2025年可控核聚变行业专题报告：多技术路线共同发展，电源价值量在膨胀

一、电源是可控核聚变装置“生命线”， 资本开支扩张有望带动订单陆续释放

1.1 托卡马克为主流，多种技术路线并行

核聚变技术路线分为磁约束、惯性约束、磁惯性约束三大类。按照约束原理分类，核聚变 可分类为磁约束、惯性约束、磁惯性约束，三类装置等离子体温度基本一致，差异在于约 束时间和等离子体密度：1）约束时间方面，磁约束>>磁惯性约束>惯性约束；2)等离子体 密度方面，惯性约束>>磁惯性约束>磁约束。

可控核聚变技术路线可细分为：1）磁约束：托卡马克、球形托卡马克、仿星器；2）惯性 约束：激光约束、Z 箍缩；3）磁惯性约束：磁惯性约束 FRC。

托卡马克为主流，仿星器、激光约束、FRC 等多路线共同发展。根据国际原子能机构（IAEA） 发布报告《IAEA World Fusion Outlook 2024》，当前全球共有聚变装置共 159 台，其中 托卡马克 79 台，占比 49.7%，仿星器 23 台，占比 14.5%，激光/惯性约束 12 台，占比 7.5%，其他路线 45 台，占比 28.3%。

1.2 电源系统是核聚变装置的核心部分，价值量占比高

可控核聚变电源要求系统容量高、耐高压、大电流、纹波小，相对传统工业电源，研发、 制造难度更高。1）功率大、容量高：以国际热核聚变（ITER）为例，电源需要给磁体系 统、辅助加热系统以及辅助系统供电，电源功率为 100MW 级别，相当于中大型发电厂的功 率。2）耐高压和大电流：以 ITER 为例，磁体电源需要大电流激励磁场约束等离子体，通 常电流通流能力要求 100kA 级别；中性束注入系统需要大电压激励离子源，对应电源电压 需求高达 1MV；3）纹波小：辅助加热系统输出效率对电源电压的精度和稳定性等非常敏 感，因此要求高压电源输出纹波小。

ITER 电源环节价值量占比近 15%。根据《Superconductors For Fusion: A Roadmap》， ITER 装置中电源、加热系统和电流驱动价值量占比分别为 8%、7%，合计达 15%。

中核系、中科院系等推进托卡马克、Z 箍缩路线，商业公司积极布局 FRC 路线。1）托卡马 克方面：国内中核系、中科院系等积极推进托卡马克路线建设，从目前主流机构的规划时 间、投资金额来看，多数的实验堆项目预计在“十五五”期间实现，且单个实验堆的投资 金额在几十亿元到上百亿的规模；2）Z 箍缩路线：先觉聚能技术路线为 Z 箍缩聚变+裂变 混合堆，计划 2030 年前实现聚变点火，验证 Q>1；3）FRC：国内商业公司瀚海聚能、星能 玄光、诺瓦聚变正积极布局 FRC 技术路线，其中星能玄光计划 2035 年建成 200MW 聚变电 站，成本约为 10 亿元。 托卡马克装置电源价值量占比约为 15%，FRC、Z 箍缩对磁体要求大幅降低、电源要求更高， 电源价值量占比或也更高，国内推动多个聚变路线发展，FRC、Z 箍缩等多领域的电源需求 有望陆续释放。

二、 托卡马克需要长脉冲运行，核心为脉冲功率电源

2.1 托卡马克脉冲功率电源由磁体电源、辅助加热电源以及无功补偿滤波等组成

电源是支撑托卡马克装置等离子体形成、加热、维持，直至聚变结束的关键系统。根据， 《ITER 电源系统冲击功率补偿策略研究》，国际热核聚变（ITER）核聚变整个流程包括预 磁化-等离子体维持-辅助加热-电流结束，以周期模式运行。循环往复的过程中存在周期 性高功率脉冲，对电源脉冲电压、电流、响应时间等要求高。

托卡马克电源系统（以 ITER 为例）包括脉冲功率电网（PPEN）、稳态功率电网（SSEN）， 其中 PPEN 包括磁体电源系统、辅助加热电源系统、无功补偿及滤波系统；SSEN 包括低温、 水冷等辅助系统电源。 托卡马克 PPEN 电源系统拆分：1）磁体电源系统：为中心螺管 CS、环向场 TF 系统、极向 场 PF 系统以及调整磁体供电；2）辅助加热电源系统：为离子回旋加热系统（ICRF）、电 子回旋加热系统（ECRF）、低杂波加热系统（LHRF）以及中性束注入加热系统（NBI）供电； 3）无功补偿及滤波系统：对等离子体放电过程中磁体电源和辅助加热电源产生的无功谐 波进行有效的补偿和抑制，避免电网和聚变装置受到冲击。

