2025年电力行业投资策略：可控核聚变技术百花齐放，终极能源梦想照进现实

1、 可控核聚变技术路线多元化发展，公共资金和私营资本踊 跃入局

1.1、 可控核聚变技术路线多样，商业化落地渐行渐近

核聚变反应指的是两个较轻的原子核碰撞融合合并形成一个较重的原子核的过 程，核聚变反应过程中会损失一部分质量，根据质能方程 E=Δmc2，反应会释放大 量能量。实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和 一定的等离子体约束时间。其中，温度是微观粒子动能的宏观表现，1keV 大约对应 1.16×10⁷K，实现聚变反应首先需要将反应物加热至极高温度达到电离状态，使原子 核与电子分离，形成等离子体，并且粒子须具备足够的动能以克服库仑势垒发生融 合。磁约束聚变装置中氘氚反应要求粒子动能/等离子体温度达到 10keV/108K 数量级； 更高的等离子体密度以增加发生碰撞的可能性；更长的约束时间将具有膨胀倾向的 等离子体保持在限定的体积内，为反应发生创造条件。劳逊判据（Lawson Criterion） 是判断受控核聚变能否实现能量净输出的阈值条件，等离子体温度、密度、约束时 间三者的乘积称为聚变三乘积，磁约束聚变装置中，氘-氚聚变要实现功率输出需将 三乘积提高到 1021keV·s·m⁻³数量级。聚变不排放温室气体，能够提供基荷电力，没 有融毁和核扩散的风险，也无需处理大量长寿命放射性废物，是较为理想的能源。

在可控核聚变研究中，常见的聚变反应有氘-氚反应、氘-氘反应、氘-氦 3 反应、 氢-硼 11 反应四种。 D-T（氘-氚反应）：反应产生一个氦 4 原子核（α粒子）和一个中子，氘-氚反 应在相对较低的温度下就能发生，且释放的能量较高，是目前具备科学可行性的反 应，也是目前磁约束聚变堆的主要方向。但反应产生的大部分能量（约 80%）由中 子携带，中子不带电荷不受磁场约束，反应发生后高能中子会脱离等离子体并直接 撞向反应容器内壁，反应容器面临较强的中子辐射，反应自持燃烧难度较大，并且 同位素氚是放射性元素，半衰期仅 12 年，在反应堆实现氚增殖之前获取成本较高。 D-D（氘-氘反应）：反应 50%产生一个氚原子核和一个质子，50%产生一个氦 3 原子核和一个中子；氘-氘反应产生的中子携带较少能量，中子辐射问题相较于氘氚反应有所缓解，且同位素氘的获取相对简单；但对等离子体温度和密度要求较高。 D3He（氘-氦 3 反应）：反应不产生中子，不存在中子辐射问题；但氦 3 获取相 对困难，且反应点火温度要求较高。p11B（氢-硼 11 反应）：反应不直接释放中子，但对温度的要求较高。

