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目錄超導(dǎo)材料是典型的量子材料 3超導(dǎo)介紹:基本特性,理論發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域 3我國超導(dǎo)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 8低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展,高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā) 11低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展 12高溫超導(dǎo)技術(shù)突破,產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā) 14下游應(yīng)用場景持續(xù)突破,超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)星辰大海 19MRI帶動超導(dǎo)材料需求釋放 19超導(dǎo)在核聚變領(lǐng)域發(fā)揮重要作用 24射頻超導(dǎo)腔是粒子加速器關(guān)鍵部件 32超導(dǎo)在MCZ應(yīng)用逐步放量 39高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景廣闊 42超導(dǎo)在電力領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用曙光初現(xiàn) 46超導(dǎo)在高速電動懸浮領(lǐng)域應(yīng)用前景可期 50二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)材料有望逐步邁入商業(yè)化 54投資建議 57行業(yè)投資建議 57重點公司 58風(fēng)險提示 61插圖目錄 62表格目錄 63超導(dǎo)材料是典型的量子材料1911年荷蘭物理學(xué)家H·卡茂林·4.2K19331962年,約瑟夫森(BrianD.Josephson)預(yù)言,在薄絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)體之間有電流(量子隧穿而超導(dǎo)結(jié)上并不出現(xiàn)電壓,這個預(yù)言隨后被證實,這一現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。圖1:超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象 圖2:超導(dǎo)體的完全抗磁性 資料源:羅仟超“時》,生券究院 資料源:羅仟超“時》,生券究院圖3:超導(dǎo)體的量子隧穿效應(yīng) 圖4:超導(dǎo)的臨界參數(shù)和臨界界面 資料源西超招說書生證研院 資料源:羅仟超“時》,生券究院超導(dǎo)材料的探索主要經(jīng)歷了幾個階段:1911~1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體,2021年發(fā)現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)變溫度為39KMgB?超導(dǎo)體,2008圖5:周期表中具有超導(dǎo)電性的化學(xué)元素及其轉(zhuǎn)變溫度資料來源:馬衍偉《超導(dǎo)材料科學(xué)與技術(shù)》,民生證券研究院圖6:超導(dǎo)材料的探索歷程 資料來源:羅會仟《超導(dǎo)“小時代”》,民生證券研究院在液氦溫區(qū)(4.2KNbTi(77KY-Ba-Cu-O超導(dǎo)體。表1:超導(dǎo)材料分類分類依據(jù)具體分類描述臨界溫度低溫超導(dǎo)高溫超導(dǎo)臨界溫度在液氦溫區(qū)(4.2K)臨界溫度在液氮溫區(qū)(77K)化學(xué)成分金屬超導(dǎo)超導(dǎo)陶瓷有機超導(dǎo)絕緣超導(dǎo)ClO4、PF6、AsF6邁斯納效應(yīng)第Ⅰ類超導(dǎo)體一個臨界磁場:在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬,如Al、Zn、Ga、Ge、Sn、In等第Ⅱ類超導(dǎo)體
兩個臨界磁場:下臨界場HC1和上臨界場HC2。除金屬元素V和Nb外,第II類超導(dǎo)體主要包括金屬化合物及其合金,以及陶瓷超導(dǎo)體資料來源:鄒芹等《超導(dǎo)材料的研究進展及應(yīng)用》,民生證券研究院圖7:超導(dǎo)體的分類:第Ⅰ類超導(dǎo)體和第Ⅱ類超導(dǎo)體 資料來源:羅會仟《超導(dǎo)“小時代”》,民生證券研究院超導(dǎo)現(xiàn)象是宏觀量子效應(yīng)。2050(Landau)于1950年建立的金茨堡-朗道理論(簡稱G-L理論)。隨后,1957年美國科學(xué)(J.R.Schrieffer)成功建立BCS宏觀量子效應(yīng),成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性微觀機理。BCS理論的核心思想。但時至今日,非常規(guī)超導(dǎo)微觀機理,仍然幾乎是一片混亂和未知。圖8:固體中的原子振動——聲子 圖9:超導(dǎo)微觀理論“BCS理論” 資料源:羅仟超“時》,生券究院 資料源:羅仟超“時》,生券究院應(yīng)用領(lǐng)域 介紹表2:超導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 介紹電子學(xué) 超導(dǎo)量干涉(SQUID)超混頻器超導(dǎo)字電、超粒探測生物醫(yī)學(xué) 超導(dǎo)核共振像裝(MRI)核磁共譜儀(NMR)科學(xué)工和實室 高能加器、聚變置交通運輸 磁懸浮車電力 超導(dǎo)電、超限流、超儲裝置和導(dǎo)電等資料來源:中國科學(xué)院等離子體物理研究所,民生證券研究院圖10:超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域資料來源:肖立業(yè)等《超導(dǎo)材料及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景》,民生證券研究院圖11:超導(dǎo)材料主要強電運用領(lǐng)域資料來源:馬衍偉《超導(dǎo)材料科學(xué)與技術(shù)》,民生證券研究院超導(dǎo)材料大規(guī)模應(yīng)用受到多重限制分類超導(dǎo)溫度分類超導(dǎo)溫度介紹第一重天花板40K40K又稱“麥克米蘭極限”,1987年因在Y-Ba-Cu-O體系發(fā)現(xiàn)93K的超導(dǎo)電性,第一重天花板被突破第二重天花板77K77K又被稱為“液氦沸點”,1987年因在Y-Ba-Cu-O體系發(fā)現(xiàn)93K的超導(dǎo)電性,第二重天花板被突破第三重天花板300K300K在凝聚態(tài)物理學(xué)中又被定義為室溫,目前仍未被突破資料來源:中國科學(xué)院物理研究所,民生證券研究院2003218ITER計劃。ITER計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一,其原理是利用磁場對等離子體進行約束,模擬太陽的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量并實現(xiàn)可ITERNbTiNb3Sn2003ITERNbTiNb3SnNb3SnNbTiITER文件名稱 時間 相關(guān)內(nèi)容表4:超導(dǎo)材料行業(yè)相關(guān)政策文件名稱 時間 相關(guān)內(nèi)容《“十五”材料業(yè)發(fā)規(guī)》 2021《推動首都高質(zhì)量發(fā)展標(biāo)準體系
實施前沿材料前瞻布局行動,支持科研單位聯(lián)合企業(yè),把握新材料技術(shù)與信息技術(shù)、納米技術(shù)、智能技術(shù)等融合發(fā)展趨勢,發(fā)展超導(dǎo)材料、智能仿生、增材制造材料等,推動新的主干材料體系化發(fā)展,強化應(yīng)用領(lǐng)域的支持和引導(dǎo)鼓勵制定石墨烯等低維材料、高性能納米材料、光電子材料、量子材料、新型超導(dǎo)材料、建設(shè)實施方案》
2020
