投资要点
　　超导磁体具有重量体积小、节能、场强高等核心突出优势：超导磁体属于多部件集成系统，一般是指用超导导线绕制的、利用超导材料零电阻与小截面导体却可以承载超大电流的特殊性质产生强磁场的装置。超导磁体由于其运行时内部导体呈超导态，使其相比于常规磁体可以在基本不产生电能损耗的情况下产生很高的运行电流，进而在大空间内产生高场强、高稳定性、高均匀性的磁场。按照内部超导材料分类，超导磁体可分为低温超导磁体和高温超导磁体，低温超导磁体需在-269℃下运行，高温超导磁体在-196℃下运行，低温超导磁体由于发展时间久，生产技术较为成熟，目前已经在医疗MRI设备中广泛应用，高温超导磁体虽然起步较晚，但由于其高场强、稳定性较高等特质，正在可控核聚变装置、新一代光伏晶硅生长炉中展开规模化应用。
　　超导磁体下游应用多领域开花，迎来规模放量期：超导磁体节能提效的同时突破传统磁体的磁场上限，当前在多个下游应用进入放量阶段：1）磁控光伏晶硅生长炉：晶硅生长炉加装超导磁体解决硅片含氧量过高问题，该方案一经推出预计今年即开始交付数百台超导磁体。2）高温超导感应加热设备：在下游大型金属加工领域节能优势显著，2020年交付首台，今年进入批量化交付阶段。3）紧凑型核聚变装置：多个基于高温超导磁体的可控核聚变项目近两年落地，进入加速建设阶段。超导磁体在磁储能、熔炼炉、磁选矿等领域的应用研发也正加速推进中，有望进一步打开超导磁体应用空间，超导磁体市场规模近千亿元。
　　高温超导磁体技术优势显著，产业链上下游发力迎来加速向上拐点：高温超导磁体相较于常导磁体更节能，相较于低温超导磁体磁场强度更高、失超风险低且制冷成本低，后续应用空间更广。当前产业链上下游正加速发力，推动高温超导磁体产业链加速成熟。1）上游高温超导带材厂商加速产能扩张，推进上游超导带材技术成熟、成本下降。2）中下游超导磁体企业加速针对下游各应用领域研发及相关产能扩张，同时不断有新的企业涌入高温超导磁体行业中，加速技术迭代行业成熟。
　　投资建议：超导磁体目前在下游多个应用领域进入规模化放量期，行业迎来向上加速拐点。首先建议关注具备超导磁体生产能力的企业以及对应的超导带材生产公司。重点推荐国内高温超导磁体技术领先企业联创光电，建议关注高温超导带材供应商永鼎股份和上海超导（未上市），以及低温超导线材厂商西部超导。
　　风险提示：高温超导带材厂商扩产速度不及预期；超导磁体商业化应用拓展不及预期；超导磁体新应用技术研发进展不及预期

研究报告全文：证券研究报告行业深度报告其他电子其他电子行业深度报告国之重器风口已至超导磁体多领域开花迈2023年09月03日向千亿蓝海市场证券分析师马天翼增持首次执业证书S0600522090001matydwzqcomcn研究助理王润芝TableTag关键词新产品新技术新客户执业证书S0600122080026wangrzdwzqcomcn投资要点TableSummary超导磁体具有重量体积小节能场强高等核心突出优势超导磁体属行业走势于多部件集成系统一般是指用超导导线绕制的利用超导材料零电阻其他电子沪深300与小截面导体却可以承载超大电流的特殊性质产生强磁场的装置超导31磁体由于其运行时内部导体呈超导态使其相比于常规磁体可以在基本-1-3不产生电能损耗的情况下产生很高的运行电流进而在大空间内产生高-5-7场强高稳定性高均匀性的磁场按照内部超导材料分类超导磁体-9-11-13可分为低温超导磁体和高温超导磁体低温超导磁体需在-269下运-15-17行高温超导磁体在-196下运行低温超导磁体由于发展时间久生-192022952023132023532023831产技术较为成熟目前已经在医疗MRI设备中广泛应用高温超导磁体虽然起步较晚但由于其高场强稳定性较高等特质正在可控核聚变装置新一代光伏晶硅生长炉中展开规模化应用相关研究超导磁体下游应用多领域开花迎来规模放量期超导磁体节能提效的联创光电6003632023年中同时突破传统磁体的磁场上限当前在多个下游应用进入放量阶段1报点评激光业务稳定增长超磁控光伏晶硅生长炉晶硅生长炉加装超导磁体解决硅片含氧量过高问导业务多领域布局打开长期成题该方案一经推出预计今年即开始交付数百台超导磁体2高温超长空间导感应加热设备在下游大型金属加工领域节能优势显著2020年交付首台今年进入批量化交付阶段3紧凑型核聚变装置多个基于高2023-07-26温超导磁体的可控核聚变项目近两年落地进入加速建设阶段超导