全球核聚变的主要技术路线包括磁约束、惯性约束、磁-惯性混合约束、Z 箍缩 等其他前沿探索；目前实现核聚变的技术路径主要分为以下几类： 磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion, MCF）：利用强磁场束缚高温等离 子体，例如托卡马克（Tokamak）和仿星器（Stellarator）。磁约束原理是带电粒子在 磁场中运动形成封闭轨道，从而将上亿度的等离子体限制在真空容器中，避免高温 等离子接触容器壁。其优势在于物理基础成熟、稳态运行潜力大，但挑战在于装置 规模庞大且等离子体不稳定性（如托卡马克中的破裂）需主动控制。 惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）：利用强激光或粒子束在瞬 间压缩燃料靶丸，依靠燃料自身惯性维持超高密度和温度足够长时间以发生聚变。 惯性约束的优点是物理过程快（脉冲级别），不需要长时间稳定等离子体。缺点是能 量利用效率低（目前激光能量耦合效率仅约 1%，远低于商用所需的 10%～20%）， 且重复频率和靶丸制造供应环节面临较大的工程挑战。 磁-惯性约束聚变（Magneto-Inertial Fusion, MIF）：结合磁场和惯性双重约束机 制，典型如磁化靶聚变和脉冲磁约束等。这类方案在燃料被快速压缩前先施加磁场 预先约束或加热，以降低能量损失、提高效率。磁-惯性路径的优势是装置规模相对 较小、对超导磁体或巨型激光依赖较少，挑战在于需同步掌控磁场施加与快速压缩 的协调，以及机械系统的寿命。该方向近年来得到商业关注，多家初创公司以此为 基础探索实用反应堆。 箍缩聚变（Pinch Fusion）：通过强电流在等离子体内自生磁场实现瞬时压缩， 如 Z 箍缩（Z-pinch）方式。在 Z 箍缩中，几百万安培的电流通过等离子体柱，产生 环向磁场将等离子体猛然压向轴心。该方法历史悠久，装置简单且无需大型磁体或 激光，理论上装置可以非常紧凑，但经典 Z 箍缩易出现不稳定使等离子体过早瓦解。 其他新概念：此外还有一些较前沿或特殊的聚变机制，如μ子催化聚变、致密 等离子体聚焦、静电惯性约束等。这些方法在实验室尺度有所研究，但在能量产出 和可控制性方面远不及前述主流路线，目前主要停留在探索阶段。

聚变反应堆能量增益用因子 Q 表示，定义为聚变反应产生的能量输出与能量输 入之比。聚变反应输出的能量和引发聚变反应输入能量相等是科学意义上的能量“得 失相当”条件，QSci=1 为聚变反应堆科学可行性的门槛，Qsci与聚变反应输入能量吸 收效率 ηabs 和燃料增益 Qfuel 正相关。但由于能量转化和输入输出过程存在损耗，输 出电能与输入电能相等是工程意义上的能量“得失相当”条件，Qeng=1 为聚变工程 可行性的门槛，Qeng与能量输入输出过程中的电能转换效率ηE、ηelec以及Qsci正相关。

磁约束聚变装置需要较长时间将等离子体温度维持在点火温度，因此通常使用 点火温度最低的氘氚聚变反应。磁约束聚变装置 ηE约为 0.7、ηelec约为 0.4，实现电 能得失得当 Qeng=1 需要 Qsci=6。由于磁场仅对带电粒子有约束作用，反应产生的高 能中子会将 80%的能量带离等离子体，用于产生蒸汽推动汽轮机发电；而剩余 20% 的能量由α粒子携带停留在等离子体中，继续加热等离子体。因此，虽然氘-氚聚变 点火温度相对较低，但实现自持燃烧要求的增益因子较高，理想状态下磁约束氘氚 聚变装置 Qsci达到 5 可实现等离子体自持；考虑到反应堆的建设和运营成本，反应 堆在 Qsci=10 时有望达到经济平衡；在 Qsci＞30 时有望实现商业化发电。 部分直线型场反位形（FRC）装置能量输出过程绕过了“烧开水”环节，回收 聚变能的过程与电动汽车动能回收过程类似，将聚变产生的高能带电粒子携带的动 能以电磁感应的方式直接转换为电能；并且 FRC 装置不需要长时间将等离子体维持 在点火温度，因此通常使用点火温度较高但反应产物中带电粒子更多的氘氘聚变和 氘氦 3 反应。理论上，FRC 装置 ηelec 更高，实现 Qeng=1 所需的 Qsci更低。