超材料、增材制造材料等前沿技術(shù)標(biāo)準。突破石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù),拓展納米材料在光電子、新能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用范圍《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016-
2017
以超導(dǎo)材料、智能/仿生/超材料、極端環(huán)境材料等前沿新材料為突破口,搶占材料前沿制高點2030)》
2017年 開展前性創(chuàng)研究加快發(fā)能、石烯、導(dǎo)材等技術(shù)加強超導(dǎo)材料基礎(chǔ)研究、工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究,積極開發(fā)新型低溫超導(dǎo)材料,領(lǐng)銅《新材產(chǎn)業(yè)展指》 2016《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)
氧等高溫超導(dǎo)材料,強磁場用高性能超導(dǎo)線材、低成本高溫超導(dǎo)千米長線等,在電力輸送、醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用開發(fā)智能材料、仿生材料、超材料、低成本增材制造材料和新型超導(dǎo)材料,積極參與國際劃》資料來源:共研網(wǎng),民生證券研究院
2016年
熱核聚變實驗堆計劃,不斷完善全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置等國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,開展實驗堆概念設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)和重要部件研發(fā)在超導(dǎo)標(biāo)準化方面(IEC/TC90)19897IEC/TC90現(xiàn)有日、中、韓、1025IEC/TC9025表5:超導(dǎo)領(lǐng)域中國國家標(biāo)準清單序號標(biāo)準號標(biāo)準名稱實施日期1GB/T17711-1999釔鋇銅氧(123相)超導(dǎo)薄膜臨界溫度Tc的直流電阻試驗方法1999-10-012GB/T18502-2018(第二版)臨界電流測量銀和/或銀合金包套Bi-2212和Bi-2223氧化物超導(dǎo)體的直流臨界電流2018-07-01334GB/TGB/T(第二版)塊狀氧化物超導(dǎo)體磁浮力的測量2007-12-01交流損耗測量多絲復(fù)合超導(dǎo)材料磁滯損耗的磁強計測量法2021-12-01556GB/TGB/T(第二版)鈮鈦復(fù)合超導(dǎo)體的直流臨界電流測量2008-11-01電子學(xué)特性測量超導(dǎo)體在微波頻率下的表面電阻2018-10-01GB/T22587-201778GB/T25080-20228GB/T25080-2022(第二版)超導(dǎo)用鈮-鈦(NbTi)合金棒坯和棒材規(guī)范2023-05-01
基體與導(dǎo)體積比量銅-鈮(CuNbTi)復(fù)合導(dǎo)線-超[積]比的測量 2018-04-01GB/T25897-2020910GB/T28871-201210GB/T28871-2012鈮三錫(Nb3Sn)復(fù)合超導(dǎo)體的直流臨界電流測量2013-02-15
剩余電比測量鈮鈦(NbTi)鈮三錫(Nb3Sn)合超導(dǎo)剩電阻比量 2021-07-0111 GB/T30109-2013 交流損測量液溫度橫向變磁場圓形面超線總流耗的探線圈量 2014-05-15法12GB/T30537-2014塊狀高溫超導(dǎo)體的測量大晶粒氧化物超導(dǎo)體的俘獲磁通密度2014-11-0113GB/T31522-2015基體與超導(dǎo)體體積比測試Nb3Sn復(fù)合超導(dǎo)線銅與非銅體積比2015-12-0114GB/T31527-2015力學(xué)性能測量NbTi/Cu復(fù)合超導(dǎo)線室溫拉伸試驗方法2015-12-0115GB/T31780-2015臨界溫度測量電阻法測復(fù)合超導(dǎo)體臨界溫度2015-02-0116GB/T33655-2017超導(dǎo)供電裝置超導(dǎo)裝置供電電流引線特性測試的一般要求2015-02-0117GB/T2900.100-2017(第二版)電工術(shù)語超導(dǎo)電性2018-05-0118GB/T36611-2018力學(xué)性能測量Ag和/或Ag合金包套Bi-2223和Bi-2212復(fù)合超導(dǎo)體室溫拉伸試驗方法2019-01-0119GB/T38841-202019GB/T38841-2020力學(xué)性能測量反應(yīng)后的Nb3Sn復(fù)合超導(dǎo)線室溫拉伸試驗方法2020-12-0120GB/T38842-2020實用超導(dǎo)線的分類和檢測方法一般特性和指南2020-12-0121GB/T39722-2020超導(dǎo)電子器件傳感器和探測器通用規(guī)范2021-07-0122GB/T39843-2021電子學(xué)特性測量大面積超導(dǎo)膜的局域臨界電流密度及其分布2021-10-0123GB/T39843-2021實用超導(dǎo)線鈮-鈦(NbTi)與鈮三錫(Nb3Sn)復(fù)合超導(dǎo)體的扭距測量方法2021-10-0124GB/T41640-2022臨界電流測量第二代高溫超導(dǎo)長帶臨界電流及其沿長度方向均勻性測量2023-05-0125GB/T41641-2022力學(xué)性能測量REBCO帶材室溫拉伸試驗方法2023-05-01低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展,高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā)雖然已發(fā)現(xiàn)了上千種1965NbTiNb3Sn1986圖12:超導(dǎo)材料進展概況 資料來源:張平祥等《強電用超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》,民生證券研究院圖13:國內(nèi)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈資料來源:西部超導(dǎo)公告,聯(lián)創(chuàng)光電公告,永鼎股份公告,辰光醫(yī)療公告,張平祥等《強電用超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》,民生證券研究院NbTi超導(dǎo)線材用量占整個超導(dǎo)材料市場的90%以上。低溫超導(dǎo)根據(jù)成分分NbTi(Nb3Sn(90Nb3Sn對應(yīng)變比較敏感,且制造困難、造價相對較高。圖14:NbTi超導(dǎo)線 圖15:Nb3Sn超導(dǎo)線資料源西超招說書生證研院 資料源西超招說書生證研院元素 質(zhì)量分數(shù)表6:NbTi超導(dǎo)合金棒材化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)要求元素 質(zhì)量分數(shù)AI ≤1×10-4C ≤2×10-4Cr ≤1×10-4Cu ≤1×10-4H ≤4.5×10-5Fe ≤2×10-4Ni ≤1×10-4N ≤1.5×10-4O ≤1×10-3Si ≤1×10-4≤2.5×10-3Ti 46%-48%資料來源:全國超導(dǎo)標(biāo)準化技術(shù)委員會(GB-T/25080-2022),民生證券研究院應(yīng)用領(lǐng)域 介紹 所用材料表7:NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)線在各個領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域 介紹 所用材料MRI MRI生物自旋像技,利原子核旋運的特,經(jīng)頻沖激發(fā)產(chǎn)生號,后獲圖像 MCZ技術(shù)物理礎(chǔ)是過磁對導(dǎo)電流體熱對形成制用,抑單晶生長程中質(zhì)缺MCZNMR
陷的產(chǎn)生,可實現(xiàn)高質(zhì)量大尺寸單晶硅快速生長NMR