磁体在磁储能熔炼炉磁选矿等领域的应用研发也正加速推进中有望行业深度报告颠覆性创新黑进一步打开超导磁体应用空间超导磁体市场规模近千亿元科技-高温超导行业迎来规模高温超导磁体技术优势显著产业链上下游发力迎来加速向上拐点高商业化温超导磁体相较于常导磁体更节能相较于低温超导磁体磁场强度更高失超风险低且制冷成本低后续应用空间更广当前产业链上下游2023-04-09正加速发力推动高温超导磁体产业链加速成熟1上游高温超导带材厂商加速产能扩张推进上游超导带材技术成熟成本下降2中下联创光电6003632022年业游超导磁体企业加速针对下游各应用领域研发及相关产能扩张同时不绩快报点评年全年业绩符合断有新的企业涌入高温超导磁体行业中加速技术迭代行业成熟22预期激光超导驱动长期成长投资建议超导磁体目前在下游多个应用领域进入规模化放量期行业迎来向上加速拐点首先建议关注具备超导磁体生产能力的企业以及对2023-03-30应的超导带材生产公司重点推荐国内高温超导磁体技术领先企业联创光电建议关注高温超导带材供应商永鼎股份和上海超导未上市联创光电600363传统光电以及低温超导线材厂商西部超导龙头转型蓄力激光超导开启风险提示高温超导带材厂商扩产速度不及预期超导磁体商业化应用成长第二曲线拓展不及预期超导磁体新应用技术研发进展不及预期2022-12-13表1重点公司估值截至2023年9月1日总市值收盘价EPSPE代码公司投资评级亿元元2022A2023E2024E2022A2023E2024E600363联创光电155513416060100137569334162493买入数据来源wind东吴证券研究所注联创光电盈利预测来自东吴证券研究所141东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告内容目录1超导磁体性能优异商业化进程加速下游应用多点开花72超导磁体节能提效优势显著商业化设备应用空间广阔1121高温超导感应加热设备进入放量阶段1122光伏级晶硅生长炉打开超导磁体新应用空间1223半导体级晶硅生长炉中超导磁体国产替代加速153高温超导磁体突破磁场强度上限加速可控核聚变装置建设1731磁约束可控核聚变是聚变发电最佳路径1732核聚变能研发进入工程可行性阶段装置建设进入加速期194超导磁体技术壁垒高抢先布局企业有望充分受益2241低温超导磁体技术更成熟高温超导磁体性能更优2242高温超导磁体生产工艺复杂技术壁垒较高2943终端应用加速发展高温超导磁体产业正加速成熟315投资建议3551联创光电国内光电器件领军企业高温超导技术领跑全球3552永鼎股份深耕光电领域数十年高温超导发展加速3753西部超导高端钛合金行业领军人低温超导线材商业化生产企业386风险提示40241东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图表目录图1锂电池与超导磁体行业对比5图2高温超导磁体市场空间示意图6图3超导磁体系统整体结构图7图4超导磁体外加磁场装置简图7图5高场超导磁体发展时间线蓝色底为低温超导灰色底为高温超导技术9图6超导磁体下游应用领域商业化进程加快10图7超导感应加热设备优势显著11图8联创光电高温超导铝感应加热设备商业化进程12图9磁场可有效降低热对流b旋涡变小且变少增加热均匀性d固液界面氧浓度降低且均匀13图10光伏级超导磁控直拉单晶硅生长炉产品优势14图11部分国内低温超导磁体以及高温超导磁体厂商布局情况15图12CZ与MCZ法示意图15图13磁控直拉单晶硅用超导磁体MCZ15图14磁控拉单晶超导磁体及设备示意图16图15部分半导体晶硅生长炉超导磁体厂商16图16聚变三乘积公式17图17磁约束可控核聚变装置示意图17图18高温超导磁体强磁场大幅减小装置体积提升聚变功率密度18图19实用超导材料临界电流性能对比19图20采用高温超导磁体的核聚变装置SPARC19图21全球可控核聚变项目技术突破19图22全球商业化可控核聚变企业数量高速增长20图23近三十年成立的相关能源公司20图24中国承担的ITER18个采购包示意图20图25中国可控核聚变项目20图26紧凑型可控核聚变商业化进程21图27各超导材料带材在不同磁场场强下的临界电流参数24图28高温超导带材临界值曲面范围大大扩展24图29典型失超波形25图30超导磁体失超保护用加热器25图31低温超导失超保护技术浸渍绝缘27图32无绝缘高温