300MW 示范电厂和 1000MW 商业电厂的初步设计；气冷快堆实验堆国际上的研究主要由法国牵头，其 他四个欧洲国家参与。我国在气冷快堆方面还没有系统开展工作。
1.5 模块化小堆是核能必争之地，开发和部署节奏加快
根据 IAEA 标准，电功率小于 300MWe 的反应堆被划分为小堆。因小堆具有对电网 等级要求不高，用途广泛等的特点而受到关注。
小堆是在成熟的压水堆基础上经过多项重大技术改进而发展起来的，有如下主要特 征：（1）采用一体化压水堆结构设计；（2）模块式高效直流蒸汽发生器；（3）小型屏 蔽电机泵；（4）非能动安全系统的新设计；（5）模块化设计和施工。
现有的小型堆设计中，压水堆技术仍占据主导地位。中国、美国、俄罗斯、阿根廷、 韩国、英国等均提出了各自小型压水堆设计方案，其中绝大部分处于设计或评审阶段。中国 ACP100、阿根廷 CAREM 等部分堆型已进入建设阶段，俄罗斯在海上浮动堆 领域处于领先水平。
下一代反应堆技术独特的安全性等优势在小堆领域具备独特应用价值。中国在高温 气冷、钍基熔盐等小型堆领域，俄罗斯在液态金属冷却小型堆领域，美国和加拿大在 微堆、熔盐小型堆等领域开发进展处于前列。
我国的小堆技术发展迅速，目前国内共有中核集团、中广核集团、国电投集团、中科 院、清华大学等单位的 10 种小堆已收录在 IAEA《小型模块化反应堆技术进展（2022 版）》手册里。其中，水冷型小堆 7 种，非水冷型小堆(高温气冷堆、熔盐堆)3 种。国内各轻水冷却型小堆设计已完成可研或初步设计。其中，陆上小堆主要有发电(含 热电联供)和供热两类预期应用，中核集团 ACP100（“玲龙一号”）是第一个实际 部署在建的小型模块化轻水堆，海南昌江多用途模块式小型堆科技示范工程正在建 设中，采用一体化反应堆、非能动的安全系统和模块化设计，装机容量 125MWe。另外，ACP100S、ACPR50S 等海上浮动堆也采用了小型压水堆路线，考虑了热、 电、淡水联供和孤岛供能等多种预期应用。清华大学 HTR-10、HTR-PM 高温气冷堆 已投入运行。中科院上海应用物理研究所 TMSR-LF1 钍基熔盐堆正处于调试关键期。
1.6 核聚变是未来能源终极方案，正处于关键技术探索阶段
核聚变是指在一定条件下（超高温、高压），由质量较小的原子核互相聚合生成新的 质量更重的原子核，同时释放出巨大能量的过程。核聚变类型包括氘-氚聚变、氘-氦 3 聚变、氢-硼和氘-氘聚变，其中，氘-氚聚变是最容易获得聚变能的方式，也是实现 可控核聚变的最为可行的发展路线。与核裂变能相比，核聚变能具有燃料来源丰富、 能量效率、绿色环保、安全性高等优势，是人类未来理想终极能源的首要选择。
实现可控核聚变反应必须满足三个条件：高温、高密度、能量约束。目前实现可控核 聚变的两个困难是在数亿度的温度下点火和对长期约束的稳定控制。能量增益因子 Q 是聚变反应中输出能量和输入能量之比，当 Q=1，聚变反应所释放的功率等于维持反应所需的加热功率，称为收支平衡，一般认为商业聚变堆至少需要 Q值达到 10。
核聚变约束途径包括引力约束（如太阳）、惯性约束（激光约束、粒子数约束、Ｚ箍 缩驱动及弹丸弹射等）、磁约束（如仿星器、磁镜以及托卡马克等）。在三类约束方式 中，引力约束无法在地球上实现，惯性约束难以实现持续的聚变功率输出，因此，磁 约束核聚变是实现聚变能开发的有效途径。
根据磁场位形的不同，磁约束核聚变装置可分为托卡马克、磁镜、仿星器、球形环、 紧凑环、直线箍缩、环箍缩等多种类型。其中，托卡马克通过在环形真空室中构造出 一个闭合的螺旋磁场，完成对高温等离子体的约束，聚变燃料在周而复始的运动中完 成核聚变反应，基于托卡马克装置的磁约束核聚变是目前最有希望实现聚变能和平 利用的途径。
1.6.1 世界各国积极布局，国际合作与自主研发齐头并进
ITER（国际热核聚变试验堆）由欧盟、美、俄、中、日、韩国、印度七方联合实施， 2001 年完成工程设计，2007 年开始建设，预计 2025 年完成。非核试验计划 2026 年开始，持续 10 年，随后氘氚运行于 2035 年开始，到 2045 年结束。国际主要国 家和地区都制定了详细的聚变能源发展路线，一方面积极参与 ITER 计划的建造和实 验，吸收 ITER 技术和经验；另一方面，各国建设和发展自己的下一代聚变商业示范 堆（DEMO）装置，并开展与 ITER 配套的相关研究。