当前在运的聚变装置中，较高的 Q 值（若无特殊说明，后文中 Q 值均指代 Qsci） 和三乘积记录基本由托卡马克和惯性约束聚变装置实现。左图中的红色轮廓表示在 磁约束聚变（MCF）实验中达到指定科学能量增益所需的条件，黑色曲线表示在惯 性约束聚变（ICF）实验中实现点火和燃烧所需的条件。磁约束聚变装置中，托卡马克已基本实现 Q=1；惯性约束装置中，美国国家点火装置（National Ignition Facility， NIF）在 2025 年第八次点火实验中实现 Q 值 4.13。但 NIF 所描述的 Q 值计算的是输 入到靶腔的能量与聚变反应输出能量的比值 QSci，未考虑激光器系统的损耗（激光器 需要消耗约300MJ电能才能输出2MJ耳激光能量，ηE较低），实际上QEng远小于QSci。 右图中水平线表示在指定离子温度下，实现不同水平的科学能量增益（对于 MCF） 或点火和燃烧（对于 ICF）所需的条件。根据规划中的项目时间表，SPARC 装置计 划在 2028 年前后实现 Q=10，ITER 装置计划在 2040 年前后实现 Q=10。

利用聚变产生的高能中子可构建聚变-裂变混合堆（Fusion-Fission Hybrid Reactor），实现核裂变燃料的增殖、核废料嬗变、发电、氚自持。聚变-裂变混合堆 是一种结合聚变中子源与次临界裂变包层的核能系统，旨在实现核燃料增殖（聚变 产生的高能中子轰击铀-238 或钍-232，生产钚-239 或铀-233，供给裂变电站）、核废 料嬗变（中子轰击次锕系核素，将其裂变为短寿命同位素，减少放射性危害）、能量 生产输出（裂变环节释放的能量可达聚变环节的 20 倍以上）及氚自持等功能。 与四代裂变快堆相比，聚变-裂变混合堆具有可控优势；与聚变堆相比，聚变裂变混合堆对聚变环节的能量增益要求大幅降低。按照中子能量的不同，可将中子 分为三类，快中子（0.5MeV~10MeV）、中能中子（~0.02MeV）和热中子（<0.5keV）。 铀-235 对热中子的裂变截面（入射粒子使靶核裂变的概率）更大，铀-238 对快中子 的裂变截面更大。裂变热堆大多使用铀-235 为核燃料，使用水、重水等材料作为中 子慢化剂，将铀-235 裂变反应产生的快中子慢化为热中子，从而提高裂变反应概率 并维持链式反应不失控。裂变快堆使用无中子减速作用的液态钠、铅等作为导热介 质，利用铀-235 裂变产生的快中子“点燃”铀-238 或钍-232 进而发生裂变反应，快 堆的持续燃烧仍依托链式反应。聚变-裂变混合堆使用氘氚聚变产生的高能中子 （~14MeV）“点燃”铀-238 或钍-232；混合堆不需要达到链式反应条件且聚变反应过程依赖稳定可控的外部能量输入，混合堆相较于裂变快堆更加可控；同时，混合 堆整体能量倍增系数 M≥10 使聚变环节 Q 值仅需达到 1-2 即可实现商业化运行，混 合堆对聚变环节的能量增益要求较聚变堆大幅降低。目前国内在建高温超导托卡马 克混合堆星火一号项目，拟建 Z 箍缩混合堆先觉聚能 Z-FFR 项目。

1.2、 全球核聚变竞赛已拉开帷幕，私营资本和科技巨头踊跃入局

根据聚变行业协会（FIA）《2024 年全球聚变行业报告》，聚变行业 2021-2024 年 已累计吸引了超过 71 亿美元的投资，2024 年新增 9 亿美元投资，其中政府资助增 加至 4.26 亿美元、增幅 57%；全球范围内的私营聚变公司也随之增加到 45 家。 全球范围来看，在运/在建的核聚变项目主要由公共资金主导，采取磁约束技术 路线；规划中的核聚变项目主要由私营资本主导，技术路线趋于多元化。根据国际 原子能机构（IAEA）聚变装置信息（FusDIS）的统计，截至 2025 年 7 月，全球共 有 167 个聚变装置，其中 101 个在运，17 个在建，49 个规划中。在运和在建的 118 个装置中，公共资金主导的项目共有 102 个，占比 86.4%；公共资金主导的项目中， 采用磁约束技术路线（托卡马克和仿星器）的装置共有 76 个，占比 74.5%。规划的 49 个项目中，私营资本主导的项目共有 37 个，占比 75.5%；私营资本主导的项目中 采用磁约束技术路线的装置共有 26 个，占比 53.1%。