超导线圈在失超后03s开始恢复28图33无绝缘高温超导磁体是自稳的失超后可自主恢复28图34高温超导临界电流与单轴应变的关系29图35高温超导磁体大电流集束缆线示意图29图36高接头电阻和损耗增大制冷负荷与潜在高电压事故30图37等离子体所高温超导磁体接头电阻值远小于其他同类型装置中的超导接头30图38上海超导先进低阻接头技术30图39中国科学院合肥物质科学研究院分布式光纤传感设备示意图31图40翌曦科技内封光纤CORC缆线示意图31图41全球氦气资源分布亿立方米占比33341东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图42全球高温超导带材厂商现有产能与扩产计划33图43超导磁体国内产业链34图44联创光电重点业务布局情况35图45高温超导感应加热设备2023年成功投运36图46联创光电高温超导合作客户与科研院所36图47联创光电高温超导技术应用领域规划37图48超导带材可替代传统铜材的应用产品38图49西部超导产品概况39图50西部超导超导线材营收及同比增速百万元39图51西部超导超导线材毛利率39图52低温超导产业链相关的企业业务布局40图53西部超导磁控拉单晶设备的整体结构示意图40表1永磁体常导磁体与超导磁体性能对比8表2超导磁体下游应用领域磁场场强要求10表3超导感应加热与传统工频感应加热性能对比11表4高温超导铝感应加热设备市场容量12表5P型与N型电池片性能对比13表62021-2026年全球硅片类型市场份额预测13表7氧浓度小于7ppm电池效率验证磁场技术使电池转换效率提高01并有望提高0513表8几种可控核聚变技术路径17表9紧凑型托卡马克装置ARC性能优势磁场高尺寸小成本低周期短18表10实用化超导材料性能对比23表11超导磁体冷却系统的主要类型及优缺点26表1218T制冷机冷却的超导磁体系统18T-CSM与传统液冷却磁体18T-SM运行费用对比26表13高温超导与低温超导失超性能对比27表14低温超导磁体与高温超导磁体各性能总结对比28表15高温超导紧凑型可控核聚变加速成熟带材需求大幅增长32表16联创光电不同工位超导加热装置布局规划37表17永鼎股份产品布局情况37表18高温超导产业化应用进程38441东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告超导磁体作为能源终局可控核聚变装置的核心当前正通过商业化设备应用放量加速产品技术成熟我们在报告正文最前面通过复盘对比锂电池与超导磁体的产业链地位与成长驱动分析国之重器的心脏超导磁体未来的市场空间与成长逻辑类比新能源汽车中的锂电池超导磁体与锂电池同为下游设备核心部件且终端设备新能源汽车可控核聚变装置在需求与政策推动下具备强放量机遇作为上游核心部件有望充分受益从部件重要性来看锂电池是汽车电动化的关键超导磁体是可控核聚变装置实现磁约束的核心且二者都占下游应用的近一半成本从下游行业驱动力来看汽车电动化以及可控核聚变都是实现能源结构升级以及达成碳中和的解决方案是必然趋势也关系国家能源命脉且核心部件国产化需求高超导磁体与锂电池通过在其他设备中的应用放量奠定坚实的技术基础可以大大减少可控核聚变新能源汽车领域应用时的技术难题从成长性来看2023年的超导磁体可以类比2014-2015年锂电池起量情况锂电池受益下游新能源汽车需求增长同步快速放量超导磁体有望复制该成长路径随着下游可控核聚变装置加速迭代建设实现市场规模快速增长图1锂电池与超导磁体行业对比数据来源FIAStatista东吴证券研究所整理541东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告高温超导磁体具备超导磁体节能增效优势的同时具备更高磁场强度推动其在商业设备及可控核聚变装置中应用市场空间达千亿级超导磁体相较传统磁场方案节能增效优势显著推动其在商业领域如感应加热设备晶硅生长炉等设备中展开应用放量高温超导磁体相较低温超导磁体磁场强度上限更高在磁场强度要求较高的领域如大科学装置可控核聚变装置中可大幅提升核聚变实现可能性因此在可控核聚变装置中尤其紧凑型装置成为磁体方案首选随着可控核聚变商业化进展加速高温超导磁体千亿市场空间将加速放量图2高温超导磁体市场空间示意图数据来源前瞻产业研究院中国科学院东吴证券研究所整理641东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