我国的受控核聚变研究始于 20 世纪 50 年代中期，经过 60 余年的努力，目前磁约束 核聚变技术的研究已处于世界前列。磁约束托卡马克装置主要包括核工业西南物理 研究院的 HL 系列装置和中国科学院等离子体物理研究所的 EAST 装置。
（1）中国环流器系列（HL）
中国环流器系列（HL）核聚变装置由中核集团西南物理研究院建设。1984 年建成 HL1，标志着我国核聚变研究由原理性探索进入到规模化实验研究阶段；2002 年建成 HL-2A，是我国第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置，等离子体电子温度达到 5500 万度；2020 年 12 月，HL-2M 建成并首次放电，2022 年 10 月，HL-2M 等离子体电 流突破 100 万安培，创造了我国可控核聚变装置运行新记录；2023 年 8 月，中国环 流三号首次实现 100 万安培等离子体电流下的高约束运行模式，标志着我国磁约束 核聚变装置运行水平迈入国际前列。
（2）合肥超环（HT-7）和东方超环（EAST）
所有托卡马克的终极目标是将氘氚聚变原料加热到点火点或更高的温度，并加以控 制地持续尽可能长的反应时间，以追求连续的聚变能量输出。即使采用导电性良好的 铜作为导体绕制线圈，由于电流巨大线圈不可避免地存在发热问题，从而限制了磁约 束核聚变的长时间稳态运行。由于超导体具有零电阻效应，且承载电流密度更高有 利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行，20 世纪 后期，科学家们开始把超导技术用于托卡马克装置。中国科学院等离子体物理研究所 1990 年引进苏联 T-7 装置，并升级为 HT-7 装置（合 肥超环）；2006 年，自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置 EAST （东方超环），标志着聚变能发展步入全超导托卡马克时代，向着实现稳态核聚变能 源方向发展。EAST 是由 Experimental（实验）、Advanced（先进）、Superconducting （超导）、Tokamak（托卡马克）四个单词首字母拼写而成，具有“全超导托卡马克 实验装置”之意。
EAST 装置具有三大科学目标：1MA 等离子体电流、1 亿度高温等离子体、1000s 运 行时间。近年来 EAST 实验屡获突破，先后于 2010 年运行 1MA 等离子体电流、2018 年首次获得 1 亿度高温等离子体、2021 年实现 1056s 长脉冲高参数等离子体运行， 三大科学目标已经分别独立完成。2023 年 4 月 12 日，EAST 成功实现了 403s 可重 复的稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新 的世界纪录。
（3）中国聚变工程实验堆（CFETR）
中国磁约束聚变能的开发分为 3 个阶段：第一阶段，力争在 2025 年推动中国聚变工 程试验堆立项并开始装置建设；第二阶段，到 2035 年建成中国聚变工程实验堆，调 试运行并开展物理实验；第三阶段，到 2050 年开始建设商业聚变示范电站。
CFETR（中国聚变工程实验堆）是中国自主设计和研制并联合国际合作的重大科学 工程，作为从 ITER 到 DEMO 示范堆的过渡阶段，2017 年在合肥正式启动，目前工 程设计已基本完成。2019 年，中国科学院等离子体物理研究所正式启动聚变堆主机 关键系统综合研究设施（CRAFT，“夸父”）项目，主要建设内容为超导磁体研究系 统和偏滤器研究系统，CRAFT 全面建成后将是最高参数和最完备功能的磁约束核聚 变研究平台，保证未来聚变工程堆建设和关键部件研发的顺利进行。CFETR 第一阶段主要开展长脉冲稳态等离子体运行和燃烧等离子体研究，以此实现 200MW 的聚变功率；第二阶段主要围绕商用聚变示范堆（DEMO）开展相关验证性 试验，同时实现 1GW 的聚变功率。
1.6.2 核聚变产业链覆盖范围广，超导磁性材料是关键环节