2.2 磁体电源：电流大、纹波小、响应快，技术壁垒高

磁体电源是激发、约束、调整等离子体的关键。托卡马克装置的磁体系统主要包括 6 个独 立绕包模块组成的中心磁体、18 个环向线圈（TF）、18 个校正线圈（CC）、6 个极向线圈 （PF），主要作用分别为激发等离子体和位形控制、约束控制等离子体、实现等离子体平 衡控制、校正误差场，而对磁体进行控制的“无形的手”就是磁场电源。

磁体电源主要由磁场变流单元、开关网络单元 SNU、快速放电单元 FDU、保护短路开关 PMS 组成。1）磁体变流单元：实现交直流转换并实时控制输出大电压和波形，实现对等离子 体控制；2）开关网络单元：用于聚变装置等离子体建立以及上升，开断时间小于 100ms； 3）快速放电单元 FDU：保护磁体，迅速释放超导线圈储存的几十兆焦耳能源；4）保护短 路开关 PMS：发生短路时，迅速切断电路，不影响磁体。

磁体电源需要“快、稳、大电流”：1）调节快：电压响应时间要求为毫秒级别，实现对等 离子体位置、形状实时控制；2）纹波小：EAST 纵向场电源要求纹波小于等于 0.3%；3） 大电流：超导磁体需要大电流激励出大磁场，EAST 纵场电源额定电流达 16kA，电源输出 电流要求高。

托卡马克需要储能电源支撑冲击功率。根据《磁约束聚变电源系统长脉冲高倍率储能关键 技术研究》，单套超导磁体电源峰值功率可达 100MW，为平均功率的 10 倍以上，需要配套 储能装置支撑高冲击功率。

2.3 无功补偿及谐波抑制系统：实现电源系统与电网兼容，核聚变装置稳定运行的关键

托卡马克无功功率冲击来源于相控电源调节、失超保护、加热电源闪络，功率冲击可达 100Mvar，会威胁到聚变装置和电网的安全稳定运行。1）相控电源调节：ITER 电源系统 中包含大量基于相控晶闸管技术的变流器，其无功功率与触发角密切相关，在等离子体控 制的不同阶段，部分电源直流侧电压变化巨大，触发角波动剧烈，引发无功功率的剧烈波 动。例如 ITER 系统中最大的单套电源容量为 80MVA，考虑实际运行的容量要求，在 10ms 内无功功率变化最大可达 100Mvar；2）失超保护下甩负荷：当系统出现诸如失超等严重 故障时，为保护超导磁体线圈的安全，会进行甩负荷操作，即相控整流器需要在数毫秒内 关断，极端情况下，无功功率将在 5ms 内从 100Mvar 变化到 0；3）加热电源的调制及闪 络：1MV 的高压电源直流侧会出现不可预期的闪络，导致系统无功功率在 5ms 内变化幅值 可达 40Mvar。

为了降低无功功率对电网、聚变装置的冲击影响，ITER 电源系统需要安装大功率无功补 偿装置。

2.4 辅助加热电源：PSM、HVPS 是辅助加热装置电源的理想选择

托卡马克欧姆加热最高仅能达 0.3 亿度，需要辅助加热系统联合加热至 1 亿度。托卡马 克启动加热为中心螺管提供，但不能达到聚变条件：1）磁通时间有限：中性螺线管提供 的磁通有限，等离子体感应电流维持时间有限，不能实现稳态运行（稳态运行要求非感应 电流份额为 100%）；2）加热温度低：随着加热温度升高，等离子体电阻降低，导致欧姆加 热效果持续下降，最高只能加热到 0.2 亿-0.3 亿度（D-T 反应需要温度 1 亿度以上）。辅 助加热系统可以提供非感应电流加热，帮助等离子体温度达到聚变反应温度条件。

辅助加热系统要求电源大容量、高电压、快速响应&保护时间短、释放能量小：大容量、高电压：ITER 聚变装置离子回旋加热系统（ICRH）、电子回旋加热系统（ECRH） 以及低杂波加热系统（LHCD）所需电压 26-100kV，中性束加热系统（NBI）需要电压 为 1MV 级，所需电源功率达几十兆瓦到上百兆瓦。 快速响应&保护时间短：微波源、离子源对电压敏感，要求电压快速可调，且易受故 障导致能量冲击损坏，加热电源需要满足保护时间短（微秒级）； 释放能量小：电路发生故障保护时，电源对关键部件释放的能量需非常小（约几个焦 耳）。

