2025年机械行业专题报告：磁约束及惯性约束聚变装置电源拆解及成本构成

1.托卡马克价值量拆分及ITER的电源构成

托卡马克价值量拆分

在试验堆ITER中，磁体占比28%、堆内构件、真空室等主要结构件占比25%，其他辅机占比33%，建筑占比14%。 在DEMO堆中，由于加入了燃料以及更多辅助设备系统，磁体在总成本占比约12%，堆内构件、真空室占比17%，加热和电流驱动、低温和冷却系 统、仪表监测与控制、电力供应、其他辅机合计占比31%，辅助设备系统占比25%。

ITER供电系统：分为PPEN、SSEN，我国承担PPEN所有设备及材料的制造、试验和供给

供电系统的构成：ITER的供电采用法国电网400kV双进线配电66kV和22kV方式高压变电站的方式，分为脉冲功率电网（PPEN）和稳态功率电网 （SSEN）两部分。PPEN供给各类脉冲整流电源运行所需的脉冲功率，SSEN为稳态运行子系统及各类常规配电提供稳态功率。

分工：PPEN（及SSEN）的设计及未来安装由欧盟方（EUDA）承担；中国国际核聚变能源计划执行中心（CNDA）承担PPEN所有设备及材料的制造、 试验和供给，并负责证明各设备的制造参数、性能能够符合EUDA设计和ITER的要求，且需在未来欧盟安装、现场试验和调试中提供相应的技术 支持和配合。美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）则承担SSEN所有设备及材料的制造、试验和供给，并负责证明各设备的制造参数、性 能能够符合EUDA设计和ITER的要求，且需在未来欧盟安装、现场试验和调试中提供相应的技术支持和配合。

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所受CNDA授权对PPEN项目的所有技术活动负责，协助CNDA协调和管理各设备供应商的技术活 动，并协助CNDA处理与IO及EUDA等国际组织的项目协调。

2.磁体电源

由于超导材料具有零电阻特性，导通电流下的能量损耗极低，可以作为一种有效的储能装置，且能够流通相较于常规导体高达十几倍以上 的电流，并相应地产生十几倍以上的磁场。 在ITER托卡马克聚变装置中，等离子体电流15MA，温度达到数亿度，故采用了超导磁体作为产生高强磁场的线圈，其对应电源系统需要快 速控制等离子体的不同位置与形状，并保证等离子体不接触器壁。 ITER托卡马克聚变装置，主要由18个环向场线圈TF、6个极向场线圈PF、6个独立绕包模块的中心螺管线圈CS组成，此外还包括部分校正线 圈CCS等。

3.辅助加热电源

辅助加热电源：欧姆加热、辅助加热

电磁感应原理：1）当高频交流电流通过线圈时，线圈周围会产生交变磁场，并产生磁通量。 2）然后工作线圈的磁场在工件中产生感应电动势，从而导致涡流流过工件。 3）电流流动期间，会有相反的力（即有限的电阻），这会导致能量以热量的形式通过材料耗散，即焦耳效应。

【欧姆加热】在托卡马克装置中，环向磁场线圈产生环形磁场的同时，欧姆线圈中的电流逐渐增大，其产生的磁场也随之增强，变化的磁场产生了环向电场。真空室中 的工作气体被电场击穿电离，产生等离子体，并在环向电场的驱动下形成环形等离子体电流。跟电阻中流过电流会发热一样，电磁场的能量会透过电流的热效应传递给 等离子体使其温度逐渐升高（欧姆放电）。托卡马克中心螺线管能够通过电磁感应使气体击穿形成等离子体，并对其进行加热，这种加热方式被称为托卡马克的欧姆加 热。 欧姆加热一般可以将等离子体加热至1keV量级，但是氘氚聚变反应实现点火需要将等离子加热到10keV量级以上，即仅依靠欧姆加热无法实现托卡马克等离子体的自持 燃烧，并且受加热场电源容量、中心螺线管通流能力及铁芯磁通密度限制，欧姆加热无法实现稳态运行，只能工作于脉冲方式。因此需要通过辅助加热手段进一步提高 等离子体温度， 并且持续向等离子体输送能量。

