2025年机械设备行业深度报告：可控核聚变关键技术路径——仿星器，适合稳定长时间运行的磁约束装置

1.仿星器的原理及其与托卡马克对比

仿星器的原理

仿星器与托卡马克：长期以来，仿星器因其极为复杂的结构设计和磁体设计，发展进程落后于托卡马克。而随着高性能计算、先进模拟技术、 数字孪生、人工智能、增材制造等新技术的愈发成熟以及在仿星器设计方面的应用深入，仿星器发展显著加速。 共同点：两者都通过创建一个环形几何结构、形成带有封闭磁场的系统，限制等离子体的运动范围，使等离子体沿着这些场线无休止地循环。 不同点：托卡马克的极向场通过真空室内等离子电流自身产生磁场（电流难维持，并需要外界一直注入粒子、注入波），而仿星器通过磁场 的三维结构，把原来需要电流的部分抵消掉。等离子体运动过程中，部分发生漂移和逃逸，等离子体不同方向漂移还会导致电荷分离，并产 生电场、阻止等离子体正常运动。为解决这一问题，研究人员通过改变磁场的几何结构，将磁场线沿环面向极方向扭曲，形成磁面，即“场 线旋转变换”，从而等离子体的运动限制在磁面内。产生场线旋转变换的方法是托卡马克和仿星器设计的主要区别。

仿星器 vs 托卡马克：等离子体稳定性

背景：托卡马克的极向场通过真空室内等离子电流自身产生磁场（大电流难维持，并需要外界一直注入粒子、注入波），而仿 星器通过磁场的三维结构，把原来需要电流的部分抵消掉了。 【等离子体破裂】是指托卡马克或其他磁约束装置中的高温等离子体突然失去约束，导致等离子体电流和能量在毫秒级时 间内崩溃的现象。等离子能源失去约束，会在ms时间内冷却到1keV以下，进而被腔壁材料和腐蚀污染，导致等离子电阻显著 增加和极快的电流淬灭，进而导致真空室、堆内构件产生电磁负载，并使这些原件产生巨大的机械负载。无论是常规还是先 进托卡马克，由于存在各种磁流体力学（MHD）不稳定性，等离子破裂现象严重而频繁。 仿星器中的磁场全部由外部线圈产生。由于没有驱动等离子电流的外部设计，因而不存在等离子的破裂，对于维持环向等离 子体的连续性稳定性更容易，因此仿星器从开机开始，等离子就是稳定的。

仿星器 & 托卡马克：磁体结构

背景：长期以来，仿星器并没有作为聚变堆技术路线的首选，主要原因有两个：一是传统仿星器磁场的波纹度比托卡马克大，导致其新经典输 运水平和高能粒子损失水平高于托卡马克。二是仿星器需要三维结构的线圈，结构复杂，制造难度大、成本高。 【磁体结构简化】W7一X的超导线圈系统包括50个模块化线圈和20个平面线圈，模块化线圈提供了约束等离子体的主要磁场（装置由5段完全一 样的模块组成），而平面线圈主要用于调整等离子体位型。所有的超导线圈都由NbTi导体材料制成，运行在4K温度。磁场强度3T，这种模块化 线圈结构设计使得等离子体可以实现稳态运行。 此外，科研人员还发现，可以引入永磁体来简化仿星器的线圈。引入永磁体后，仿星器可采用和托卡马克一样的平面线圈，从而极大降低建造 的难度和成本。由于主要的环向磁场还是由线圈来产生，永磁体仅仅用来补偿等离子体表面的法向磁场，产生旋转变换，因此并不需要永磁体 产生很强的磁场。而且，永磁体不耗能、成本低、天然稳态，且采用永磁体的仿星器产生的磁场位型，其精度远高于仅采用线圈的仿星器。这 为建造精确准对称的低成本先进仿星器实验装置，提供了一个难得的时机。 相比于当前仿星器采用的极为复杂的三维扭曲线圈，可批量制造的标准化磁体块以及简单线圈的低生产成本和低工程难度对仿星器的设计，建 造，维护具有十分重要且深远的意义。将永磁体和准对称位形结合起来的先进仿星器，很有可能成为极具竞争力的低成本稳态磁约束聚变实验 装置。这也是我国提升仿星器研究水平的重要契机。