全球核聚变竞赛已拉开帷幕，各国聚变公司权益融资活动频繁。从聚变项目分 布来看，全球 167 个聚变装置中，美国、日本、俄罗斯、中国分别拥有 49 个、26 个、14 个、13 个。从各国聚变公司融资情况来看，2021 年起，聚变公司权益融资额 迅速提升；美国、中国的聚变公司融资额较高；2022 年起中国的聚变公司融资额逐 年提升。2024 年全球聚变公司累计权益融资额近 30 亿美元；2025 年 1-7 月，全球聚 变公司权益融资额已超 10 亿美元。

科技巨头踊跃入局核聚变公司投资，技术路线选择多元。美国 Commonwealth Fusion Systems（CFS）公司总融资额已超过 20 亿美元；2025 年 B2 轮融资已获得超 过 10 亿美元的认购，融资完成后预计估值将超过 80 亿美元；投资者包括比尔·盖 茨、索罗斯、谷歌母公司 Alphabet 等。2025 年 6 月，CFS 与 Alphabet 签订供电协议， 计划在 2030 年代通过 ARC 电站（总发电量 400 兆瓦）向谷歌供应 200 兆瓦电力。 美国核聚变初创公司Helion Energy总融资额已超过10 亿美元，估值超过 54 亿美元， 投资者包括 OpenAI 创始人 Sam Altman、马斯克等，2023 年与微软签署供电协议， 计划在 2028 年向微软供电 50MW。

2030s 有望密集建成商业化聚变电站，若未来进入批量建设阶段，年投资额有望 达数千亿规模。根据聚变行业协会（FIA）的统计，截至 2024 年，有 23 家聚变公司 计划在 2031-2040 年间建成首座商业化聚变电站。按照 ITER 的初期测算，电功率为 1GW 的聚变堆，建造成本至少千亿人民币；私营资本高场托卡马克每 100-500MW 目标造价约 150-350 亿人民币。参考裂变堆运行寿命与年利用小时数，假设托卡马克 装置运行寿命 40 年，年利用小时数 7500；假设不同情景下，聚变电站年均新增装机 随单位造价下降、商业化发电临近而逐渐增加；若单位造价下降至 60 元/瓦，LCOE 将下降至约 0.61 元/千瓦时，有望具备经济竞争力，从而进入批量建设阶段；参考当 前国内裂变堆每年 10GW 级的核准建设节奏，未来批量建设情景下，托卡马克装置 年投资额或将达数千亿元。

2、 托卡马克：受益于高温超导量产，2030s 有望并网发电

2.1、 基本原理：磁场约束下持续发生的聚变反应，类似燃煤锅炉

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）四个单词的组合，由苏联科学家在 20 世纪 50 年代 提出。托卡马克装置利用强大的磁场来约束高温等离子体，使其在有限的空间内达 到足够的高温和压力，以达到聚变反应条件。 托卡马克等离子体放电流程可分为零时刻前、零时刻以及零时刻后三个阶段。 在零时刻之前，需向环形真空室注入用于聚变的气体，并将中心螺线管的电流 提升至峰值。至零时刻，中心螺线管（Central Solenoid, CS）的电流迅速下降，此 过程在环形真空室内形成快速变化的磁通，激发感应电场，将气体燃料电离；由于 未完全电离和加热的等离子体具有一定的电阻，电流通过等离子体时，会产生焦耳 热效应，导致等离子体温度进一步升高，即粒子动能提升，这一过程为欧姆加热。 但一方面，中心螺线管中电流变化产生的磁场与电流变化率（Δi/Δt）正相关，螺线 管电流承载能力（±Imax）有限，无法长时间维持快速变化的磁通，欧姆加热无法持 续做功（tmax=2Imax/Δi×Δt）；另一方面，随着等离子体完全电离和加热，粒子温度/ 动能达到约 107K/1keV 数量级时，电阻率迅速下降，欧姆加热效率迅速下降。