NbTi主要是Nb3Sn,部分NbTiITER ITER要把氘、組成上億溫等離體約在一有限空里,實聚變應(yīng) Nb3Sn,NbTi加速器 利用超磁體以在小的磁率下產(chǎn)強大約束場,大縮減加器的寸 NbTi資料來源:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院,民生證券研究院圖16:低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈 資料來源:西部超導(dǎo)招股說明書,民生證券研究院圖17:全球低溫超導(dǎo)主要企業(yè)資料來源:西部超導(dǎo)招股說明書,民生證券研究院Bi-Sr-Ca-Cu-OY-Ba-Cu-OHg-Ba-Ca-Cu-O系,但是Hg和TI元素有毒,因此Bi-Sr-Ca-Cu-O系和Y-Ba-Cu-O系在實用化上更具有優(yōu)勢。以Bi-Sr-Ca-Cu-O為代表的第一代高溫超導(dǎo)材料,和以Y-Ba-Cu-O為代表的第二代高溫超導(dǎo)材料受到廣泛關(guān)注。同時,MgB22022420臨界溫度 所用材料 下游應(yīng)用表8:高溫超導(dǎo)與低溫超導(dǎo)的比較臨界溫度 所用材料 下游應(yīng)用低溫超導(dǎo)
NbTi:9.5KNb3Sn:18K
NbTi,Nb3Sn
加速器磁體、核聚變工程用超導(dǎo)磁體、核磁共振,(MRI和NMR)磁體、通用超導(dǎo)磁體速器、可控核聚變用超導(dǎo)磁體等YBCO(第二代高溫超導(dǎo)材料)鐵基超導(dǎo)體90K-110K90K55K高溫超導(dǎo)資料來源:肖立業(yè)等《超導(dǎo)材料及其應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景》,民生證券研究院圖18:二代高溫超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域資料來源:上海超導(dǎo)官網(wǎng),民生證券研究院圖19:高溫超導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈資料來源:上海超導(dǎo)官網(wǎng),新材料智庫等公開資料,民生證券研究院第一代高溫超導(dǎo)材料主要通過擠壓力獲得超導(dǎo)電性。Bi系超導(dǎo)材料主要的應(yīng)Bi-2212Bi-2212Bi-2223Bi-2223Bi-2223晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)向,從而獲得良好的超導(dǎo)電性,而在制備Bi-2212線材的擠壓工藝中,也是通過擠壓力的作用使Bi-2212Bi-2212/Bi-2223圖20:Bi-2223帶材制備工藝示意圖 圖21:Bi-2212帶材制備工藝示意圖 Bi
Bi噴霧分解法是通過將硝酸和原料粉末充分混合并進行溶解,在過濾不溶物后600--900℃圖22:噴霧分解法資料來源:鄭貝貝等《國內(nèi)Bi系高溫超導(dǎo)材料制備工藝研究進展》,民生證券研究院共沉淀法是按比例配置硝酸溶液,并將金屬離子滴入草酸乙醇溶液后進行沉淀,接著滴入氨水調(diào)節(jié)pH值。最后,過濾出沉淀物并干燥處理后得到草酸鹽粉末,對粉末進行多次熱處理和研磨制備成前驅(qū)粉末。圖23:共沉淀法資料來源:鄭貝貝等《國內(nèi)Bi系高溫超導(dǎo)材料制備工藝研究進展》,民生證券研究院固相反應(yīng)法理鍛燒,然后重復(fù)研磨和鍛燒。制備方法 優(yōu)點 缺點表9:第一代高溫超導(dǎo)帶材原料的生產(chǎn)工藝比較制備方法 優(yōu)點 缺點噴霧分法 粉末混均勻高,粒度細適合大量制備 不能用制備面光的薄材料粉末的混合均勻性一般,顆粒度較大,制備過程受研磨的影響共沉淀法 所需設(shè)簡單適合批量備
較大,工藝流程也較為復(fù)雜固相反法 工藝簡,成低廉適合批生產(chǎn) 顆粒大不均,影成品性能資料來源:鄭貝貝等《國內(nèi)Bi系高溫超導(dǎo)材料制備工藝研究進展》,民生證券研究院第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)工藝方面,一些發(fā)達國家先后突破了第二代高溫超導(dǎo)帶材的長線制備技術(shù),公里級帶材的生產(chǎn)工藝已日漸成熟。圖24:第二代高溫超導(dǎo)帶材生產(chǎn)工藝 資料來源:上海超導(dǎo)環(huán)評報告,民生證券研究院YBCO及科學(xué)研究等領(lǐng)域被大力推廣應(yīng)用,目前我國高溫超導(dǎo)材料大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問超導(dǎo)材料 應(yīng)用表10:高溫超導(dǎo)材料及其應(yīng)用超導(dǎo)材料 應(yīng)用YBCO /Bi-2212 圓線Bi-2223 高溫低場MgB2 資料來源:張平祥等《強電用超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》,民生證券研究院圖25:二代高溫超導(dǎo)帶材 圖26:二代高溫超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu) 資料源:永股公,生研究院 資料源:羅仟超“時》,生券究院圖27:二代高溫超導(dǎo)帶材參數(shù)資料來源:上海超導(dǎo)官網(wǎng),民生證券研究院下游應(yīng)用場景持續(xù)突破,超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)星辰大海MRI磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)通過對靜磁場(主要是氫質(zhì)子受到激勵而發(fā)生磁共振現(xiàn)象,在停止脈沖后,原子核在弛豫過程中產(chǎn)生MR信號,通MR圖28:MRI(磁共振成像儀) 資料來源:西部超導(dǎo)公告,民生證券研究院MRIMRIMRIMRIGE"GPS")為首的外商品牌占據(jù)高場強的超圖29:MRI行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈在競爭格局方面MRIGE1.5T3TMRI圖30:2022年MRI設(shè)備各廠商銷售份額 1.10%1.88%13.77%24.52%
30.54%
西門子GE上海聯(lián)影飛利浦東軟醫(yī)療其他28.19%資料來源:器械之家,醫(yī)招采,民生證券研究院MRIMRIMRI超導(dǎo)型MRI設(shè)備。按磁體產(chǎn)生靜磁場的磁場強度大小可分為低場(0.1T-0.5T)MRI(0.6T-1T)MRI(1.5T-2T)MRI(3T1.5T圖31:MRI用超導(dǎo)材料1 圖32:MRI用超導(dǎo)材料2 資料源西超招說書生證研院 資料源西超招說書生證研院圖33:超導(dǎo)磁體生產(chǎn)流程圖 資料來源:頭豹研究院,沙利文,民生證券研究院30%~40%,3.0T50%~60%,占總成本的一半以上。圖34:1.5T磁共振設(shè)備成本分布 圖35:3.0T磁共振設(shè)備成本分布 35%65%超導(dǎo)磁體成本其他成本35%65%
45%
55%
超導(dǎo)磁體成本其他成本資料源曦超,生券院 資料源曦超導(dǎo),生券院MRIMRI2018MRI55.240.4MRI9.7MRI2020MRI89.2244.210.6%。圖36:我國MRI設(shè)備市場規(guī)模(單位:億元) 圖37:全球MRI設(shè)備市場規(guī)模(單位:億美元) 0
金額(單位:億元)2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E
0
金額(單位:億美元)2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E資料源聯(lián)醫(yī)招說書生證研院 資料源聯(lián)醫(yī)招說書生證研院MRIMRI1.5T3.0T1.5TMRI3.0TMRI。20201.5TMRI75.3%;3.0TMRI24.71.5TMRI0.5,3.0TMRI1.51.5TMRIMRI3.0TMRI圖38:每臺MRI設(shè)備所需超導(dǎo)線材(單位:噸) 1.50.51.50.51.51.00.50.0
1.5T
