2025年核电行业专题报告：四代堆与小堆如日方升，聚变堆打开终极能源大门

一、核电低碳和高能量密度优势显著，全球核电产业迎来黄金发展机遇期

核电具有安全、清洁、低碳、高能量密度的特点

核电指的是利用核反应中释放的热能进行发电的形式，具有安全、清洁、低碳、高能量密度的特点， 在全球清洁能源转型、应对气候变化和实现碳达峰碳中和目标中发挥着不可替代的作用，发展核电已 成为国际社会应对气候变化和保障能源安全的重要共识。 安全：在核电厂安全目标设计下，核电站的事故概率远低于其他电力事故概率。 高能量密度：1克铀-235完全裂变释放的能量约等于燃烧2.7吨煤。 清洁低碳：核电全生命周期的二氧化碳排放量仅为煤电的1%，与水电、风电基本相当。

核电是替代化石能源作为基荷电源的最佳选择

核电是替代化石能源作为基荷电源的最佳选择。在“双碳”目标约束下,煤电将从主要发电来源转变为维持电力系统稳 定性的灵活调节电源;气电对外依存度高,水电新增装机空间有限,且二者成本较高,不宜成为持续快速发展的能源;生物 质发电面临资源分散、收储运成本较高等问题;风电、光伏发电受地理资源条件限制,具有较强的间歇性、波动性和随 机性,迫切需要稳定的基荷电源支撑大比例可再生能源接入电网。核电能量密度高、受自然条件约束少,能以额定功率 长期稳定运行,与风、光等新能源互补发展。核电单机容量基本在100万千瓦以上,年可利用率在85%以上,满足基荷电源 可靠、经济、充足和低碳的四大要求,是能够替代化石能源基荷电源的最佳选择。

全球核电产业正迎来黄金发展战略机遇期

全球重要国际能源组织预计核电装机将会大幅增加,并呼吁各国政府重视核电发展,多数国家正在制定规划和政策措施 推动本国核电发展,全球核电产业正迎来黄金发展战略机遇期。2023年12月第28届联合国气候变化大会首次就发展核能 的必要性达成共识，并发表《三倍核能宣言》。2024年3月首届全球核能峰会进一步明确了核能在实现气候目标中的关 键作用，并明确了推动核能发展所需的具体行动。国际原子能机构和国际能源署的预测报告显示，未来全球核电装机 容量将实现显著增长。美国、俄罗斯、英国等主要核电国家已宣布雄心勃勃的发展目标。与此同时，越南、哈萨克斯 坦、肯尼亚等新兴核电国家也相继公布了本国核电发展计划，标志着核能发展获得越来越多国家的认可。

二、核裂变技术已发展到第四代，第三代是在建机组的主力

核能发电分为核裂变发电和核聚变发电，前者已实现商用

核能发电分为核裂变发电和核聚变发电两大类，目前成熟商用的核电站均采用核裂变进行发电，但世界各国对于可控 核聚变的研究紧锣密鼓进行中，可控核聚变有望成为人类理想的终极能源。

压水堆是最普遍的裂变堆型，其次是沸水堆和重水堆

各种核裂变堆型的区别主要在于反应堆的冷却剂和中子慢化剂的不同。按照冷却剂的不同可分为轻水堆、重水堆、气 冷堆等，按照中子慢化剂的有无，可分为热中子堆、快中子堆。目前世界上核电站采用的反应堆有压水堆、沸水堆、 重水堆、石墨气冷堆、石墨水冷堆以及快中子增殖堆等。

压水堆是目前最普遍的商用堆型，截至2025年4月7日，全球417个在运核电机组中，307个采用压水堆，数量占比为 74%，装机容量占比为78%。在建机组中，压水堆数量占比为89%，装机容量占比为92%。此外，沸水堆和重水堆也占据 了相对较高的比例。

快堆可利用铀238，实现核燃料增殖和高放射性废物嬗变

快堆对于提高核能利用效率、减少核废料、增强核能安全性等方面具有重要意义。快堆即快中子增殖反应堆,是利用快 中子引发链式裂变反应、并可实现核燃料增殖的核反应堆。快堆相比于压水堆,对铀资源的利用率可以提高百倍以上。天然铀里仅有0.7%是铀-235，99.3%是铀-238，热堆只能利 用铀资源的0.45%左右，而热堆运行产生的铀-238和钚如果作为快堆的燃料多次循环，可以达到60%-70%的利用率。 快堆可高效嬗变长寿命放射性废物,具备优秀的环境友好性。快堆的中子能量高、通量密度高，是当前可用于高放废物 “分离-嬗变”的成熟技术和现实方案。将高放废物中的长寿命放射性产物分离出来，再放入快堆中“焚烧”，就可以 使得其放射性毒性在数百或数千年内降低至天然水平。