核聚变产业链覆盖范围较广，上游原材料包括有色金属（钨、铜等）、特种气体（氘、 氚）、特种钢材、磁性材料、超导材料等；中游组件、装备包括包层第一壁、偏滤器、 真空室、真空杜瓦、控制系统、超导磁线圈等；下游聚变机组运营包括聚变装置、发 电机组。
2.非动力核技术：辐射化工及电子辐照方兴未艾
非动力核技术是除核武器与核电之外的放射性应用研究技术，是现代科学技术发展 的重要组成部分，是重要尖端的技术之一，广泛应用于工业、农业、医学、环保、安全等诸多与人们生活密切相关的领域。国际原子能机构（IAEA）指出：“就应用的广 度而言，只有现代电子学和信息技术才能与同位素及辐射技术相提并论。”
我国民用核技术稳步发展，全国从事放射性同位素和射线装置的单位数量逐年增加。截止 2022 年 12 月 31 日，全国从事放射性同位素和射线装置的相关单位数量共 10.5 万家，同比增长 13.1%，5 年 CAGR 达 9.4%。其中，生产、销售、使用放射性同位 素的单位 0.97 万家，仅生产、销售、使用射线装置的单位共有 9.5 万家。2022 年底 全国在用放射源达 16.4 万枚，各类射线装置 26.7 万台。
我国非动力核技术产业规模有待进一步发展壮大。美国将核技术应用列为优先支持 的 22 项重大技术发展方向之一，其核技术应用产值已达 6000 亿美元，约占 GDP 的 3%。我国核技术应用产值从 2015 年的 3000 亿元（约占 GDP 的 0.4%），到 2022 年底已接近 7000 亿元（约占 GDP 的 0.57%），年均增长 15%以上。其中，工业应 用产值占比超过 50%，医用核技术产值占比约 20%。但总体而言，与发达国家相比， 我国非动力核技术应用产值占比低，产业仍存在较大潜力和发展空间。
2.1 受益绿色化工产业发展，高附加值辐射化工彰显旺盛生命力
辐射化工是利用电离辐射作用于物质产生的化学变化（化合、分解、交联、聚合、接 枝、固化、降解等）来实现材料改性的一种新的加工方法。辐射化工产品附加值高， 应用面广，涉及通信、电子、电力、交通、石油化工、航空航天等诸多国民经济重要 领域，近十几年来，随着世界范围产业结构的升级和环保意识的增强，辐射化工作为 一种高效、节能、无污染、易控制的绿色化工产业受到世界的普遍重视，显示出旺盛 的生命力。
辐射化工包括辐射交联、辐射固化、辐射硫化、辐射降解及辐射接枝改性。辐射交联是利用电子束辐射在高分子聚合物长链之间形成化学键，从而使聚合物的 物理性能、化学性能获得改善并有可能引入新性能的技术手段。利用辐射交联技术生 产的一大类产品是具有特殊“记忆效应”的热收缩材料，另一大类产品是辐射交联 的电线电缆。辐射固化是一种借助照射方法实现化学配方由液态转化为固态的加工过程。具有固 化速度快、表面均一、能耗低、不使用化学溶剂等优点，是一种环保的固化方法，几 乎涵盖所有的印刷工艺。辐射硫化是高能电子束在橡胶基体中激活橡胶分子，产生橡胶大分子自由基，使橡胶 大分子交联，形成三维网状结构。它避免了传统的化学热硫化由于使用的交联剂在基 材内部分布不均而造成交联不均匀，以及温度梯度的影响造成的材料性能下降的缺 点，非常适合用于载重汽车轮胎、密封圈以及长期使用于户外的橡胶产品。辐射降解是指在辐射作用下，高分子聚合物发生主链断裂的情况。辐射降解技术主要 应用于废旧塑料的处理及橡胶制品的再生利用。辐射接枝改性是研制各种性能优异的新材料，或对原有材料进行辐射改性的有效手 段之一。由于辐射接枝不需要向体系添加引发剂，可得到非常纯的接枝聚合物，是合 成医用高分子材料的有效方法。
辐射化工用的设备主要有 2 类，分别为钴源辐照装置和高能电子辐照加速器。钴源辐照装置：其利用放射性同位素钴 60 源放射出的 γ 射线进行辐照加工。它主要 是由基本建设和各种工艺系统组成。基本建设主要有辐照室、预辐照大厅、控制室等 组成。工艺系统主要是源的升降系统，物品的输运系统、控制系统、水处理系统和安 全联锁系统等组成。高能电子辐照加速器：利用高电压将电子枪产生的电子进行加速，赋予电子以一定高 的能量如 0.5Mev~3Mev，使电子具有一定的强度，如 20mA。然后将这一电子束直 接打在被加工的物品上进行辐照加工，也可以将电子束转变成 X 射线进行加工。其 主要设备是电子加速器，束下装置和控制系统。