3.0T資料來源:西部超導(dǎo)招股說明書,民生證券研究院項目2020項目20202021E2022E2023E2024E2025EMRI新增臺數(shù)2346269831033568410347193.0TMRI579666766881101311661.5TMRI176720322336268730903553超導(dǎo)線材需求量(噸)1752.462015.332317.632665.283065.073524.833.0TMRI869.19999.571149.511321.931520.221748.261.5TMRI883.271015.761168.121343.341544.841776.57資料來源:西部超導(dǎo)公告,民生證券研究院超導(dǎo)磁體 MRI表12:行業(yè)內(nèi)主要公司超導(dǎo)磁體 MRI國內(nèi) 西部超、寧建信濰坊力成都奧泰 寧波健、成奧泰蘇州科東軟醫(yī)、上聯(lián)影、鑫高益國外 英國Oxford、國Bruker日本JASTEC美國GE、國Siemens、蘭Philips資料來源:西部超導(dǎo)招股說明書,民生證券研究院
美國GE、德國Siemens、荷蘭Philips核聚變能產(chǎn)生方式(重力因此磁約束核聚變是實現(xiàn)聚變能開發(fā)的有效途徑。圖39:核聚變的約束方式 資料來源:南方能源建設(shè)編輯部,民生證券研究院托卡馬克是最有可能首先實現(xiàn)聚變能商業(yè)化的途徑。磁約束是實現(xiàn)聚變能開圖40:托卡馬克約束磁場示意圖 圖41:托卡馬克基本結(jié)構(gòu) 資料源南能建編部生證研院 資料源南能建編部生證研院中科院等離子體所自主研制并建成世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置EAST(東方超環(huán)由于常規(guī)超導(dǎo)托卡馬克裝置在長脈沖穩(wěn)態(tài)運行方面有所缺陷,而全超導(dǎo)托卡馬克裝置具備開展“中科院等離子體所”)承擔(dān)建設(shè)的國家“九五”重大科學(xué)工程項目“EAST(原名HT-7U)”超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置”,是一個擁有超導(dǎo)縱場磁體和超導(dǎo)極向場磁體系統(tǒng)的全超導(dǎo)大型非圓截面托卡馬克裝置。EASTExperimental(實驗先進Superconducting(超導(dǎo)托卡馬克2006EAST(東方超環(huán)圖42:EAST裝置 圖43:EAST裝置主機部分資料源:中科院離體研究,生券究院 資料源:中科院離體研究所,生券究院參數(shù)名稱性能指標(biāo)參數(shù)名稱性能指標(biāo)大半徑1.88m小半徑0.45m縱場1.5–3.0T等離子電流1MA拉長比κ≤2三角形變δ≤0.7可用磁通ΔФ≈6.5V·s低雜波10MW中性束注入8MW離子回旋12MW電子回旋4MW資料來源:萬寶年等《EAST全超導(dǎo)托卡馬克高約束穩(wěn)態(tài)運行實驗研究進展》,民生證券研究院EASTCICCNbTi。CICCNbTi采用了原準備用于超導(dǎo)加速器的低銅超比超導(dǎo)股線。參數(shù)名稱 性能指標(biāo)表14:EAST超導(dǎo)體采用的超導(dǎo)股線主要性能參數(shù)參數(shù)名稱 性能指標(biāo)股線直徑 Φ0.85mm500A(在4.5K,5T條件下)股線臨界電流Ic
426A(在4.5K,5.8T條件下)股線中NbTi導(dǎo)絲數(shù) 8910NbTi超絲徑 超導(dǎo)絲距 股線銅比 RRR >70資料來源:武松濤等《EAST超導(dǎo)托卡馬克裝置中的大型超導(dǎo)磁體技術(shù)》,民生證券研究院CFETR中國2090HT-7)HL-2A)及東方超環(huán)(EAST)之間的技術(shù)CFETR將著力解決ITERDEMO2050變電站奠定堅實的基礎(chǔ)。圖44:CFETR效果圖1 圖45:CFETR效果圖2 資料源:中科院離體研究,生券究院 資料源中科院離體研究,生券究院圖46:中國磁約束聚變能發(fā)展技術(shù)路線圖 資料來源:高翔等《CFETR物理與工程研究進展》,民生證券研究院在物理設(shè)計方面,CFETR同樣采用全超導(dǎo)磁體集成方案,因此超導(dǎo)磁體系統(tǒng)CFETRCFETR16Field,TF)磁體、8組中心螺管(CentralSolenoid,CS)磁體以及6組平衡場(PoloidalField,PF)磁體等組成。其中,中心螺線管(CS)線圈是CFETR的重要組成部分之一。Nb3Nb3Sn線圈NbTi線圈內(nèi)外線圈1線圈2線圈3導(dǎo)體尺寸/mm×mm49×49(Φ32.6)51.9×51.9(Φ35.3)線圈匝間絕緣/mm2.62.62.62.62.6線圈對地絕緣/mm3.13.13.13.13.1徑向匝數(shù)44101010軸向匝數(shù)3232888總匝數(shù)120120808080線圈內(nèi)半徑/mm740.6971.31230.01230.01230.0線圈外半徑/mm953.21179.51772.41772.41772.4線圈高度/mm1657.41657.4433.4433.4433.4電流/kA47.6547.6547.6547.6547.65最高磁場/T12.008.426.106.106.10資料來源:尹大鵬等《CFETR中心螺線管超導(dǎo)模型線圈預(yù)緊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及分析》,民生證券研究院圖47:CFETR超導(dǎo)磁體系統(tǒng) 資料來源:張正碩等《中國聚變工程實驗堆縱場超導(dǎo)磁體高性能Nb3SnCICC導(dǎo)體穩(wěn)定性分析》,民生證券研究院CSTF15TNb3SnCSBi-221210–30K,25–30T強度),而在低場區(qū)采用Nb3Sn低溫超導(dǎo)導(dǎo)體。在高場區(qū)的高溫超導(dǎo)導(dǎo)體進展方面42Bi-2212下一步需要發(fā)展高壓O2氛圍下的熱處理技術(shù),以提高Bi-2212高溫超導(dǎo)導(dǎo)體的性能。圖48:Bi-2212高溫超導(dǎo)圓形導(dǎo)體實物圖及其臨界電流測試結(jié)果資料來源:高翔等《CFETR物理與工程研究進展》,民生證券研究院ITER除了發(fā)展EAST和CFETR,我國還積極參與國際大工程科學(xué)計劃--ITER計劃。ITER計劃全稱“國際熱核實驗堆”,于1985年確立。在上個世紀五十年代60計劃最終確立,并以建造一個可持ITERITER802208噸的超導(dǎo)線材供應(yīng)工作,于2017年全部交付,得到國際同行的高度評價。分類 產(chǎn)量(單位:噸)表16:西部超導(dǎo)供應(yīng)ITER中208噸超導(dǎo)線材(單位:噸)分類 產(chǎn)量(單位:噸)NbTi 173Nb3Sn 35資料來源:張平祥等《強電用超導(dǎo)材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望》,西部超導(dǎo)招股說明書,民生證券研究院圖49:ITER結(jié)構(gòu)圖 圖50:ITER堆芯 資料源中科院離體研究,生券究院 資料源中科院離體研究,生券究院圖51:ITER聚變實驗堆 圖52:ITER縱場超導(dǎo)線圈 資料源中科院離體研究,生券究院 資料源中科院離體研究,生券究院2000015T(FCC)磁場水平達到15T,這些大科學(xué)裝置將需要高性能低溫和高溫超導(dǎo)材料近20000噸。圖53:近物所與高能所聯(lián)合研制的世界首臺25MeV連續(xù)波質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器資料來源:中國科學(xué)院近代物理研究所,民生證券研究院射頻超導(dǎo)腔是新一代粒子加速器中的關(guān)鍵部件,采用鈮超導(dǎo)腔的粒子加速器加速器輸入耦合器饋入腔體的微波在超導(dǎo)腔內(nèi)部建立特定諧振模式的電磁場;當(dāng)帶電粒mΩQ0104級K)表nΩQ01095量射頻超導(dǎo)腔的關(guān)鍵參數(shù)包括加速梯度E??????,品質(zhì)因數(shù)??0,RRR等。加速梯度????????是超導(dǎo)腔的加速電壓與有效加速長度的比值,反映了帶電粒子通過超導(dǎo)腔時RRR值定義為材料在室溫下(300K)4.2K(液氦)時的電阻率之比。