告1超导磁体性能优异商业化进程加速下游应用多点开花超导磁体属于多部件集成系统一般是指用超导导线绕制的利用超导材料零电阻与小截面导体却可以承载超大电流的特殊性质产生强磁场的装置包括超导线圈和其运行所必要的低温恒温容器超导磁体主要由以下几部分构成1超导线圈和铝合金骨架缠绕固定超导线超导线圈为磁体系统核心部件根据对于磁场场强和均匀度的需求由2或4个线圈呈对称布置超导线圈数量越多产生的磁场场强和均匀度越高2励磁电源为超导磁体提供电流分为超导磁体内部电流独立于电源运行的闭环运行模式和持续由电源供电的开环运行模式3低温控制系统干式制冷机导冷板将制冷机冷量传导给线圈真空杜瓦保证系统密闭性维持低温条件冷屏降低外部辐射漏热4失超保护系统一旦磁体失超将破坏磁体结构重新降温励磁使运行时间增加因此需要对线圈进行浸渍绝缘处理5漏磁屏蔽系统等超导磁体产生的磁场与设备的其他电磁系统会互相干扰影响设备正常运行因此需要铁轭进行磁场屏蔽超导线圈产生的磁场分布可以分为水平垂直和勾形Cusp以超导磁体在晶硅生长炉中的应用为例垂直磁场由于结构原因无法消除单晶炉内主要热对流很少被采用水平磁场的磁场分量方向垂直于埚壁主要热对流与部分强迫对流可有效抑制运动且有利于保持生长界面平整性降低生长条纹CUSP磁场因其对称性熔体的流动和传热性更为均匀因此垂直与CUSP磁场为晶硅生长炉中的主流应用图3超导磁体系统整体结构图图4超导磁体外加磁场装置简图数据来源一种超导磁体和磁控直拉单晶设备东数据来源直拉式单晶硅生长炉超导磁体研究东吴证券研究所吴证券研究所超导磁体具有磁场强度高重量体积小节省电耗等核心突出优势通常电磁铁是利用在导体中通过电流产生磁场由于超导材料在低于某一极低温度下具有零电阻特性因此相比于常规磁体超导磁体可以在不损耗焦耳热的情况下产生很高的运行电流进而在大空间内产生高场强高稳定性高均匀性的磁场741东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告表1永磁体常导磁体与超导磁体性能对比磁体类型永磁体常导磁体低温超导磁体高温超导磁体室温300K左右对运行温度温度敏感要求机室温300K左右25K以下25K以上房室温波动1液氦浸泡或者制冷机液氮浸泡或者制冷机制冷方式大量冷却水传导冷却传导冷却铁镍钴铁氧体NbTi和Nb3Sn等低温MgB2BiSrCaCuO材料铜线或铝线稀土钴超导材料YBCO高温超导材料需要大量制冷系统维需要的制冷系统相对重量体积很大很大持低温磁体体积及较小磁体体积及重重量较大量较小比超导磁体低2个62甚至更72甚至更运行电流10Acm10Acm数量级高高常用02-04特斯稳定运行最高磁场强常用035特斯拉稳定运行最高磁场强磁场场强拉最高不超过2度目前最高可达455最高07特斯拉度在15特斯拉左右特斯拉特斯拉磁场均匀与稳定性较差较差较高较高能量损耗产生1特比常导磁体低1-2个数比常导磁体低1-2个数斯拉的稳态强磁35MW电能量级量级场价格已经稳定在较为高温超导带材价格是高电导率铍铜200便宜的区间NbTi带低温超导带材价格的材料价格硬铁氧体5kg元kg材5米Nb3Sn带材5010倍左右但是目前元米正在加速下降维护费用低高高较高1很高的运行电流可满足大空间内高场强高均匀度磁场要求结构简单造价低2工作在持续电流状态下可以得到极1结构简单工艺不复杂可以其稳定的磁场且原理上可以不需要再追无须磁场电源杂通过减小半径或加加电能仅需要部分电能维持低温系统即优点散场较弱大线圈电流的方法可2价格便宜来提高常导型磁体3节能没有焦耳热损耗不需要常规维护方便的场强磁体庞大的供水和净化设备4具有很高的电流密度且绕成的磁体不需要铁芯重量轻体积小1只能在小范围内达到高场要1磁场强度有求磁场稳定度和限均匀性和稳定磁场均匀性差受1材料价格高缺点性较差易受温度环境影响大2制冷维护成本高影响2重量体积大2重量体积大3功耗大需有完善的循环水冷装置运行费用高数据来源中国超导材料及应用发展战略研究医学影像设备学实用医学影像技术东吴证券研究所整理低温超导磁体技术发展时间较早技术成熟高温超导磁体由于材料特性磁体磁841东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告场强度可以做到更高更满足高场强需求场景低温超导材料NbTi超导线圈主要用于低场超导磁体经过发展为了满足高场需求外层NbTi内层Nb