【辅助加热】是托卡马克装置实现等离子自持燃烧的必要手段，各种辅助加热方式均需要高压直流电源为其关键部件供电。 辅助加热系统要求其高压电源具有电压高、容量大、精度高、纹波系数小、响应迅速等特点，电源性能对辅助加热系统的稳定可靠运行影响极大，因此对辅助加热系统 特种高压电源技术开展研究具有重要意义。 辅助加热系统高压电源技术主要有两种：脉冲阶梯调制（PSM）电源技术、逆变型高压(HVPS)电源技术（隔离型直流升压变化，逆变—升压—整流）。二者的相同点在 于，都需要采用模块化方式，由多级低电压的直流电源串联以获得更高电压输出，不同点在于，HVPS模块因为引入全控整流及逆变电路，控制更复杂，全控型开关使用 大增，系统成本更高，可靠性相对更低。

辅助加热电源：ITER的3种射频波系统+负离子中性束注入系统

以ITER为例，该装置共需建设3种射频波系统及负离子中性束注入系统为等离子体提供能量。 【射频波加热】主要原理是通过高能电磁波与等离子体中的离子或电子产生共振，根据共振频率及主要作用对象的不同分为离子回旋(IC)加热、电子回旋(EC)加热、低混 杂波(LH)加热。每种射频加热系统向等离子体输送功率将达到20MW，而要求其高压电源的功率达到50MW。PSM电源需要大量低压直流电源模块串联以获得高压输出。 1)离子（IC)回旋加热:需要两级高压电源，其输出电压最高值分别为18kV及27kV，最大电流分别为20A及170A，负载短路时电源向其输送的能量不大于10J; 2)低混杂波(LH)加热:要求电源主高压为90kV,最大电流90A,负载短路时电源向其输送的能量不大于10J。 3)电子(EC)回旋加热:要求电源主高压达到55kV，最大电流80A，负载短路时电源向其输送的能量不大于10J; 【中性束注入系统】辅助加热手段中效率最高的一种，其方法为向等离子体注入高能中性粒子，通过粒子在等离子体中电离及碰撞对本底等离子体进行加热。 总输出功率约为150MW，要求其加速极电源最高输出电压达到1000kV，最大输出电流大于60A，负载短路输送能量小于等于50J。

辅助加热电源的特征

各种辅助加热系统运行时，为提高加热系统运行的灵活性、效率及安全性等，对高压电源性能有着严苛的要求: 范围：辅助加热的输出功率与电压大小直接相关，为能够改变加热功率进行试验，高压电源输出电压需要大范围可调; 精度：辅助加热系统的输出效率对电源电压的精度及稳定性等非常敏感，因此要求其高压电源的输出电压精度很高，而输出纹波很 小; 安全：辅助加热设备通常相当昂贵，且极易发生打火故障，因此对电源关断时间及负载短路后电源向其的输送的能量有着严格限制。 中性束加热的功率与粒子束的能量密切相关，由离子源产生的离子通过加速极的高压静电场将离子加速，再经过中性化即可获得高能 中性粒子。 中性束的粒子能量与加速极电压高低成正比关系，中性束注入系统加速极的电压越高则可以获得越大的加热功率。由于受离子中性化 效率的影响，采用正离子源的中性束注入系统，其加速极电压约为及时千伏到百千伏量级; 为获得更高的中性束功率，未来聚变装置将采用中性化效率更高负离子源中性束注入(N-NBI)，需要几百千伏至兆伏量级的特高压电源 为加速极供电，其负载电流为数十安培。

4.无功补偿及滤波系统

对中大型非超异装置都使用交流飞轮发电机组提供交流电源，而为了提高托卡马克装置的磁场幅值，超导线圈大量使用，对于超导装置，都直接使用电网供 电，使用闸管变流器将电网大的交流功率转换为直流输送给负载。它产生谐波对电网供电质量有一定的影响，甚至直接拉低电网电压，使上级开关跳闸。通 常的补救方法是建设大容量的无功补偿设备。 等离子体所为ITER建立的80Mvar无功补偿设备。2011年4月27日中方与ITER组织签署的ITER无功补偿及滤波系统采购安排协议。中方承担3套相同的额定容量 250Mvar、额定电压66kV、额定频率50Hz的无功补偿及滤波系统的设计、制造、测试，以及现场验收测试任。 由于电力变压器输配电以及为磁体线圈供电的整流器等会产生大量谐波，无功补偿和谐波抑制系统可对等离子体放电过程中磁体电源及辅助加热电源产生的 无功和谐波进行有效的补偿和抑制，使电网免受其冲击，稳定电网电压。ITER装置的动态负载需要750MVR的大容量的可靠无功补偿和谐波抑制系统，是目前 世界上运行电压最高，装机容量最大的无功补偿和谐波抑制系统。