圖54:射頻超導(dǎo)腔 圖55:粒子加速器資料源東鉭官,生研究院 資料源:新網(wǎng)民證研院國際上最早開始研究射頻超導(dǎo)的應(yīng)用試驗是1965年斯坦福大學(xué)的漢森物理年和N.Viet采用的純鈮超導(dǎo)腔載束實驗獲得突破,加速梯度超過10JLab直線加速器相干光源升級項目LCLS-II,德國的歐洲X射線自由電子激光裝置XELEPC-II和上海硬X射線自由電子激光裝置SHINE等。質(zhì)子或者重離子加速器有:美國橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源項目SNS,密歇根州立大學(xué)的稀有同位素束流裝置FRIB,歐洲散裂中子源項目ESS,以及我國近代物理研究所的加速器驅(qū)動嬗變研究裝置CiADSHIAF圖56:北京環(huán)形正負電子對撞直線加速器 圖57:德國的歐洲X射線自由電子激光裝置加速器 資料源:中科院能理所,生券究院 資料源:普真,生券院大部分,每個部分都有很嚴格的技術(shù)要求。RRR度有著緊密的關(guān)系,因此加速器用鈮材必須滿足特殊的純度,要使其殘余電阻率50μmRRRRRR(HCO(主要是RRR300的鈮錠,C、N、O20×10-6,H質(zhì)量分數(shù)需小于500×10-6以鋁熱還原法還原Nb2O5制備高純鈮錠的精煉原料鈮坯(一般純度為99.0%~NHOAl30RRR300RRR300C.HeraeusDenkaiWahchangCBMM圖58:高純鈮鑄錠資料來源:任軍帥等《射頻超導(dǎo)腔用高純鈮材制備》,民生證券研究院超導(dǎo)鈮材加工:國際上射頻超導(dǎo)腔用鈮板的制備工藝路線為高純鈮錠(RRR值大于RRRRRR50μm,細晶鈮材在加工的過程中可能引入新的雜質(zhì)或者缺陷,而大晶粒鈮材是制備好鈮錠后直接通過切割的方式加工成圓板,再進行酸洗檢驗,省去了細晶粒鈮板的鍛造、軋制、退火、表面處理等工藝,具有低成本、低RRR圖59:大晶粒RRR300高純超導(dǎo)鈮板資料來源:邵杰等《超導(dǎo)腔用大晶粒RRR300高純超導(dǎo)鈮板的RRR值分布》,民生證券研究院射頻超導(dǎo)腔制造量,特別是所有啞鈴的諧振頻率、耦合系數(shù)和尺寸都應(yīng)該盡可能保持一致。首先是對超導(dǎo)鈮板材用沖壓成形出諧振腔的主要部件,再用精密加工方法對RRR大于250),每一步焊接前都要對元件表面進行適當(dāng)?shù)木彌_化學(xué)拋光(BufferedChemicalPolishingBCP)18MΩ-cm然后是對電磁場進行平整度調(diào)整。射頻超導(dǎo)腔各個cell中場分布的均勻性對腔的性能十分重要,如果各cell中場分布不均勻,會限制整腔的加速梯度,因此需要通過超導(dǎo)腔射頻頻率與場平坦化調(diào)整使得每個cell中的場分布盡可能一致以保證整腔達到最大加速電壓。最后是表面處理和垂直測試。在超導(dǎo)腔安裝到低溫恒溫器之前一般需要進行垂直測試,即在一個垂直放置的通用恒溫器中測量沒有束流情況下的超導(dǎo)腔加速進行整腔表面處理,主要過程包括:超聲波清洗、緩沖化學(xué)拋光(BCP)(ElectropolishingEPBCPEPEP的拋光速度比BCP慢,但可獲得更小的表面粗糙度。超聲波清洗可以有效去除BCP或EP大幅度下降,通常稱為Q-disease,對超導(dǎo)腔進行600℃–800℃的高溫退火可以Q-disease腔表面的微小顆粒,這些顆粒往往會引起腔內(nèi)的場致發(fā)射,限制加速梯度的進一步提高。圖60:超導(dǎo)腔部件啞鈴(a)和高階模耦合器(b)資料來源:郝建奎等《國際直線對撞機(ILC)高梯度射頻超導(dǎo)加速腔研制》,民生證券研究院德國研究儀器公司(ResearchInstruments)在射頻超導(dǎo)腔制造環(huán)節(jié)全球領(lǐng)5ACCEL200/20005國內(nèi)北京大學(xué)射頻超導(dǎo)實驗室自20世紀80年代末開始射頻超導(dǎo)加速腔研究。1993(1.5GHz,1cell6020052011導(dǎo)已形成一套完整的射頻超導(dǎo)腔的生產(chǎn)線,成為國內(nèi)唯一具有超導(dǎo)腔生產(chǎn)及后續(xù)處理的產(chǎn)業(yè)鏈。來超800只需求。國內(nèi)正在建設(shè)的粒子加速器有上海硬X射線自由電子激光(SHINE1.3GHz-9Cell超導(dǎo)腔600只和3.9GHz-9Cell16CIADSSpokeHWR137HIAFQWRHWR106只;高能同步輻射光源項目,項目共需輪輻超導(dǎo)腔500MHz超導(dǎo)腔7只,需求空間可觀。東方鉭業(yè)是全球少數(shù)能夠生產(chǎn)超導(dǎo)鈮材和鈮鈦材的公司之一以及唯一兼具材料生產(chǎn)和超導(dǎo)腔制造能力的公司,東方超導(dǎo)為射頻超導(dǎo)腔業(yè)務(wù)主體。東方超導(dǎo)于201122.8868.64北大資產(chǎn)經(jīng)營有限公司100%寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司北京賽德興創(chuàng)科技有限公司企業(yè)(有限合伙)北大資產(chǎn)經(jīng)營有限公司100%寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司北京賽德興創(chuàng)科技有限公司企業(yè)(有限合伙)68.64%22.88%8.49%寧夏東方超導(dǎo)科技有限公司資料來源:企查查,民生證券研究院東方超導(dǎo)營業(yè)收入穩(wěn)步提高,利潤增長未來可期。2017-20227562367.520.3元增長到428.1萬元。東方超導(dǎo)目前射頻超導(dǎo)腔產(chǎn)能為30支/年,遠不能滿足下202270/年,24100/2022員工的積極性,公司未來成長可期。圖62:東方超導(dǎo)營收及同比增速 圖63:東方超導(dǎo)凈利潤及同比增速0
營業(yè)收入(單位:萬元) YoY(右軸2017年2018年2019年2020年2021年2022年
50%40%30%20%10%0%
0
凈利潤(單位:萬元) YoY(右軸)4000%3000%2000%1000%0%-1000%2017年2018年2019年2020年2021年2022年資料源東鉭公公,證券究院 資料源東鉭公公,證券究院MCZMCZ(磁控直拉單晶硅技術(shù))配置超導(dǎo)磁體(MagneticAppliedCzochralskiMethod)MCZ300mmMCZCZ圖64:MCZ與CZ法單晶硅制備 圖65:超導(dǎo)磁體系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 資料來源:中國工程科學(xué),民生證券研究院表17:NbTi超導(dǎo)體性能參數(shù)ItemParametersUnit超導(dǎo)股線NBTiOxford超導(dǎo)芯線直徑0.63mm導(dǎo)體尺寸1.93x1.17mm絕緣后導(dǎo)體尺寸2.24x1.43mm絲徑64um股線中超導(dǎo)絲個數(shù)54扭矩13mm股線銅超比1.3導(dǎo)體銅超比14運行溫度Top4.2K臨界電流560@4.2K&4T資料來源:吳小四《直拉式單晶硅生長爐超導(dǎo)磁體研究》,民生證券研究院2023520236晶爐已簽訂約3500臺設(shè)備訂單,預(yù)計2023年配置近300臺超導(dǎo)磁場。2023年6圖66:晶盛機電第五代單晶爐 圖67:西部超導(dǎo)MCZ用超導(dǎo)磁體 資料源晶機官,生研究院 資料源西超官,生研究院單晶硅行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游為MCZ67/GWNP圖68:單晶硅產(chǎn)業(yè)鏈資料來源:華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,民生證券研究院圖69:直拉單晶硅的工藝流程資料來源:粉體網(wǎng),民生證券研究院圖70:中國光伏硅片產(chǎn)量0
2018
產(chǎn)量(GW) 同比(右軸)2020 2021 2022