3Sn复合线圈成为了较高场超导磁体主流产业化技术路线1980s以来第一代高温超导材料Bi-2212Bi-2223和第二代高温超导材料YBCO陆续被发现相较低温超导磁体高温超导磁体仅需液氮制冷有着更高的临界磁场临界温度临界电流可以运用在超高场大型设备中更小的体积也使得大型设备成本大幅降低经过30多年的研究高温超导磁体的磁场上限已经探索至455T同时超导磁体的生产技术也正逐步成熟图5高场超导磁体发展时间线蓝色底为低温超导灰色底为高温超导技术数据来源MagLabNature中国科学院电工所中国科学院强磁场科学中心东吴证券研究所整理超导磁体商业化进程加快高品质节能提效工业领域紧凑型可控核聚变装置等商业化下游应用场景不断打开低温超导磁体最初开始在下游设备中应用时由于其制冷维护成本较高起初仅应用于成本不敏感的领域如医疗MRI磁共振成像仪科研NMR核磁共振波谱仪高能粒子加速器能源受控核聚变装置等高场强高均匀度磁场需求领域随着高温超导技术发展超导磁体能够产生超高场场强叠加超导材料价格的逐步下降因素凭借场强高体积小节能等优势超导磁体可以利用其节能提效优势对民用化高品质需求节能化领域做到原有产品的替代升级例如在工业铝感应加热MCZ磁控直拉单晶硅生长炉磁选矿污水分离设备交通磁悬浮列车等将带动超导磁体大规模产业化应用与此同时在能源紧凑型可控核聚变托卡马克装置特别是民营化领域高温超导磁体可以满足因设备紧凑体积小从而产生的超强磁场需求同时带来成本更低研发周期更短的卓越优势随着未来超导磁体商业化应用进程加快长期内超导磁体在更多下游应用领域的渗透将不断加深941东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告表2超导磁体下游应用领域磁场场强要求领域磁场强度MCZ超导磁控直拉单晶硅生04-07T低磁场强度要求长炉高温超导铝感应加热05-10T15T和30T为主流最高MRI磁共振成像仪117T超导磁选矿机55T高磁场强度要求高温超导磁悬浮列车5-6T高能粒子加速器8-9TITER等离子体中心B0可控核聚变装置53T线圈高场侧达到13TSPARCB012T最高达紧凑型可控核聚变装置20T超高磁场强度要求NMR核磁共振波谱仪20-30T数据来源西部超导晶盛机电新品发布会金属矿山东吴证券研究所整理图6超导磁体下游应用领域商业化进程加快数据来源Oxford星环聚能联创光电晶盛机电新华社超导磁体技术与磁约束核聚变东吴证券研究所整理1041东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告2超导磁体节能提效优势显著商业化设备应用空间广阔21高温超导感应加热设备进入放量阶段金属挤压成型之前需要预热传统方式是采用工频炉或者燃气炉进行预热高温超导感应加热设备由于其超导特性产生磁场无损耗相较于传统加热方式具备损耗低透热性好等优点未来有望大规模替代传统加热设备超导直流感应加热采用的接近零电阻的带材超导线圈中功率损耗可忽略超导感应技术可以通过调整锭料的速度和增大磁场的强度增大涡流效应的透入深度以实现更均匀的幅向温度相对于传统加热炉可以得到更深入更均匀的轴向温度分布使得加热更有效率同时可以通过改变磁场的密度来进行加热温度的分布进行梯度加热实现不同部位的加热需求从而实现高穿透性高能效性温度均匀性和梯度性灵活可控的全新高品质加热表3超导感应加热与传统工频感应加热性能对比图7超导感应加热设备优势显著数据来源高温超导技术产业化数据来源高温超导技术产业化东吴证券研究所东吴证券研究所联创光电全球首台兆瓦级高温超导感应加热设备2023年顺利开启批量化交付进程联创光电高温超导感应加热设备加热速度快效率高节能省电产品均匀性高加热铝棒由20至403用时617秒仅为原加热时间的154总耗电量6895千瓦时能效8588表芯温差仅3加热均匀性良好设备折合成每吨铝耗电量仅为1318千瓦时较之传统工频炉省电达150千瓦时耗电量不及传统工频炉50设备2022年投入生产完成验收并与广亚铝业等客户签订合作协议标志着高温超导感应加热设备顺利实现市场0-1突破2023年4月20日成功投运顺利开启批量化交付目前在手订单超60台本年度将交付十余台套设备1141东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图8联创光电高温超导铝感应加热设备商业化进程数据来源高温超导技术产业化东吴证券研究所高温