仿星器 & 托卡马克：成本构成

【仿星器的成本构成】：根据IPP数据，螺旋先进仿星器（Helias)的成本构成大致与托卡马克相似，但不同的是，仿星器的包层模块、磁体分别为 10%、29%，高于二者在托卡马克中8%、25%的占比，而其余设备占比相对减少。此外，由于仿星器具有稳态磁场，系统的再循环功率预计也会降低。 从绝对投资额来看，据IPP数据，从1995年到2021年12月达到最终配置，W7-X投资成本达到4.6亿欧元，如果考虑研究院所在地的成本（建筑、人员、 材料、运营成本），总投资额约为14.4亿欧元。 总体上看，仿星器作为托卡马克的兄弟技术路线，二者建造成本基本相当。 此外，近年来，高温超导材料产能逐渐扩大，价格也有所下降，但高温超导基于其陶瓷性能，应力达到20T后容易失超（即超导体因某种原因突然 失去超导特性而进入正常态的过程）。对托卡马克而言，磁场要变化，感应出等离子体电流，变化过程中产生交流损耗，很容易失超。而仿星器没 有这个问题，磁场是稳态的，此外，随着磁场强度提高，装置体积也会大幅缩小，从而降低建造成本，因此，高温超导天然适合仿星器。未来仿星 器的降本，一定程度上取决于超导磁体的技术成熟度和价格变化。

2.仿星器的发展历程及分类

仿星器的发展历程

【阶段一：1950年代达到小高潮后，1960年代受限于成本、加工难度逐渐淡出舞台】

仿星器诞生于上世纪50年代，发展于上世纪80年代。仿星器的概念是美国天体物理学家斯必泽提出。1951年，他提出通过类似8字形的螺线 管产生有别于传统环形磁场的磁力线，通过在8字弯曲处实现等离子向上、向下漂移的抵消，达到等离子的约束目的。1953年第一个8字型仿 星器Model-A诞生，而后立刻被证实相对于传统的环形约束，8字形装置在等离子约束性能上有更好的效果。

随后，美国Model-B系列(B1,B2,B3),日本Heliontron(1959)，德国Wendelstein-A(1960)等仿星器先后诞生，达到仿星器研究的第一个小高 潮。1971年，国内也组装了“凌云”仿星器。但当时由于国内在理论模拟上，受限于仿星器复杂的磁场结构，没有与之匹配的计算能力，加 之仿星器线圈的加工过于精密，当时工业制造能力匮乏，“凌云”仿星器停止了调试。

在当时，仿星器相比托卡马克而言，无论在建造、设计、维护、运行成本均大于托卡马克。尤其是当时所产生的实验参数始终低于同一时期 的托卡马克。1968年苏联T3托卡马克成功实现了1KeV电子温度并成功通过了英国科学家验证，美国原本 Model-C 系列仿星器更是直接改造 为了托卡马克，冷战两个阵营的领袖国纷纷明确聚变发展方向为托卡马克的同时，仿星器的研究慢慢落入了第一个低谷。

【阶段二：70年代后，螺旋器、扭曲器产生】

70年代后，随着仿星器理论发展，及计算机运行能力提高、工业制造能力提升，螺旋器（Helical Axis Device)、扭曲器（Torsatan)产生。 相较于老式仿星器，螺旋器、扭曲器的新式线圈系统得到了极大简化。

扭曲器：其将原有经典仿星器上的环向场线圈与螺旋场线圈耦合成为新的“螺旋场线圈”，通过上述处理方式直接减少了一类线圈的使用， 这极大的简化了线圈的设计成本和实验后的维护成本。

螺旋器：相比较于经典仿星器螺旋器的特点在于，环向场线圈的中心不再排列在同一平面的圆周上，而是排列在一个螺旋线条上，其代表装 置为澳大利亚的H-1 仿星器和西班牙的TJ-II仿星器。螺旋器中的代表即为日本国家核融合科学研究所 1998 年开始运行的大螺旋装置（LHD， large Helical Device）。LHD 作为一个稳态超导线圈的仿星器其大半径为3.75m小半径为0.6m，共可产生3T磁场。

【阶段三：德国仿星器W7-X的诞生】

与此同时，以德国为代表多国并未放弃对仿星器的研究，在之前的研究基础上W7-A于1980年成功达到1KeV的离子温度的佳绩。在W7-A成果的 基础上，马克普朗克物理研究所于1982年开始着手W7-AS的建造，并经过30年的持续研究与优化，现阶段全球最大仿星器W7-X于2015年成功 放电。它的大半径R=5.9m，小半径 r=0.53m，等离子体总体积是30m3。