80%60%40%20%0%資料來源:中國光伏行業(yè)協(xié)會《中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》,民生證券研究院高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱器是一種以超導(dǎo)體為核心的新型的電磁感應(yīng)加熱設(shè)備。利(包括擠壓、圖71:聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)雙工位超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置 資料來源:聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)官網(wǎng),民生證券研究院渦流效應(yīng)與焦耳定律。高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)利用超導(dǎo)材料在臨界低溫下呈現(xiàn)零圖72:傳統(tǒng)交流工頻感應(yīng)加熱 圖73:超導(dǎo)極低頻感應(yīng)加熱 資料源:聯(lián)超官,生研究院 資料源:聯(lián)超官,生研究院高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)節(jié)能效果明顯。目前成熟的電機技術(shù)可以讓超導(dǎo)感應(yīng)加熱效率達90性能參數(shù)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱性能參數(shù)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱高溫超導(dǎo)設(shè)備優(yōu)點加熱頻率/Hz4~12(240~720rpm)大于50加熱質(zhì)量高,電流穿透深度5015軸向溫度分布更深入、更均勻加熱效率/%80~8540~45加熱效率高,節(jié)能效果好。能耗/(kWh/t)140280(含冷卻)每年節(jié)省約800萬度電,節(jié)省電費約450萬元/年芯表溫度/℃±5±20芯表溫差小,不會因為內(nèi)外受熱不均而裂開加熱工藝可雙根加熱可雙根加熱無功補償不需要需要安裝維護簡單電力諧波污染無嚴重環(huán)境友好適合鋁錠擠壓場景大于36MN熱擠壓機大于36MN熱擠壓機資料來源:新材料產(chǎn)業(yè),民生證券研究院1MW超導(dǎo)感應(yīng)裝置為例,按電費0.6元/kWh計算,每年約能節(jié)約電費547萬元,靜態(tài)設(shè)備投資回收期僅2-3年。參數(shù)傳統(tǒng)大功率感應(yīng)加 超導(dǎo)感應(yīng)加備注表19:傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱與超導(dǎo)感應(yīng)加熱經(jīng)濟分析(以鋁錠坯加熱為例)參數(shù)傳統(tǒng)大功率感應(yīng)加 超導(dǎo)感應(yīng)加備注加熱頻率熱60Hz熱(4~8)Hz功率1.25MW×21.0MW同樣生產(chǎn)能力能效(典型值)45%80%加熱性能(錠坯心表溫差)±15℃±2℃設(shè)備費用600萬元(國產(chǎn))1200萬元1500萬元(進口)設(shè)備占地100㎡100㎡包含物料傳送加熱溫度450℃450℃生產(chǎn)率5656t/月5656t/月每月工作30日噸料耗電280kWh160kWh年外圍設(shè)備電費100萬元18萬元按0.6元/度年總電費1239萬元692萬元年總電費=(生產(chǎn)率×12/t耗電×0.6)/10000+年外圍設(shè)備電費年運營維護費用5萬元26萬元每噸料生產(chǎn)成本194萬元106萬元每噸生產(chǎn)成本(元/t)=(總電費+運用維護費用)×10000/(生產(chǎn)率×12)每年節(jié)約電費547萬元設(shè)備年折舊成本30萬元(國產(chǎn))60萬元假設(shè)折舊年限20a,無殘值按凈利潤=傳統(tǒng)感應(yīng)加熱總電費及運營維護費用-超導(dǎo)感應(yīng)加熱總電費及運營維護費用投資回收期(靜態(tài))2.05a固定資產(chǎn)=設(shè)備費用不考慮折現(xiàn)投資回收期(動態(tài))2.50a按折現(xiàn)率12%資料來源:張強等《推廣應(yīng)用鋁圓錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)》,民生證券研究院圖74:傳統(tǒng)加熱裝置與超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置噸料耗電(單位:kWh/t) 2801602801602001000傳統(tǒng)大功率感應(yīng)加熱 高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱資料來源:張強等《推廣應(yīng)用鋁圓錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)》,民生證券研究院2023420置于黑龍江中鋁集團東北輕合金公司投用,標(biāo)志我國超導(dǎo)熱加工技術(shù)在全球?qū)崿F(xiàn)2024100500等方面,國內(nèi)超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)持續(xù)發(fā)展,應(yīng)用范圍廣,設(shè)備市場空間巨大。圖75:世界首臺MW級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置投用 資料來源:聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)官網(wǎng),民生證券研究院高溫超導(dǎo)技術(shù)在電力工業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。超導(dǎo)電力圖76:超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用場景 資料來源:中天科技公告,民生證券研究院圖77:高溫超導(dǎo)材料在電力系統(tǒng)應(yīng)用場景資料來源:古河電氣工業(yè)株式會社官網(wǎng),民生證券研究院超導(dǎo)輸電技術(shù)是一種利用高密度載流能力的超導(dǎo)材料發(fā)展而成的新型輸電技(Warm-Dielectric,(Cold-Dielectric,電纜兩種;10kV66kV圖78:超導(dǎo)電纜示范工程的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖 資料來源:國網(wǎng)上海市電力公司《超導(dǎo)電纜在城市電網(wǎng)中的應(yīng)用》,民生證券研究院圖79:超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu) 圖80:三種高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu) (a)單相型;(b)三相同軸型;(c)三相統(tǒng)包型資料源:科way眾,生研究院 資料網(wǎng)海電公《導(dǎo)電在市網(wǎng)的用民生證券究院于電阻生熱都會有所損耗,如輸送1000萬千瓦電力的損失可能達到一座1001/4載流密度的特性讓超導(dǎo)輸電系統(tǒng)的安裝占地空間變小,土地開挖和占用量也得以圖81:高溫超導(dǎo)電纜和普通電纜對比資料來源:古河電氣工業(yè)株式會社官網(wǎng),民生證券研究院超高壓交流超高壓交流高壓直流直流電纜高溫超導(dǎo)直流輸電大功率傳輸容量√√×√相較于超高壓交流的成本優(yōu)勢×√×√交流多點互聯(lián)能力√××√地下直流電纜的隱蔽性和高可靠性××√√直流系統(tǒng)的系統(tǒng)控制特征×√√√地下電纜的最小占地××√√資料來源:肖立業(yè)等《超導(dǎo)輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢》,民生證券研究院20世紀90導(dǎo)電纜產(chǎn)業(yè)化大幕有望逐步拉開。國家年份國家年份項目選址關(guān)鍵參數(shù)韓國2004高敞郡100m(22.9kV/1.25kA)日本2004橫須賀市500m(77kV/1kA)美國2006奧爾巴尼市350m(34.5kV/0.8kA)美國2006哥倫布市200m(13kV/3kA)日本2007橫濱市240m(66kV/2kA)美國2008長島市600m(138kV/3kA)韓國2008利川市400m(22.9kV/1.25kA)韓國2014濟州島500m(80kV/6.25kA)德國2014埃森市1000m(10kV/2.4kA)中國2021深圳市400m(10kV/2.5kA)中國2021上海市1200m(35kV/2.2kA)資料來源:電力與能源,民生證券研究院suspension,EMS)列車、電動懸浮列車(electrodynamicsuspension,EDS)、超導(dǎo)釘扎懸?。╯uperconductingpinninglevitation,SPL)列車。電動懸浮按照場源形式可以劃分為超導(dǎo)電動懸浮和永磁電動懸浮,超導(dǎo)電動懸浮按照磁體的工作溫度又可研究進展研究進展(廂)路軌鋪設(shè)車載磁體懸浮、導(dǎo)向控制最高應(yīng)用速度/(km/h)懸浮高度/mm懸浮原理懸浮類型EMS