超导铝感应加热设备具千亿级广阔市场谨慎预计全球范围现有直径300mm以上铝型材挤压机的加热炉替换及新增约1400台航空铝合金镁铝合金钛合金等其他军工航天领域金属压延成型设备约200台将已有成熟超导熔炼加工金属回收技术嫁接于上述行业将孕育出不同系列产品市场容量或达千亿级应用前景极其广阔表4高温超导铝感应加热设备市场容量数据来源高温超导技术产业化东吴证券研究所22光伏级晶硅生长炉打开超导磁体新应用空间N型电池片产能大幅扩张高品质要求带动超导磁体导入光伏级磁拉单晶硅领域根据SMM2022年Topcon电池产能快速扩张目前已投产494GW在建中的产能有605GW预计2023年新增产能将达到2285GW带动上游N型硅片需求扩大P型电池光电转换效率理论极限为245而N型电池片的理论极限高达287但N型电池1241东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告对硅片的质量要求更高对硅片氧含量更敏感TOPCon高温过程较多易激发硅片内的氧原子形成同心圆使电池片效率下降常规降氧方式只能到10ppm需要引入超导磁场才能降至7ppm以下表5P型与N型电池片性能对比表62021-2026年全球硅片类型市场份额预测导电类型P型N型多晶硅片型单晶硅片电池转化效率215-23525N铸锭单晶硅片P型单晶硅片氧含量ppma13512510090少子寿命s80100080电阻率cm04-11065-12570碳含量ppma03026050施主杂质含量40200100ppta3020受主杂质含量1005010ppta020212022E2023E2024E2025E2026E体金属表金属105ppb数据来源晶盛机电新品发布会东吴证券研究所数据来源集邦咨询东吴证券研究所在硅棒生产环节增加超导磁场可以减少晶体材料里面的氧含量提升生晶体生长的稳定性最终提升电池片光电转换效率至少01在高温过程中硅溶液内部容易出现热流动冲刷坩埚壁造成晶体里含有较多的氧后续加工过程中氧会沉淀形成杂质产生同心圆和黑芯片问题使N型电池片转换效率下降对于N型硅片杂质含量超过7ppm之后缺陷会急速上升如果使用传统降氧方法只能做到10ppm超导磁体产生的强磁场可以有效抑制热对流降低氧含量使材料凝固液面更稳定缓解同心圆和黑芯片问题提高材料纯度增加产品产能增加电池片转换效率同时引入超导磁场提升拉晶良率和成晶率提升10单产以及延长石英坩埚寿命图9磁场可有效降低热对流b旋涡变小且变少增表7氧浓度小于7ppm电池效率验证磁场技术使电加热均匀性d固液界面氧浓度降低且均匀池转换效率提高01并有望提高05电阻率电池效率同氧含量分组cm比提升ppm头尾BSL1206510-11Test1155124Test2124074701Test3112061数据来源水平超导磁场下CZ硅单晶固液界面氧分数据来源晶盛机电新品发布会东吴证券研究所布数值模拟研究东吴证券研究所1341东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告超导磁控晶硅生长炉优势明显随着国内企业加速技术迭代产品降本有望助力超导磁体规模化放量当前光伏晶硅生长炉加装超导磁体主要有三重优势1降低硅片含氧量提升最终生产电池片光电转换效率01-082提升硅棒品质增加产出3延长晶硅生长炉坩埚寿命由于加装超导磁场可以控制硅液对坩埚冲刷可有效延长坩埚寿命随着晶盛机电联创光电连城数控等公司均积极展开超导磁体布局国产化叠加规模化趋势设备价格将有望下降推进超导磁体在单晶硅生长炉领域应用规模化放量图10光伏级超导磁控直拉单晶硅生长炉产品优势数据来源晶盛机电新品发布会东吴证券研究所目前国内低温超导磁体与高温超导磁体生产企业均针对光伏晶硅生长炉应用加速展开应用布局低温超导磁体领域连城数控推出KX420PVN型低氧单晶炉产品深度掌握磁场模块永磁场勾型磁场及水平磁场超导磁场用于光伏单晶生长的一系列方案晶盛机电于23年5月发布的第五代单晶炉通过低温超导磁体方案解决TOPCon硅片的同心圆问题截至2023年6月晶盛机电第五代光伏低氧单晶炉的单晶炉已签订约3500台设备订单预计今年出货近300台超导磁场高温超导领域联创光电晶硅生长炉用高温超导磁体研发顺利预计2024年交付第一批高温超导磁体不少于50台预计2024年到2025年合作客户硅单晶生长炉升级改造对高温超导磁体的需求约300台1441东