5.脉冲高压变电设备

脉冲高压变电设备（电网、配电环节）

ITER装置交流电源供电系统是由一个巨大容量的双回路400kV电网组成，系统短路容量为12GVA，最终将达到27GVA。 脉冲高压变电站设备采购包括400kV高压配电站的全部设备，包括400kV和66kV等级相应的主变压器，高压开关，高压互感器，高压 电缆，保护与集成及部分22kV开关成套设备，将双回路400kV电压通过三组300MVA变压器变到66 kV，并通过母线供给各类负荷。其中 400kV、66kV和22 kV等级高压开关均采用SF6技术。由于该变电站设备电压等级和我国通用产品不同，需要专门设计和研制，并要符合 法国电网标准。为了满足ITER电源系统国内采购包的测试需要，2011年等离子体物理研究所将所内双回路110 kV高压变电站容量从81 MVA升级为340 MVA，并建立了获得CNAS认证的交、直流测试平台，可提供如表3所示实验能力，该测试平台在为ITER电源相关设备测试之外，还可以满 足日益发展的中国电气工业产品测试需求，为国民经济发展做出贡献。

6. z箍缩混合堆及惯性约束中电源占比

混合堆的概念

混合核聚变-裂变（混合核能）：是一种利用核聚变和裂变过程相结合来生产核燃料及发电的方法。 混合堆的核心思想在于使用D-T聚变反应堆产生的高能中子来激发铀-238、钍-232等这类非易裂变材料（也称作可裂变材料）的裂变。每个中 子能触发多次裂变事件，从而将每个聚变反应释放的能量放大几十到一百倍。混合堆的概念实际上可以降低对聚变功率的要求。这就降低了第 一壁的高能中子负载,极大减轻了对材料的要求。此外，因为所用的裂变材料本身热中子区不可维持链式反应，故这种裂变在热堆不会自发临 界。 这种设计不仅提高了核聚变的经济性，还能处理那些不适合传统裂变反应堆使用的燃料，包括核废料。 目前，我国的混合堆主要有“星火一号”，以及先觉聚能的Z箍缩混合堆，二者正在前期准备工作阶段。从反应原理来看，都是聚变-裂变混合 堆，最终由裂变发电，不同点在于，前者的聚变使用托卡马克磁约束路线，后者的聚变使用Z箍缩惯性约束路线。

混合堆的成本构成

Z箍缩聚变-裂变混合能：涉及的关键技术主要包括高产额聚变靶设计技术、重复频率大电流驱动器设计技术、次临界能源堆设计技术、换靶机 构和爆室设计技术。其中以前三项最为关键,涉及技术路线的选择、工程实现的可能性、经济性等诸多问题,第四方面更多涉及工程问题。 Z-FFR主要包括60-70MA级驱动器、次临界能源堆、靶和负载工厂、氚工厂和燃料循环几大系统组成,各系统建造成本及总造价估算见下表。 Z-FFR的优势：1）经济性优势明显：比快堆便宜、安全、且后续运行费用较少;比热堆稍贵但能成为千年能源并具有多项优点;比纯聚变堆经济 性更高,技术难度大为减小,且安全性与环境友好性可以比拟。 此外，Z-FFR运行时物质消耗量小、废料少(每年仅消耗1t天然铀、产生约1t废料）,处理废料消耗的资源少;此外可以看出，Z箍缩混合堆种驱 动器部分成本占比较大，接近1/3，对电源的需求量要大于磁约束路线的托卡马克装置。 快堆建造成本主要由大量的初始钚装料和燃料元件的制造成本构成，而热堆尚未考虑乏燃料和废料处理成本。 (1)关键技术攻关阶段:建成30~40MA级驱动器,重点开展Z箍缩驱动聚变点火研究,以及利用该装置研究次临界裂变堆模块设计氚循环,同时亦可 作为高能量密度物理实验平台; (2)技术集成和功能演示(DEMO堆)阶段:建成可用作能源应用的60MA级驱动器,开展Z箍缩驱动聚变能源相关技术 研究,完善各项工程技术问题; (3)应用阶段:进行工业应用演示。

报告节选：

编辑：火腿肠