8~10
550(德國TR09)
43080~150(超導(dǎo)電80~150(超導(dǎo)電動懸603505自穩(wěn)定,無?。↗R東海L0)(日本山梨需控制,無20~30試驗線L0)靜態(tài)懸?。ㄓ来烹妱討腋。?/p>
需要閉環(huán)控制,有靜態(tài)懸浮
電磁鐵 硅鋼片超導(dǎo)磁
重,56.5t(德國 商業(yè)TR09) 運營EDS
“8”字線圈、導(dǎo)電板之間相對運動產(chǎn)生懸浮力
體,永磁體
輕,25t(JR東海L0)
準商業(yè)運營SPL
非理想第二類超導(dǎo)體抗磁特性產(chǎn)生懸浮力
10~30
300(西南交通大學(xué)模型車)
自穩(wěn)定,無需控制,無靜態(tài)懸浮
超導(dǎo)塊材 永磁導(dǎo)
輕,12t(大學(xué)工程化樣車)
準商業(yè)運營資料來源:劉士莧等《電動懸浮列車及車載超導(dǎo)磁體研究綜述》,民生證券研究院圖82:磁浮懸浮原理分類 圖83:磁浮速度等級分類 資料源軌道世公號民券研院 資料源軌道世公號民券研院車載超導(dǎo)磁體是核心部件(體可以分為基于NbTi低溫超導(dǎo)線繞制的低溫超導(dǎo)(lowtemperatureBi(hightemperaturesuperconducting,HTS)ReBCONbTi圖84:超導(dǎo)電動懸浮系統(tǒng) 圖85:超導(dǎo)電動懸浮原理
圖86:日本研制的車載低溫超導(dǎo)磁體 圖87:日本研制的ReBCO帶材車載高溫超導(dǎo)磁體
國內(nèi)車載高溫超導(dǎo)磁體投入實驗運行,在高速電動懸浮領(lǐng)域應(yīng)用前景可期。內(nèi)車載超導(dǎo)磁體研究包括中國合肥物質(zhì)研究院HTSHTSHTS團隊 磁體尺磁動勢團隊 磁體尺磁動勢導(dǎo)線材料匝數(shù)/匝匝間絕緣運行方式電流衰減率/線圈工作溫度/K冷卻方式研究進展名稱 寸/m /kA (%/d)長黃振 0.83,可插拔制冷降溫、勵團隊 寬360ReBCO2400無絕緣閉環(huán)2.030.0~40.0機冷卻,固磁、振動,0.24,氮輔助冷卻地面試驗高0.93吳蔚 長1.6,可插拔制冷已研制5臺團隊 寬0.3,360ReBCO1800無絕緣閉環(huán)<1.1<35.6機冷卻,固磁體,并投高0.8氮輔助冷卻入試驗運行資料來源:劉士莧等《電動懸浮列車及車載超導(dǎo)磁體研究綜述》,民生證券研究院圖88:中國上海交通大學(xué)研制的車載高溫超導(dǎo)磁體資料來源:劉士莧等《電動懸浮列車及車載超導(dǎo)磁體研究綜述》,民生證券研究院3.8二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)材料有望逐步邁入商業(yè)化MgB239K(MgB2)2001然發(fā)現(xiàn)的金屬間化合超導(dǎo)體,結(jié)構(gòu)由鎂所構(gòu)成的三角格子和硼所構(gòu)成的蜂窩六角結(jié)構(gòu)平面交錯堆砌而成。它的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達39KBCS圖89:MgB2超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)圖 圖90:MgB2超導(dǎo)體的頂視圖 資料源:聞虎新高超料研進展》民證研院 資料源:聞虎新高超料研進展》民證研院MgB2相干長度為6~7納米,具有六方型晶體結(jié)構(gòu),因此有較高的不可逆場,可BiYPIT圖91:MgB2超導(dǎo)體的費米面 資料來源:聞?;ⅰ缎滦透邷爻瑢?dǎo)材料研究進展》,民生證券研究院gB2(MRI(PIT)和原位Hyper3kmJc25KMonel/Cu/NbMgB2(Hitachi)公司也已具備制出千米級MgB2線材的生產(chǎn)能力;我國西部超導(dǎo)材料科技股份有19芯及37芯結(jié)構(gòu)的MgB2長線。圖92:日本日立公司MgB2超導(dǎo)線材截面照片及外觀圖(線徑:0.67mm)資料來源:日立官網(wǎng),民生證券研究院 振成像儀 圖93:我國西北有色金屬研究院制備的MgB2長線 圖94:意大利ASG超導(dǎo)公司利用MgB2制成的核磁共 振成像儀 資料源:西有金研院,民證研院 資料源:ASG超公,生研究院在MgB2高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)工藝方面(PIT)心鎂擴散法(IMD)和連續(xù)管線成型法(CTFF)。圖95:MgB2高溫超導(dǎo)線材工藝流程 資料來源:西安聚能超導(dǎo)線材環(huán)評書,民生證券研究院MgB2Jc和穩(wěn)定性是未來研究的突破方向,制備工藝在取西北有色金屬研究院正MgB20.6TMgB2高溫超導(dǎo)線帶材制備的開放式醫(yī)用核磁共振成像系統(tǒng)有望投入使用,并逐步向商業(yè)化發(fā)展。圖96:用于未來MRI應(yīng)用的MgB2導(dǎo)體雙重?zé)Y(jié)要求示意圖資料來源:何龍軍等《IMD-MgB2超導(dǎo)線材的研究進展》,民生證券研究院投資建議超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料不具備的零電阻、完全抗磁性等宏觀量子現(xiàn)象,是典型的量子材料。超導(dǎo)體因為具有絕對的零電阻和完全的抗磁性兩大神奇特性,在所有涉及電和磁的領(lǐng)域都有超導(dǎo)體的用武之地,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,包括電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)工程、交通運輸、電力等領(lǐng)域。低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展。NbTi超導(dǎo)線材用量占整個超導(dǎo)材料市場的90%以上。目前已實現(xiàn)商業(yè)化的包括NbTi(鈮鈦,Tc=9.5K)和Nb3Sn(鈮三錫,Tc=18k),NbTi超導(dǎo)線材由于具有優(yōu)異的中低磁場超導(dǎo)性能、良好的機械性能和加工性能、價格優(yōu)勢,其用量占整個超導(dǎo)材料市場的90%以上。高溫超導(dǎo)技術(shù)突破,產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā)。高溫超導(dǎo)臨界溫度較高,制冷成本更低,具有更加廣闊的應(yīng)用前景。高溫超導(dǎo)廣泛運用在超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。2022年,永鼎股份二代高溫超導(dǎo)帶材在磁感應(yīng)加熱設(shè)備中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化供貨,2023年4月20日,聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)自主研制的世界首臺兆瓦級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置在黑龍江中鋁集團東北輕合金公司成功投運,高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)化開始加速。下游應(yīng)用場景持續(xù)突破,超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)星辰大海MRI帶動超導(dǎo)材料需求釋放。超導(dǎo)磁體是MRI設(shè)備中產(chǎn)生主磁場的核心1.5T磁共振超導(dǎo)磁體成本占比在30%~40%,3.0T磁共振超導(dǎo)磁體成本占比在50%~60%。我國MRI設(shè)備市場保有量持續(xù)增長,未來3.0TMRI設(shè)備的占比進一步提高,帶動低溫超導(dǎo)線材需求釋放。