零时刻后，为了获得更高的粒子动能达到并维持最低点火温度（氘氚聚变最低 点火温度/动能约为 108K/10keV 数量级），必须采用中性束注入、射频加热、磁重联 等额外的加热方法。当等离子体被加热至最低点火温度，并满足点火三乘积条件时， 实现聚变点火。氘氚聚变产生一个氦核（α 粒子）和一个中子，氦核带有电荷，受托 卡马克磁场的影响，被限制在等离子体中并持续加热等离子体，后通过特殊磁场结 构将低温 α 粒子从偏滤器处排出；氘氚聚变产生的 80%能量由中子携带，中子不带 电荷，不受磁场束缚，高能中子将能量带离等离子体并被托卡马克装置的器壁吸收。 中子动能以热量的形式转移到壁上，这些热量将被容器壁内循环的冷却介质捕获， 最终用于产生高温高压蒸汽，推动汽轮机发电。

托卡马克装置依赖等离子体电流产生的磁场形成稳定约束，由于磁场强度与电 流大小正相关，生成较大的等离子体电流至关重要。仅在环形磁场中（左图黄色箭 头方向），带电粒子会因离心力和磁场非均匀性的影响而发生漂移，导致电子与离子 分离，在等离子体产生显著分层，由此产生的空间电场会促使等离子体向外扩张， 导致等离子体破裂。等离子体电流会产生一个辅助的周向磁场（左图蓝色箭头方向； 电流定义为单位时间通过某一截面的电荷量；带电粒子在托卡马克装置中做圆周运 动，形成电流），与外部磁场组合形成环绕等离子体流方向的旋转磁场（左图绿色箭 头方向），粒子沿着磁场既环向运动又上下翻转，从而抵消电荷分离，维持等离子体 稳定。相比之下，仿星器使用复杂的外部线圈直接产生扭转的环形磁场（类似三维 的莫比乌斯带），不依赖于较大的等离子体电流，但仿星器装置磁体复杂，制造精度 要求较高，且当前实验装置三乘积水平较低。

2.2、 核心催化：高温超导材料实现工业量产，装置理论上限大幅提升

根据 IAEA《Fundamentals of Magnetic Fusion Technology》，托卡马克装置功率与 环形磁场强度 Bt的四次方和等离子体截面半径 a 的四次方正相关，与装置主半径 R 的一次方反相关；即理论上，每当装置环形磁场强度等或离子体截面半径提升 1.8 倍，装置理论聚变功率就能够提升约一个数量级。因此，提升托卡马克装置的理论 聚变功率，可以通过增加等离子体截面半径 a 来实现，即构建大型装置（ITER）或 球形装置（球形托卡马克）；也可通过增大磁场强度 Bt 来实现，即提升环形线圈匝数 或线圈中的电流大小。

托卡马克装置需要长时间维持强磁场以约束等离子体，磁体线圈需要长时间承 载较高的电流，若采用铜线等传统导体会带来较高的热损耗；而超导材料在低温等 特定工况下，能够承载更大的电流，产生更强的磁场，同时降低能量损耗。 低温超导材料（LTS）在上世纪中叶被发现，大多是基于金属铌（Nb）的合金，如铌钛合金（NbTi）和铌锡合金（Nb3Sn），超导临界温度通常低于 10K，使用液氦 （4.2K）冷却，成本较高。并且 NbTi 和 Nb3Sn 临界磁场较低，分别在 10T 和 20T 磁场强度左右载流能力大幅下降，超导性能迅速降低。由于低温超导材料技术成熟 且性能稳定，目前全球部分核聚变项目（如 ITER）仍采用低温超导磁体。 高温超导材料（HTS）在上世纪末被发现，主要包括第一代高温超导材料（铋 锶钙铜氧 BSCCO）、第二代高温超导材料（稀土钡铜氧 REBCO）、二硼化镁超导材 料和铁基超导材料等。二代高温超导具有较高的临界温度（77K 液氮温区）、较高的 载流能力、较高的临界场强（40T 下保持较强的载流能力）、较高的力学强度，以及 相对廉价的生产原料等优势；但由于高温超导材料发展起步较晚，制备技术较为复 杂，规模化生产未能充分显现，使得过去一段时间产品价格较低温超导材料更高。