与一般的托卡马克装置和螺旋器相比，W7-X 的线圈基本结构与组件非常复杂，其线圈系统由50个模块化线圈和20个平面线圈总计70个线圈 组成，作为当代制造业结晶之一，其线圈制造误差控制在1mm以内，线圈最大安装误差小于4.4mm，产生了最终磁场精度与设计误差达到十万 分之一的最终结果。

由于扭曲器、螺旋器、模块化仿星器都没有环向等离子体电流的特点，所以都归类统称为仿星器。目前，德国的W7-X、日本的LHD装置是世 界上最大的两个仿星器，其他各种大小的仿星器分布在世界各地。

3.仿星器的构成及全球主流仿星器路线

仿星器的构成：磁面、磁轴、磁岛、磁井

仿星器环向和极向这两部分磁场完全由外部线圈供电提供。在磁约束核聚变装置中，等离子体中带电粒子的运动表现为绕磁力线的螺旋运动和偏离磁力线的漂移运 动。为了克服因漂移所产生的粒子损失，等离子体内的磁力线务必被构造成一种螺旋磁力线形式，这使得带电粒子绕磁力线运动过程中，时而在等离子体内测，时 而在等离子体外侧。这样，沿着环向螺旋前进的磁力线绕过无穷多圈（有理面除外）后就形成了磁面。如果追踪仿星器等离子体中的每条磁力线，选定某个环向角 的极向截面，得到一系列磁力线与该极向截面的焦点，可得到磁场在极向截面上的庞加莱图。庞加莱图中一圈圈由离散点组成的闭环，反映出等离子体中的磁面形 态，其中，中心的一点即为磁轴。 磁岛：是指在非理想等离子体中，靠得较近的平行反向磁场间可能存在闭合磁力线结构。作为磁约束装置中的一种拓扑不稳定性，其主要出现的位置位于有理面附 近。磁岛可通过多种磁扰动或磁流体不稳定性产生，最知名的莫过于由于撕裂膜导致的磁重联所产生的磁岛，其后果是撕裂膜磁岛提升了径向等离子体输运导致大 破裂。在2025年完工的ITER项目中新经典撕裂膜也是最危险的磁流体现象之一。 通过螺旋的磁力线产生旋转变换保障了等离子体中的带电粒子在有效的约束时间内按既定的路线绕磁力线进行螺旋运动，为了衡量仿星器中磁力线的扭曲程度，我 们常用在托卡马克中用到的安全因子的倒数来表示旋转变换，旋转变换范围越大，磁场位形越丰富。磁剪切是衡量旋转变换在径向上变化幅度的参数，具体可通过 旋转变换在径向上的变化斜率来反映 磁井:是影响等离子体稳定性的另一个参数。其数值常用等离子体的比容(U)来表示，其值为对应磁面对应体积(V)与所在磁面的环向磁通的比值。 磁井最大深度一般为磁轴和等离子体边界处的等离子体比容的差值,与磁轴处的等离子体比容之比值，反应了等离子体比容变化量相较于磁轴处等离子体体积的比 值大小。在通常表述中，常将磁井相对深度简称为磁井。一般磁井值越大越好。

仿星器的构成：螺旋器代表：日本大型螺旋装置（LHD）

【螺旋仿星器LHD】日本国立聚变科学研究所（NIFS）的大型螺旋装置（Large Helical Device，LHD）于1998年投入运行. 大半径为3.9米，小半径为0.6米，中心磁场强度3T，等离子体体积30立方米，是目前仅次于德国Wendelstein 7-X的世界 第二大超导仿星器。在扭曲器的基础上增加极向场线圈提供垂直场，也可以加入环向场线圈来调节磁面的波纹度. LHD使用了中性束注入（NBI）、离子回旋射频（ICRF）和电子回旋共振加热（ECRH）3种加热技术，总加热功率达到36MW。 LHD取得了许多成果，包括在高能量粒子的约束性能方面的实验验证、探索能量传输机制、验证控制技术和排气系统设计 等。

4.仿星器的投融资情况

全球核聚变布局技术路径统计

从FIA 2024年统计数据来看，全球44家私营企业中，23家布局磁约束路线，其中，8家布局仿星器路线，仿星器也是当前创业企业选择最多的 技术路线。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）