脉冲阶梯调制电源（PSM）、逆变型高压电源（HVPS）能分别满足 100kV 及以下、MV 级别辅 助电源的需求。根据《托卡马克辅助加热系统高压电源若干关键技术研究》，PSM 单个模块 输出电压在 1KV 左右，若总输出电压很高，如高达 1MW 时，需要的模块数过多；HVPS 只 需要提高变压器二次侧额定电压就可获得高电压输出，更适用于几百千伏至兆伏电压需求。

主流托卡马克装置中，PSM 主要给射频加热系统（ICRH、ECRH、LHCD）供电，HVPS 主要给 NBI 系统供电。根据《托卡马克辅助加热系统高压电源若干关键技术研究》等，PSM 用于 ITER 装置 ICRH、ECRH、LHCD 供电，以及 TCV、HL-2A、HL-3 的电子回旋加热系统供电； HVPS 用于 ITER、JET-60U、DEMO、CRAFT 装置的中性束注入加热系统供电。

三、FRC、Z 箍缩路线电源价值量占比高，关注核心环节快控开关和电容

3.1 场反位形 FRC 装置进展迅速，关注开关和电容机遇

3.1.1 场反位形 FRC 装置简单、成本低，有望率先开启商业化

场反位形（FRC）是一种磁/磁惯性约束聚变技术，物理结构为直线型。场反位形（FRC） 结构为直线形，原理为装置两端形成 FRC 等离子体，并通过线圈时序通电构造出阶梯状磁 场分布，驱动等离子体向中心运输碰撞，最后通过磁压缩（磁惯性约束）或中性束注入（磁 约束）达成聚变反应。

FRC 无需外部加热源和环向磁场、装置简单，造价成本低和运行成本低，有望率先实现商 业化。1）无需外部加热源：场反位形（FRC）是通过碰撞加磁压缩或碰撞加中性束注入达 到聚变温度条件，无需像托卡马克一样匹配离子回旋、电子回旋、低杂波加热等辅助加热 系统；2）无需环向磁场：FRC 等离子体可自行产生磁约束场，无需像托卡马克一样的庞大 环向磁场线圈，装置建造成本和运行难度有望降低；3）结构简洁紧凑：FRC 装置为直线型 装置，相对托卡马克，构造简单、紧凑，整体装置体积和成本都能有效降低。

场反位形 FRC 装置有望率先实现商业化供电。托卡马克方面，美国 CFS 公司进展较为领 先，预计 2027 年验证 Q>1,预计 2030 年开始向谷歌商业化供电；中国 BEST 预计 27 年建 成、CFEDR（工程示范堆）预计 2035 年建成。场反位形 FRC 方面，美国 Helion、TAE 预计 分别 2028 年向微软供电 50MW、2030 年代初推出原型电站，国内星能玄光规划 2035 年建 成 200MW 聚变电站。FRC 商业化规划时间相对领先。

3.1.2 电源系统为 FRC 装置最核心的系统之一，关注快控开关和电容环节

FRC 装置聚变反应流程包括等离子体形成、加速、压缩聚变三个步骤。1）等离子形成：在 装置两端通过电离气体产生等离子体；2）等离子体加速：依靠多个线圈时序通电，将等 离子体从两端加速至 100 万英里/小时的速度，并在装置中心对撞；3）等离子体压缩：装 置中间段在发生等离子碰撞时，会加强磁场（Helion Trenta 达 8T）进一步压缩等离子达 到聚变条件。

相对托卡马克装置，FRC 装置磁体价值量占比降低，电源系统价值量占比有望大幅提升。 1）FRC 磁体价值量占比降低：场反位形 FRC 磁场不需要类似托卡马克维持较长的约束时 间，仅为 9*10-7 s，所以 FRC 装置往往仅需铜导线磁体；其次 FRC 装置没有布置环向磁场 线圈，装置磁体用量有望降低。场反位形 FRC 装置磁体价值量占比有望降低。 2）FRC 电源系统价值量占比有望提升：场反位形 FRC 装置要求电压为 40kV、电流为 100kA、 响应时间为纳秒级别、充放电时间为几十微秒级，相对托卡马克要求均有提升，电源板块 价值量占比有望提升。