三、四代核能系统主要研究六种堆型，我国高温气冷堆处于国际领先地位

四代核能系统主要研究六种堆型

第四代核能系统包括核反应堆及其能源转换系统以及必要的燃料循环技术。第四代核能系统国际论坛（GIF）提出，第 四代核能系统应满足以下四个主要目标：（1）在核燃料利用以及核废料处理方面实现可持续性；（2）能够稳定运行 且具有经济竞争力；（3）安全性和可靠性进一步提高；（4）整个核能系统的部署都必须防止核扩散的风险。

GIF最终筛选出六种堆型作为第四代核能系统的研究方向，分别为气冷快堆（GFR）、铅冷快堆（LFR）、熔盐堆 （MSR）、钠冷快堆（SFR）、超临界水冷堆（SCWR）、（超）高温气冷堆（VHTR），期望在2030年左右实现突破。

六种堆型中三种是快堆，钠冷快堆是四代核电的首选堆型

四代核电的六种典型堆型中，三种是快堆，钠冷快堆因增殖比高、嬗变长寿命放射性核素能力强以及固有安全性高3个 特性,成为四代核电的首选堆型。相比铅冷快堆和气冷快堆，钠原子质量更大，不易产生碰撞后质量损失；其次，钠吸 收较少的中子，不易损耗能量；而且，因为金属钠具有良好的导热性，很容易将堆芯的热量导出；最后，钠的沸点高 达890℃，一回路不需要加压就可以达到较高的出口温度。

高温气冷堆可实现热电联产，我国建成全球首座高温气冷堆商业示范电站

高温气冷堆以氦气作为冷却剂、石墨作为慢化剂，使用全陶瓷燃料。高温气冷堆具有固有安全性，且堆芯出口温度通常 可达750~950℃，实现热电联产，在核能制氢、工艺热应用等领域有广泛用途。

我国高温气冷堆技术处于世界领先水平。我国从20世纪70年代即开始了高温气冷堆的研发工作，2001年在清华大学核能 与新能源技术研究院建成了HTR-10（10MW）高温气冷实验反应堆，并于2003年实现满功率运行。2006年，国家设立“大 型先进压水堆与高温气冷堆核电站”国家科技重大专项。2012年12月9日，山东石岛湾高温气冷堆开始建设，该项目是 国内第一座高温气冷堆示范电站（HTR-PM），也是世界上第一座具有第四代核能系统安全特征的20万千瓦级高温气冷堆 核电站，2023年12月，中国华能石岛湾20万千瓦级高温气冷堆示范电站投入商运，是全球首座高温气冷堆商业示范电 站。目前60万千瓦级高温气冷堆（HTR-PM600）技术方案已经形成，并完成了初步设计，全面转入施工图设计阶段。

四、小型模块化反应堆灵活易建，科技巨头积极布局SMR用于数据中心供电

小型模块化反应堆（SMR）兼顾安全、易建、灵活、经济多种优势

小型模块化反应堆（SMR）简称为“小堆”，由国际原子能机构(IAEA)定义为发电功率小于等于300MW的反应堆，约为 传统反应堆发电容量的三分之一，模块的概念是指主要部件在工厂组装，运输到场地安装，从而缩短建设速度，也易 于控制安装质量。通过在小容量堆使用先进技术，特别是第四代技术，SMR力求兼顾安全、易建、灵活、经济多种优 势。

根据国际原子能机构（IAEA）的先进反应堆信息系统（ARIS）数据库，全球约有68种SMR设计处于不同的开发和部署阶 段（截至2024年），涵盖水冷堆、气冷堆、液态金属冷却堆、熔盐堆和微型反应堆等五大技术路线。其中非水冷堆 （NON-WCR）路线有46种，占比达到67.6%，体现了技术创新从传统轻水堆向多元化方向的突破。

小型模块化反应堆契合数据中心对电力的需求

小型模块化反应堆作为核能领域的技术革新方案之一，正在重塑全球能源市场格局。随着碳中和目标的推进、工业脱 碳需求的激增，以及分布式能源系统的崛起，SMR的市场潜力逐渐显现。根据国际原子能机构（IAEA）预测，到2050年， 全球SMR装机容量有望达到300GW，占新增核电产能的25%，到2030年市场规模有望突破200亿美元。