目前低温超导带材价格较为低廉，但需要在昂贵的液氦环境下工作，应用于核 磁共振成像、粒子加速器、核聚变等，商业化程度高。高温超导载流能力强，可以 在普通的液氮环境中工作，第一代 BSCCO 部分原材料为银，成本难以下降，第二代 YBCO 带材价格下降、产品良率提升，推动高温超导技术产业化应用加速，新型铁 基超导材料的发现也为行业带来了新的发展方向。

高温超导材料企业规模效应开始显现，成本快速下降，产能持续扩张。根据上 海超导招股书，2022-2024 年，公司二代高温超导带材单位价格由 360 元/米下降至 241 元/米，降幅 33.0%；单位成本由 262 元/米下降至 93 元/米，降幅 64.5%；公司二 代高温超导带材产能由 257km 扩张至 1334km，增幅 419.6%。公司拟投资 12 亿元用 于产能扩建，项目完全达产后预计每年可新增 6000km 二代高温超导带材产能。新一 代聚变公司，如 CFS、Tokamak Energy、星环聚能、能量奇点等均选择高温超导材 料，以实现紧凑设计、提升装置性能并降低冷却成本。

2.3、 工程进度：国内外重点项目建设有序推进，2030s 有望并网发电

ITER 国际热核实验堆：全球最大的托卡马克实验，由 35 国合作在法国兴建。 ITER 设计等离子体功率 500 兆瓦、放大系数 Q≥10，但它是科研装置，不发电。ITER 土建安装已完成大半，但因技术难题进度延误，首次等离子体放电已推迟至 2030 年 代中期。预计 2035 年前后 ITER 将开展氘-氚燃料实验，验证聚变点火与持续燃烧。 美国 SPARC/ARC 原型堆：美国麻省理工与私企 Commonwealth Fusion Systems （CFS）合作开发的高场托卡马克路线。SPARC 为示范装置，采用 REBCO 高温超 导磁体产生 20T 以上强磁场，体积远小于 ITER。CFS 已在 2021 年验证了全尺寸高 场磁体。按照计划，SPARC 计划于 2025-2026 年实现首次放电并很快实现净能量产 出（Q>1）;随后 CFS 将建设首座商业原型电站 ARC，计划 2020 年代后期动工，2030 年代初并网发电约 400MW。 英国 STEP 计划：英国原子能管理局（UKAEA）正推进 Spherical Tokamak for Energy Production（STEP）原型堆计划，目标 2040 年前后建成一座球形托卡马克示 范电厂，实现净电输出并验证商用可行性。英国私企 Tokamak Energy 在该方向上进 展显著，其 ST40 装置在 2022 年实现了 1 亿度等离子体温度。Tokamak Energy 正建 造新一代高场球形托卡马克 ST80-HTS（2026 年建成）以验证长脉冲高功率输出， 并计划 2030 年代早期建成 ST-E1 聚变电厂，净发电功率目标达 200MW。 中国 CFEDR 计划：中国在 EAST 超导托卡马克取得长脉冲高参数记录的基础 上，计划建设 ITER 与商业堆之间的桥梁。紧凑型聚变实验装置（BEST）计划在 2027 年底投运，工程目标成为全球首个实现聚变能量净增益（Q>1）的紧凑型装置；中 国聚变工程试验堆（CFEDR）有望在 2030s 建成；建成后第一阶段目标实现 200MW 聚变功率与氚自给（增殖比>1）；第二阶段目标将聚变功率提高到 1GW 以上。

