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核聚变产业化提速 全球高温超导材料行业市场规模扩容 价格或将下降

1、高温超导材料在制冷成本及制冷能耗上具有明显优势

根据观研报告网发布的《中国高温超导材料行业发展趋势研究与未来投资预测报告(2025-2032)》显示,超导材料具有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应三大基本特性,可以实现大电流输运、产生强磁场等先进技术,是具有战略意义的前沿新材料,在可控核聚变、超导电力、大科学装置、高端制造、医疗装备及交通运输等方面都有重要的应用价值和广阔的应用前景。

根据临界温度的不同,可以将超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。Tc<40K(-233℃)的超导材料称为低温超导材料,目前已实现产业化的主要为铌合金超导材料,即NbTi和Nb3Sn,技术较为成熟,已成功应用于磁共振成像、核磁共振波谱分析等领域,但低温超导材料临界温度较低,需要在液氦环境(4.2K,即-269℃)下工作。Tc≥40K的超导材料称为高温超导材料,对于工作环境要求较低,并且由于液氮资源丰富,制备技术成熟,价格远低于液氦,在制冷成本及制冷能耗上具有明显优势。同时,高温超导材料能够提供更高场强的稳定磁场,进一步打开下游高场应用领域,产业化前景更加广泛,但制备技术较为复杂,规模化生产未能充分显现,使得产品价格较低温超导材料更高。

高温超导材料和低温超导材料特性对比

项目

低温超导材料

高温超导材料

所涉材料

NbTi/Nb3Sn

BSCCO/REBCO

工作温区

液氦(4.2K

液氦(4.2K)至液氮(77K

磁场强度

0~15T

0~30T以上

磁体体积及重量

制冷能耗较高,且磁体体积及重量较大

制冷能耗较低,且磁体体积及重量较小

主要应用领域

磁共振成像、核磁共振波谱分析、可控核聚变、超导磁控单晶炉等

可控核聚变、超导电力、超导磁控单晶炉、超导感应加热装置等

资料来源:观研天下整理

2、全球高温超导材料行业市场规模不断扩大,磁体是最大的应用领域

高温超导磁体由于材料特性,磁场强度可以做到更高,已经开始向多种低温超导磁体不能达到的高场应用领域渗透,可以更好地满足可控核聚变等高场磁体的设计需求。根据数据,2024年,全球高温超导材料市场规模为7.9亿元,同比增长77.3%,预计2030年市场将超百亿规模,达到105.0亿元,2024-2030年的复合增长率为53.9%。

数据来源:观研天下整理

在应用领域,高温超导材料下游主要集中在两个方向:一方面,在强电方向,其可用于增强载流量,减轻电工装备的重量、减小体积、减少占地面积以及提升能效等,主要用于电力领域,如超导电缆、超导限流器、超导电机(调相机)、超导储能系统等;另一方面,在高场方向,利用其大电流产生的大磁场,可广泛服务于可控核聚变、大科学装置、高端制造、医疗装备等领域。

在应用领域,高温超导材料下游主要集中在两个方向:一方面,在强电方向,其可用于增强载流量,减轻电工装备的重量、减小体积、减少占地面积以及提升能效等,主要用于电力领域,如超导电缆、超导限流器、超导电机(调相机)、超导储能系统等;另一方面,在高场方向,利用其大电流产生的大磁场,可广泛服务于可控核聚变、大科学装置、高端制造、医疗装备等领域。

数据来源:观研天下整理

3、核聚变产业化提速,全球可控核聚变装置使用的高温超导材料市场规模已过亿

核聚变是指在极端高温高压条件下将两个或多个质量较轻的原子核(通常是氘和氚)聚合为一个或多个较重的原子核和其他粒子,并释放出能量的过程。实现核聚变反应,需要同时满足足够高的温度、一定的等离子体密度和一定的能量约束时间三个条件。而目前,解决核聚变温度、密度、约束时间三个方面的“可控”主要有三种路径:引力约束、惯性约束和磁约束。其中,磁约束是利用磁场约束等离子体运动,防止外泄,被认为是最有可能实现可控核聚变的途径。

当前,国际上各国政府均在积极推进可控核聚变,出台了一系列政策、规程,为高温超导材料行业发展提供强有力的支持。例如,韩国依托“K-STAR”装置,到2025年将建成首个中型实验聚变堆,并计划2035年推出商用原型反应堆;2025年3月,能量奇点经天磁体成功完成了首轮通流实验,产生高达21.7T的磁场,创下大孔径高温超导D形磁体最高磁场纪录。

全球主要国家积极推进可控核聚变概况

国家名称

可控核聚变概况

韩国

依托“K-STAR”装置,到2025年将建成首个中型实验聚变堆,并计划 2035年推出商用原型反应堆

英国

英国修订了核聚变国家战略,明确提出支持建设全球首座核聚变原型电厂“STEP”,2025年将完成第一阶段的概念设计

美国

美国通过《聚变能源战略2024》,明确提出到2030年前实现小型聚变反应堆的商业化应用

日本

日本发布了《核聚变能源创新战略》,提出在2035年前建成两座小型示范核聚变发电站,计划于2025年完成“小型高场托卡马克装置”的首次实验运行,为未来商业反应堆设计积累数据和经验

德国

德国新一届政府在首次联合声明中提出要“加强核聚变研究,目标是拥有世界第一个核聚变反应堆”

中国

中国科学院合肥物质科学研究院CRAFT已建成国际最大超导磁体动态测试设施,预计于2025年底完成全部主体工程

中国科学院合肥物质科学研究院EAST实现了1亿摄氏度1066秒高约束模等离子体运行,创造了新的世界纪录

能量奇点经天磁体成功完成了首轮通流实验,产生了高达21.7T的磁场,创下大孔径高温超导D形磁体最高磁场纪录

中核集团核工业西南物理研究院“中国环流器三号”率先实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”突破,标志着可控核聚变研究正式迈入燃烧实验阶段,在核心参数与关键技术上逐步跻身国际前列

资料来源:观研天下整理

随着核聚变产业化提速,将有效拉动高温超导材料规模化。根据数据显示,2030-2035年,全球可控核聚变装置市场规模累计有望达到2.26万亿元,其中超导材料(含高温超导材料与低温超导材料)市场规模累计有望超过2700亿元。根据数据,2024年,全球可控核聚变装置使用的高温超导材料市场规模为3.0亿元,预计2030年将达到49.0亿元,2024-2030年的复合增长率为59.3%。

数据来源:观研天下整理

4、全球高温超导材料行业产能扩张,价格下降

长远来看,可控核聚变等应用领域的快速发展,拉动高温超导材料的市场需求,国内外生产商都积极进行扩产,产能扩张成为行业发展趋势。形成规模效应的同时,也牵引技术得到进步,生产工艺更加成熟、生产效率逐步提高,从而使得产品价格也有所降低,更加适应大规模商业化应用的趋势。

此外,随着国内外高温超导材料不断发展及下游应用场景的持续丰富,产业内将形成技术创新与需求升级相互驱动的良性循环,高温超导材料在已有应用领域的渗透率预期将进一步提升并将逐步打开新的应用场景。(WYD)

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