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图11部分国内低温超导磁体以及高温超导磁体厂商布局情况数据来源晶盛机电连城数控联创光电东吴证券研究所23半导体级晶硅生长炉中超导磁体国产替代加速半导体级晶硅生长炉需要磁场抑制热对流提升晶体品质高集成度芯片发展使半导体行业对硅单晶材料提出尺寸与质量的要求直拉法CZ可生成大尺寸硅单晶但生长中产生热对流边界层不稳定晶体易生杂质晶圆尺寸越大芯片成本越低随着生成单晶尺寸的加大热对流温度梯度均匀性越发难以控制太空微重力和磁场可以有效抑制熔体对流但微重力下晶体生成费用高工艺复杂且周期长所以采用引入磁场的方式即磁控直拉单晶硅技术MCZ熔体硅具有导电性在磁场作用下熔体流动必然引起感生电流从而产生洛伦兹力FqvB在洛伦兹力的作用下熔体内热对流得到抑制熔体液面处的氧点缺陷及其他杂质得到抑制目前超导磁体广泛应用于12英寸半导体级晶硅生长炉以及少部分8寸晶硅生长炉图12CZ与MCZ法示意图图13磁控直拉单晶硅用超导磁体MCZ数据来源磁场中直拉硅单晶的生长东吴证券研数据来源西安聚能东吴证券研究所究所1541东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告12英寸半导体硅片需求不断增长半导体级超导单晶硅生长炉国产化进程加速高磁场要求促进高温超导开启规模化应用在5G物联网汽车电子服务器等需求的带动下国内12英寸半导体硅片市场持续向好12英寸单晶硅晶体生长设备需求不断扩大集微咨询预计中国大陆2022-2026年将新增25座12寸英寸晶圆厂新增12英寸硅片产能2064万片年2020年国内半导体级超导单晶硅炉设备国产化率仅为30主要由国外供应商日本住友东芝三菱等提供目前西部超导实现12英寸直拉单晶硅超导磁体批量供应晶盛机电子公司慧翔电液自产超导磁体12尺寸4000高斯半导体单晶炉累计卖出200台随着当前对大尺寸高品质单晶的需求不断增长单晶硅炉对磁场强度的要求更高高温超导可突破低温超导磁场强度上限并且配套更小的制冷系统当前高温超导带材价格正加速下降随着国内联创光电为首的高温超导设备厂商加速相关应用研发预计几年后高温超导磁体将在超导磁控单晶硅生长炉中开启规模化应用图14磁控拉单晶超导磁体及设备示意图图15部分半导体晶硅生长炉超导磁体厂商数据来源一种磁控拉单晶超导磁体及设备东吴数据来源各公司官网东吴证券研究所整理证券研究所1641东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告3高温超导磁体突破磁场强度上限加速可控核聚变装置建设31磁约束可控核聚变是聚变发电最佳路径磁约束可控核聚变是目前实现可控核聚变的主流方式可控核聚变即一定条件下控制核聚变的速度和规模以实现安全持续平稳的能量输出的核聚变反应有激光约束核聚变磁约束核聚变等形式具有原料充足经济性能优异使用安全无环境污染等优势实现可控核聚变反应点火主要考察三个参数1燃烧等离子体的温度2等离子体的密度3能量约束时间当这三重参数乘积大于某一数值时就意味着聚变反应可以维持进行不需要外部能量输入实现自持燃烧也称为聚变反应点火可控核聚变实现路径有3种引力约束惯性约束和磁约束目前主流商业发电核聚变方式是磁约束可控核聚变主要利用氢的同位素氘氚作为聚变燃料图16聚变三乘积公式图17磁约束可控核聚变装置示意图数据来源科普中国东吴证券研究所数据来源等离子体物理研究所东吴证券研究所表8几种可控核聚变技术路径数据来源维基百科科普中国东吴证券研究所传统铜导体磁体约束核聚变很难产生正能量增益低温超导磁体装置体积庞大成1741东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告本昂贵商业化应用受限运用铜导体线圈进行磁场约束消耗的大量能量将超过核聚变产生的能量同时需要过于庞大的冷却系统将产生的热量及时带走因此铜线圈装置只能在较短时间内运行超导线圈超导态下电阻几乎为零消耗能量低只有超导装置才能产生核聚变的正能量增益实现稳态运行起初装置运用传统铜导体由于磁场强度低只能通过提高装置体积来获得所需的聚变功率聚变装置往往体积庞大导致装置成本较为昂贵限制其商业化推广与应用随着高温超导技术逐渐成熟高温超导磁体相较于同体积下低温超导产生的磁场更强可以实现更高的聚变功率密度在同聚变功率下高温超导托卡马克装置体积重量更小成本更加低廉大幅缩短聚变装置研发周期增加