2.4、 主要部件：托卡马克装置总投资额较高，零部件价值量较分散

按照 ITER的初期测算，电功率为 1GW的聚变堆，建造成本至少为 150亿美元； 托卡马克装置的主要组成部分包含磁体、堆内构件、加热和电流驱动系统等。 磁体系统（Magnets）：磁体系统由环向场线圈、极向场线圈、校正线圈以及中 心螺线管组成，ITER 项目中成本占比约 28%（ITER 采用全低温超导，若采用高温 超导材料，磁体系统成本占比将有所提升）。 真空室（Vacuum Vessel）：真空室创造高真空环境，避免等离子体与其他物质 接触，减少热损失并保持超高温状态；ITER 项目中成本占比约 8%。 第一壁（First Wall Panel）和包层模块（Blankets）：位于真空室内侧，主要作 用是隔热和辐射屏蔽，保护外部结构和设备免受炽热等离子体辐射的伤害；包层中 的增殖模块用于实现氚的增殖。 偏滤器（Divertor）：位于托卡马克装置的底部，负责从等离子体中排除氦灰和 其他杂质；ITER 项目中包层、偏滤器等堆内构件成本占比合计约 17%。 加热和电源系统：欧姆加热上限温度/动能为 107K/1keV 数量级；为了获得更高 的粒子动能达到并维持最低点火温度（氘氚聚变最低点火温度/动能为 108K/10keV 数量级），必须采用中性束注入、射频加热等额外的加热方法。在 ITER 项目中，电 力供应系统（含变压器等）成本占比约 8%，加热和电流驱动系统成本占比约 7%。

2.4.1、 磁体系统：托卡马克装置核心，实现等离子体初步加热和约束

ITER（国际热核聚变实验反应堆）磁体系统由四个主要子系统组成，包括 18 个环向场线圈（Toroidal Field Coil, TFC）；6 个极向场线圈（Poloidal Field coil, PFC）； 18 个校正线圈（Correction coil, CC）以及中心螺线管（Central Solenoid, CS），磁体 系统所需的超导线材总长度 187.4km，总重量近万吨。等离子体电流会产生周向磁 场，与外部磁场组合形成环绕等离子体流方向的旋转磁场；带电粒子在磁场约束下 沿磁感线运动。矫正线圈实时响应，维持等离子体稳定运行。 环向磁体产生环向磁场（左图黄色箭头方向），约束等离子体流在有限的截面半 径范围内运动，最大磁场 11.8T，总电流 164MA，线材长度 82.2km。 极向磁体产生垂直于地面的磁场，约束等离子体环在有限的主半径范围内运动， 最大磁场 6.0T，总电流 58.2MA，线材长度 61.4km。 中心螺线管利用变压器原理，通过变化的电流、生成变化的磁场和感应电场， 电离并加热等离子体，最大磁场 13.0T，总电流 147MA，线材长度 35.6km。欧姆加 热能够使粒子温度/动能达到 107K/1keV数量级，是托卡马克装置中重要的加热手段。