FRC 电源主要由电容、开关、传输线组成，脉冲电容和开关壁垒高。FRC 电源主要分为三 部分，分别为储能脉冲电容、开关、传输线，其中脉冲电容、开关壁垒较高。1）脉冲电 容：FRC 电容需要耐高压（高达 40kV）、储能高（高达 80kJ）、耐大电流（数十 kA）；2） 开关：FRC 装置脉冲频率为每分钟数十次，商业化发电后开关寿命要求将提升；其次 FRC 需要电容脉冲快速放电功能，对应的高压开关需要承担几十 kV 和数十 kA 的电流冲击。引 燃管、闸流管等开关具备脉冲峰值电流达上百 kA，耐压达数十 kV，具有低电感、短的击 穿时间延时、稳定操作以及低电极腐蚀的优势，能基本满足 FRC 装置开关对高电压、大电 流需求。 电容和开关的要求较高，且为核心充放电器件，或为价值量占比较高环节，FRC 装置批量 建设有望带来脉冲电容和开关订单批量释放。

3.2 Z 箍缩：驱动器价值量占比达 50%，脉冲电容和开关为核心组件

Z 箍缩装置原理为依靠等离子体大电流产生向心磁场箍缩力，使等离子体压缩达聚变条件。 根据 Zap Energy 官网，Z 箍缩装置通过在千分之一秒内完成 4 个流程实现聚变：1）电离：一组电容释放的大电流使气体电离为等离子体；2）加速：电磁力驱动等离子体向下加速 移动；3）箍缩：等离子体到达电极末端，z 向电流产生的磁场将等离子体向内推；4）聚 变：等离子体被箍缩至聚变所需温度，产生聚变反应。

Z 箍缩装置无需超导磁体、紧凑设计成本低，但对耐大电流、电极耐久性要求高。无需超导磁体：不同于托卡马克这类磁约束聚变装置需要大型、昂贵的超导磁体来约 束等离子体。海外领先厂商 ZAP Energy 的 Z 箍缩使用自生成的磁场，显著降低资本 成本并简化反应堆设计。 成本优势：Z 箍缩反应堆尺寸远小于托卡马克或激光系统，这种紧凑性设计的成本比 传统路线所需的资金少了几个数量级，这将会在成本上体现巨大优势。 高等离子体温度：2024 年 4 月，ZAP Energy 的 FuZE 设备实现了 1–3keV（1100 万– 3700 万°C）的等离子体电子温度，标志着该设备成为达到此类条件的最简单、最小 且成本最低的设备。 核心挑战：1）更大的电流：体积缩小后，等离子体积限制了能量输出，需要更高的 电流提升能量增益；2）电极耐久性：高电流可能导致电极熔化或侵蚀，需要坚固的 材料或设计；3）等离子体稳定性：在更高能量水平下维持剪切流稳定，是商业化的 必备条件。

美国 Z 箍缩聚变进展领先，先觉聚能为国内 Z 箍缩路线先行者。美国私营公司 ZAP Energy 已经建成世界首个 100kW 的重复 Z 箍缩系统，目前已实现每 10 秒发射一次等离子体脉冲， 持续运行超 2 个小时，预计 2030 年代初建造首座商业发电厂。国内彭先觉院士主导 Z 箍 缩聚变裂变混合堆，预计 2030 年前验证 Q>1,2040 年进行发电演示后进入商业化推广。

Z 箍缩驱动器要求大电流、脉冲频率高、寿命长，对电容、开关要求高。根据《中国脉冲 功率科技进展简述》，LTD 驱动器是 Z 箍缩装置产生脉冲大电流的核心部件，主要由电容、 开关组成。对电容、开关要求更高，核心参数要求包括脉冲频率高（0.1Hz）、脉冲电流大 （数十 MA 级）、电流上升沿（百纳秒级）、储能大（百兆焦耳）。

Z 箍缩聚变裂变混合堆中 60MA-70MA 级驱动器价值量占比约为 33%（不算裂变的次临界反 应堆，占比达 50%），电容、开关或为主要价值量环节。根据《Z-箍缩驱动聚变-裂变混合 能源堆总体概念研究》，Z-FFR 建造成本中 60-70MA 级驱动器价值量、次临界反应堆占比 约为 33%、33%。其中 Z 箍缩 LTD 驱动器主要由脉冲电容、开关组成，看好先觉聚能建设 推进，带动脉冲电容、开关订单释放。

编辑：火腿肠