数据中心对于电力有巨大需求。随着全球人工智能、云计算、物联网、区块链等新一代信息技术的快速发展，作为技 术载体的数据中心用能需求将大幅增加，据《福布斯》杂志报道，ChatGPT每日运行消耗的电力超过50万度电，相当于 1.7万个美国家庭的平均日用电量总和。据美银美林预测，2023年至2028年间，美国AI电力需求将以25%-33%的年复合 增长率飙升，远超整体电力需求的增长速度（2.8%）。而据美国劳伦斯伯克利实验室（LBNL），2023年数据中心消耗 了美国总电力的约4.4%，预计到2028年将消耗美国总电力的约6.7%至12%，是电力需求增长首要驱动力。

五、可控核聚变是人类理想的终极能源，我国核聚变总体位居国际第一方阵

聚变三乘积和能量增益因子Q是可控核聚变的关键指标

聚变三乘积和能量增益因子Q是可控核聚变的关键指标。 聚变三乘积：氢弹作为武器已实现了不可控核聚变，但要作为能源使用，就必须实现能量可控制地缓慢释放，核聚变 需要苛刻的反应条件，要求等离子体温度、粒子密度和约束时间的乘积必须大于某个特定值，并在三者之间找到合适 的均衡点，即“劳森判据”，也称为聚变三乘积。氘氚聚变的理想温度约为1亿度至2亿度，学术界认为聚变三乘积大 于5×10的21次方（m^(-3)·s·keV）时，聚变输出的功率才能大于等于输入功率，达到点火条件。 能量增益因子Q：聚变反应中输出能量和输入能量之比，Q值大于1的时候，意味着核聚变反应产生了净能量增益。一般 认为：当Q值大于5的时候，核聚变反应堆能够自我维持；Q值大于10的时候核电站才能有收益；Q值大于30的时候核聚 变发电站可以商业化。一般认为商业聚变堆至少需要Q值达到10。

托卡马克磁约束聚变为国际的主流技术路线，其可行性得到了验证

托卡马克磁约束聚变为国际的主流技术路线，其可行性得到了验证。托卡马克装置音译自“Tokamak”，名字源自环形 （toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）这4个单词的组合，由位于苏联库尔恰托夫研究 所的Artsimovich等人在20世纪50年代提出，因其具有环向等离子体电流，所以也被称为环流器。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。  托卡马克的约束性能很大程度上取决于装置的直径R和磁场强度B，因此大尺寸/强磁场是关键。

硅谷大厂开始将目光投向商业核聚变公司

硅谷大厂开始将目光投向商业核聚变公司。OpenAI创始人山姆·阿尔特曼是核聚变技术的坚定支持者， 他认为“核聚变技术突破近在眼前，并将成为解决AI能源瓶颈的关键。”其个人最大单笔投资是向美国 核聚变初创公司Helion Energy注资3.75亿美元，并持续追加投资。贝佐斯通过个人投资基金Bezos Expeditions，长期支持加拿大核聚变公司General Fusion。比尔盖茨、谷歌母公司Alphabet等一众互联 网公司纷纷参与投资美国核聚变公司CFS，累计投资金额超过20亿美金。

六、核裂变/聚变产业链相关上市公司及投资分析

国内核聚变产业链

可控核聚变产业链上游主要为各类原材料，包括超导磁体材料、金属钨、钽等稀有金属、特种钢材、氘和氚等燃料等。 中游主要为各类设备以及反应堆工程建设，以最常见的托卡马克核聚变实验装置为例，相关设备包括磁体系统、真空 系统(包括偏滤器、第一壁)、加热与电流驱动系统等核聚变主机设备以及压力容器、蒸汽发生器、汽轮机、各类泵阀 等其他设备。下游主要为核电站运营，用于科研及发电。

国内核聚变产业链价值分布

实验堆阶段，以ITER为例，超导磁体的投入占比最高，达到28%，其次是堆内构件，占比17%，真空室和电源各占8%， 加热系统占7%。 示范堆阶段，以DEMO为例，预计随着超导技术的进步，磁体的投入占比下降到12%，占比最高的是维持平衡的系统，达 到25%，其次是低温装置和冷却水系统，占16%，堆内构件占15%，真空室和电源占比下降到2%。

报告节选：

编辑：火腿肠