2.2 电子辐照技术在环保领域的应用发展迅速
核技术在环保领域可以有效处理“三废”(废气、废水、废物)，如烟道气脱硫脱硝、 去除挥发性有机物、各类型废水处理、处理污泥以减少致病微生物有机体、固体废弃 物处理等。与传统方法比，具有效率高、可变废为宝、操作简便等优点。我国在辐射处理废气、废水、废物等方面，虽然起步较晚但发展迅速。世界上第一座 电子束处理烟气的工业化应用装置在中国成都建成。中广核达胜在广东建成国内第 一个工业规模的电子加速器辐照处理印染废水工程项目已于 2020 年 6 月份正式投 入运营，采用 7 台电子加速器联机运行，设计处理能力达到 30000m3 /d。2020 年 7 月中广核达胜加速器技术有限公司联合新疆川宁生物科技有限公司，在新疆伊犁建 设完成了我国第一个电子束无害化处理抗生素菌渣示范工程，设计处理抗生素菌渣 100t/d，为电离辐照在固体废弃物领域的应用开辟了新方向。
电子辐照技术用于废水处理及消毒：电子束辐照技术，既可以用作预处理，破坏有机污染物的结构，提高其生物降解性， 以利于后续的生物处理；也可以作为深度处理，进一步氧化分解二级处理出水中残留 的有机污染物，以满足排放标准或回用要求；同时，电子束辐照技术通过与传统的废 水处理工艺相结合，可以形成技术可行、经济合理的废水处理新方法。
电子束辐照处理废水具有六大优点：①高效：电子束辐照与污染物的作用时间短、效 率高；②低碳：无需使用化学药剂，或仅使用少量化学药剂；③安全：不使用放射性 核素，不产生放射性，关闭电源后就没有辐射，具有良好的安全性；④可靠：电子加 速器性能稳定、使用寿命长；⑤活性物种多样：辐照反应体系中同时存在氧化性物种 与还原性物种；⑥应用方式灵活：电子束辐照可与其他物理、化学方法联合使用，具 有“协同效应”。与传统的高级氧化过程（Advanced Oxidation Processes，AOPs）相比，电子束辐 照技术不仅涉及到•OH 的氧化作用，还涉及到•H 和水合电子的还原作用，以及射线 的直接作用，电子束辐照处理废水技术处理能力更强大。电子束辐照技术对印染废水、造纸废水、含氰（腈）废水、重金属废水的处理都有较 好的效果。
废水消毒方面，电子束辐照直接作用，以及电子束辐照作用于水后产生的活性粒子， 能够改变或破坏微生物的 DNA、RNA 及细胞组织，因此，辐照技术可用于生物诱变 育种，也可用于病毒/病原菌的灭活。电子束辐照消毒不用添加额外的化学药剂，消毒效果好，是一种非常有前景的水消毒 技术。利用电子束辐照对城市污水处理厂生物处理出水进行消毒，吸收剂量一般为 1.5~2.0kGy 时，可彻底灭活总大肠杆菌和粪大肠杆菌，同时还可以去除污水中残留 的有毒有机污染物。
电子辐照技术用于烟气脱硫脱硝：电子束辐射法脱硫是一种脱硫新工艺，经过 20 多年的研究开发，已从小试、中试和 工业示范逐步走向工业化。其主要特点是：过程为干法，不产生废水废渣；能同时脱 硫脱硝，可达到 90%以上的脱硫率和 80%以上的脱硝率；系统简单，操作方便，过 程易于控制；对于不同含硫量的烟气和烟气量的变化有较好的适应性和负荷跟踪性；副产品为硫酸铵和硝酸铵混合物，可用作化肥。
电子辐照技术用于污泥处理：目前常用的泥污方法主要有焚烧法、垃圾掩埋法和海洋处置法，此类方法均存在价格 昂贵、耗能高、受自然条件限制并造成二次污染等问题。辐射处理技术作为一种新型 污泥预处理方法，可有效提高污泥脱水性，改善污泥生化性，可与生物堆肥或污泥厌 氧消化联合处理污泥污染问题。污泥由电子束装置进入辐照区，经 2kGy 左右的吸收剂量辐照后，加入一定量的添加 剂混合均匀，在 40~50 摄氏度下发酵 2~3 天，即可作为无害化生物固体无限制使用。与 γ 射线相比，虽然电子束的穿透能力相对较弱，但剂量率高且方向集中，能量利用 率高，生产能力更强。此外，从辐射安全与防护角度来看，电子束穿透能力较弱，易 屏蔽，只要电子束能量低于 10MeV，污泥经辐照后也不会产生感生发射性。
（报告出品方/作者：国元证券，马捷、王鹏）
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