大科學(xué)裝置將需要高性能低溫和高溫超導(dǎo)材料近20000噸。正負電子對撞機及超級質(zhì)子對撞機(CEPC/SPPC)磁場水平達到國際最高水平20T、中國聚變工程試驗堆(CFETR)磁場水平達到15T、歐洲環(huán)形對撞機(FCC)磁場水平達到15T,大科學(xué)裝置將需要高性能低溫和高溫超導(dǎo)材料近20000噸。粒子加速器項目建設(shè)拉動射頻超導(dǎo)腔需求。粒子加速器主要應(yīng)用于高能物理、散裂中子源、潔凈核能源、同步輻射光源、自由電子激光等科研領(lǐng)域,具有廣泛的應(yīng)用前景和現(xiàn)實應(yīng)用價值,射頻超導(dǎo)腔是粒子加速器關(guān)鍵部件,國內(nèi)正在建設(shè)的粒子加速器有上海硬X射線自由電子激光(SHINE)項目,項目共需1.3GHz-9Cell超導(dǎo)腔600只和3.9GHz-9Cell超導(dǎo)腔16只;加速器驅(qū)動嬗變研究裝置(CIADS)項目,項目共需Spoke、HWR等不同型號的超導(dǎo)腔137只;強流重離子加速裝置(HIAF)項目,項目共需QWR、HWR等不同型號的超導(dǎo)腔106只;高能同步輻射光源項目,項目共需輪輻超導(dǎo)腔500MHz超導(dǎo)腔7只,累計有望帶來超800只需求。高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。導(dǎo)體為核心的新型電磁感應(yīng)加熱設(shè)備,相較傳統(tǒng)加熱方式,噸料耗電可節(jié)約120kWh。2023年4月,聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)自主研制的世界首臺兆瓦級高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置于黑龍江投用,標(biāo)志我國超導(dǎo)熱加工技術(shù)在全球?qū)崿F(xiàn)重大突破。聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)預(yù)計2024年兆瓦級超導(dǎo)感應(yīng)加熱器達到年產(chǎn)能達100臺。二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)材料有望逐步邁入商業(yè)化。MgB2可用于核磁共振成像(MRI)基于MgB2高溫超導(dǎo)線帶材制備的開放式醫(yī)用核磁共振成像系統(tǒng)有望投入使用,并逐步向商業(yè)化發(fā)展。投資建議:低溫超導(dǎo)應(yīng)用場景拓展,高溫超導(dǎo)技術(shù)突破,產(chǎn)業(yè)化蓄勢待發(fā)。建議重點關(guān)注西部超導(dǎo)、東方鉭業(yè)。重點公司東方鉭業(yè):國內(nèi)鉭鈮龍頭,國企改革標(biāo)桿603D流程生產(chǎn)企業(yè),是世界鉭鈮行業(yè)三強之一。10年來最好水平,母公司中色東方經(jīng)營業(yè)績更是創(chuàng)57年來最好水平。英寸鉭靶材、高端醫(yī)療用鉭材料、鈮射頻超導(dǎo)腔、高溫涂層、鈹鋁合金、ITER定增項目有望實現(xiàn)產(chǎn)能擴充支撐長期成長。公司發(fā)布定增預(yù)案擬對火法冶煉180t/熔鑄產(chǎn)品產(chǎn)能140t/6018t/能預(yù)計將達到70t/70支/年達到年產(chǎn)100只鈮持股28%年西材院實現(xiàn)營收17.20億元,同比增加%,凈利潤2.49億元,同比增加44.79%。投資建議:公司通過積極實施正向激勵市場化改革和持續(xù)進行自主創(chuàng)新雙輪2023-2025年歸母凈利潤分別為1.99/2.30/2.63億元,對應(yīng)現(xiàn)價,2023-2025PE30/26/23風(fēng)險提示:原材料價格波動風(fēng)險、新品研發(fā)不及預(yù)期、下游需求不及預(yù)期。進高溫合金業(yè)績貢獻逐步顯現(xiàn)。公司作為國內(nèi)高性能高溫合金材料的新興供應(yīng)商之一,眾多產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國家軍工重大裝備、大型科學(xué)工程等,GH4169、GH7382022732.4145.67%,隨著未來逐步釋放產(chǎn)能,疊加原料端鎳、鈷等價格趨弱,高溫合金業(yè)績貢獻有望逐步抬升。定增項目加碼高溫合金+鈦合金材料,成長性再上臺階。2022年1月公司完成定增,共募集資金凈額19.81億元,其中9.91億元規(guī)劃建設(shè)航空航天用高性能金屬材料產(chǎn)業(yè)化項目,新增鈦合金材料5050噸,高溫合金1500噸的生產(chǎn)能力。2024120192500202315002024公司高溫合金產(chǎn)能將達到6000噸,屆時高溫合金生產(chǎn)能力將處于國內(nèi)第一梯隊,未來將充分受益下游軍工等領(lǐng)域發(fā)展。半導(dǎo)體、光伏、醫(yī)療及電力領(lǐng)域的應(yīng)用,其中MRI用超導(dǎo)線22高,1.5T-5T(MRI)NbTi持續(xù)擴大。此外公司相繼中標(biāo)國家重大項目超導(dǎo)線采購項目,核聚變用高性能Nb3Sn超導(dǎo)線打破國外壟斷,形成批量供應(yīng)。2022年公司超導(dǎo)產(chǎn)品銷量同比+99.36%至1110噸,隨著公司超導(dǎo)產(chǎn)品產(chǎn)能提升,超導(dǎo)產(chǎn)品業(yè)績貢獻可期。表24:西部超導(dǎo)主要項目投資建設(shè)情況在建項目主要產(chǎn)品產(chǎn)能項目進度預(yù)計投產(chǎn)時間發(fā)動機用高性能高溫合金材料及粉末盤項目高溫合金2500噸106.23%2023年1月高溫合金1500噸航空航用高能金材料業(yè)項目 23.36% 2024年12月鈦合金材料5050噸高性能導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)項目 MRI超導(dǎo)材2000噸 13.45% 2024年12月資料來源:公司公告,民生證券研究院(注:項目進度截止時間為2022年末)2023-202513.4/16.2/19.824/20/16688122.SH 西部超導(dǎo)000962.SZ 東方鉭業(yè)48.8313.411.66688122.SH 西部超導(dǎo)000962.SZ 東方鉭業(yè)48.8313.411.660.382.060.452.490.52293524302026推薦推薦評級PE2024E 2022A 2023E 2024EEPS2023E證券代碼 證券簡稱 股價(元) 2022A資料來源:Wind,民生證券研究院(注:股價日期為2023年8月9日)風(fēng)險提示動加大,一旦原材料價格出現(xiàn)超預(yù)期波動,或?qū)⒂绊懙蜏爻瑢?dǎo)產(chǎn)品毛利率。高溫超導(dǎo)商業(yè)化進程不及預(yù)期。目前高溫超導(dǎo)帶材的制備成本仍然較高,商業(yè)化可能較預(yù)期遲滯,有可能對相關(guān)公司確認收入帶來負面影響。插圖目錄圖1:超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象 3圖2:超導(dǎo)體的完全抗磁性 3圖3:超導(dǎo)體的量子隧穿效應(yīng) 3圖4:超導(dǎo)的臨界參數(shù)和臨界界面 3圖5:周期表中具有超導(dǎo)電性的化學(xué)元素及其轉(zhuǎn)變溫度4圖6:超導(dǎo)材料的探索歷程 4圖7:超導(dǎo)體的分類:第Ⅰ類超導(dǎo)體和第Ⅱ類超導(dǎo)體 5圖8:固體中的原子振動——聲子 6圖9:超導(dǎo)微觀理論“BCS理論” 6圖10:超導(dǎo)材料及其應(yīng)用領(lǐng)域 7圖11:超導(dǎo)材料主要強電運用領(lǐng)域 7圖12:超導(dǎo)材料進展概況 11圖13:國內(nèi)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈 11圖14:NbTi超導(dǎo)線 12圖15:Nb3Sn超導(dǎo)線 12圖16:低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈 13圖17:全球低溫超
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