迭代速度开启紧凑型可控核聚变商业化进程美国CFS公司SPARC项目设计磁场B012T等离子体大半径只有R165米体积11立方米是ITER的180实验堆规划2025年完成ARC设计磁场B092T等离子体大半径R33米体积140立方米工程堆2030年实现聚变发电研发周期大大缩短可控核聚变项目从30年预期国际合作推动的巨额投资项目演变成了10年预期的风投热点项目表9紧凑型托卡马克装置ARC性能优势磁场图18高温超导磁体强磁场大幅减小装置体积提升聚变功高尺寸小成本低周期短率密度ITERARC示意图Rm6232Magnet低温超导高温超导BT5392PfusionMW500500PelectricMW0200磁场高等离子中心磁场强度倍增尺寸小托卡马克装置体积大幅降低成本低研发费用大幅降低周期短研发周期大大缩短数据来源高温超导在可控核聚变中的发展和数据来源等离子体物理研究所东吴证券研究所应用东吴证券研究所高温超导磁体突破低温超导与常导磁体磁场强度上限高场强高温超导磁体是未来紧凑型核聚变装置的最优选择使用托卡马克装置建立核聚变反应堆需要在一定空间内产生10T以上的两级磁场高温超导在15T以上市场占据主导地位相较于同体积下的低温超导产生的磁场更强突破低温超导材料磁体磁场上限推动了可控核聚变装置小型化与成本降低成本的大幅降低点燃了市场对可控核聚变商业化的热情越来越多的创业公司入局可控核聚变领域2015年托卡马克能源公司就推出了世界首台完全高温超导磁体的托卡马克装置ST25首次实现连续29小时输出等离子体创下世界纪录1841东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告近几年新增的紧凑型小型化托卡马克可控核聚变装置均采用高温超导磁体图19实用超导材料临界电流性能对比图20采用高温超导磁体的核聚变装置SPARC数据来源PeterLee东吴证券研究所数据来源LUSTER东吴证券研究所32核聚变能研发进入工程可行性阶段装置建设进入加速期各国政策大力支持全球可控核聚变不断取得技术突破更接近聚变发电美国聚变能研究项目计划在20232027年每年拨款金额约1026亿1043亿1053亿1048亿和1114亿美元研发可控核聚变日本也制定核聚变产业化的国家战略并制定相应的行动计划包括产业培育技术开发配套体制等同时积极推动政企联合中小企业参与中国EAST装置运行15年来先后实现了1兆安16亿度1056秒的等离子体运行美国LLNL以及NIF也曾实现净能量增益离核聚变发电更进一步图21全球可控核聚变项目技术突破数据来源中科院核工业西南物理研究院东吴证券研究所整理可控核聚变商业化进程加速项目频出受到资本强烈追捧据核聚变工业协会FIA1941东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告统计以CFS为代表的全球有超过30家公司正在致力于实现核聚变的商业化目前这些公司已共计获得了超过50亿美元的融资其中2022年核聚变领域的私人投资额已经接近30亿美元一年的投资额超过了此前的投资总和2022年我国也有两个商业公司先后布局商业化可控核聚变获得国内知名机构红杉种子蔚来资本米哈游等投资分别获得数亿元投资图22全球商业化可控核聚变企业数量高速增长图23近三十年成立的相关能源公司全球商业化可控核聚变企业数量个3530252015105019921995199820012004200720102013201620192022数据来源FIA东吴证券研究所数据来源FIA东吴证券研究所在建设本国聚变示范堆目标下通过ITER计划获得实验堆设计建造经验并利用大型托卡马克装置获得高性能聚变等离子体控制和运行经验国际热核聚变实验堆ITER计划由中国欧盟俄罗斯美国日本韩国和印度等七方30多个国家共同合作整个项目预计耗资超200亿欧元其中约一半由欧盟承担余下的部分将由参与合作的六方中国美国日本韩国印度及俄罗斯各方承担9预计将在2025年启动实验实现第一束等离子体2035年开始进行氘-氚聚变反应中国未来十年重点将在EASTHL-2M两个主力装置上开展高水平的实验研究图24中国承担的ITER18个采购包示意图图25中国可控核聚变项目数据来源投中网能量奇点星环聚能东吴证券数据来源中国核电网东吴证券研究所研究所2041东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分