2.4.2、 真空室与堆内构件：提供和维护聚变反应环境，并实现燃料增殖

核聚变反应中的等离子体必须被约束在真空容器真空室（Vacuum Vessel）中； 真空室向内分别为中子屏蔽层、燃料增殖层、第一壁。真空室维持反应容器内部高 真空度，隔绝大气组分干扰，为氘氚聚变反应创造洁净的环境，并提供结构支撑。 第一层壁板（First wall panel）直面聚变等离子体，需要承受较强的的中子流（以 及氦离子、氢离子等）和热流（中子碰撞反应堆壁，把自身携带的动能转化为热） 的考验，并把热量导出用于发电，要求具有较强的耐热性、高热导率、耐辐射能力 和一定的强度，还要避免发生溅射对等离子体造成干扰。 偏滤器（Divertor）位于聚变装置真空容器的底部，负责排出氦灰和其他反应杂 质。为保持等离子体洁净，托卡马克装置通过特殊的磁场结构，将等离子体中的杂 质驱赶到真空容器底部，并通过真空泵排出氦灰等杂质和少量氚，通过氚工厂筛选 过滤得到洁净的氚后重新作为燃料注入反应容器。 ITER 第一壁与偏滤器主材为钨。第一壁与偏滤器表面热流密度达 MW/m²量级， 中心区中子通量达 1018n/m²·s 量级，高能中子会导致材料迁移和损伤。钨因熔点高 （3410°C）且溅射阈值高，被选为偏滤器和第一壁装甲的主要材料；第一壁和偏滤 器的表面材料需定期更换，紧凑型聚变装置第一壁中子辐照损伤会显著增加，更换 周期相应缩短。结构件一般采用低放射性铁素体/马氏体钢，在数年运行后出现氦脆 和膨胀，同样需要定期更换。创新方案例如液态金属锂壁（在壁面流动一层锂液吸 收热量和中子）可动态自修复、并提高等离子体性能（锂可吸附杂质），已在实验装 置上测试。材料供应链方面，大规模聚变部署将需要大量特种钢锭、钨材和锂资源。

氚是聚变反应优选燃料之一，但自然界稀少，必须在聚变堆内实现氚增殖。目 前氚主要从重水堆副产获得，全球年产量不足 5kg、商用氚库存不足 40kg；而在功 率为 1GW 的聚变反应堆中，氚的消耗量约为 152g/d、55.5kg/a，仅依赖现有来源远 远不够。必须在聚变堆内实现氚增殖，即利用聚变放出的高能中子与锂-6 反应，生 产新的氚。为此，聚变堆需要在真空室内侧配备增殖包层（Breeding Blanket），填 充锂化合物并伴以中子倍增剂（如铅 Pb 或铍 Be），以确保产氚率>消耗率。铍（Be） 是中子倍增剂的主流选择，但资源比较稀缺，加工成小球后价格高达 10 万元/kg； 中国聚变工程实验堆（CFEDR）设计方案中的铍球用量>300t。

2.4.3、 加热和电源系统：托卡马克装置的心脏，能量输入的核心环节

由于欧姆加热仅能够使粒子温度/动能达到 107K/1keV 数量级，为了获得更高的 粒子动能达到并维持最低点火温度（氘氚聚变最低点火温度/动能为 108K/10keV 数 量级），必须采用射频波（Radio Frequency, RF）和中性束（Neutral Beam Injection, NBI）等额外的加热方法。合适的波频率和极化方向会产生波-粒子间的相互作用， 当相互作用过程在粒子速度分布上正负对称时产生等离子体加热效应，非对称时则 兼具电流驱动效应。射频加热主要包括离子回旋共振加热（ICRH）、电子回旋共振 加热（ECRH）和低杂波加热（LHRF）。 电子回旋共振加热（ECRH）以 170GHz 的频率（电子的共振频率）的电磁辐射束加热等离子体中的电子；电子又通过碰撞将吸收的能量传递给离子。在 ITER 中， ECRH 系统在运行初始阶段为等离子体提供 40MW 的加热功率，在运行后期阶段提 供 67MW 的加热功率；ECRH 系统由 80 个 1MW 回旋管（Gyrotrons）组成。 离子回旋共振加热（ICRH）以 40~55MHz 的频率（离子的共振频率）的电磁辐 射束将能量传递给等离子体中的离子。在 ITER 中，ICRH 将通过等离子体加热天线 的两个射频源向等离子体提供 10~20MW 的加热功率。 低杂波加热（LHRF）的工作频率和微波炉接近，利用相控天线在边缘激发一支 向等离子体内部传播的准静电波，电场方向与磁场方向近似平行，当粒子平行于波 场的热速度与波相速度接近时，波就会在平行方向将能量和动量传递给共振电子（即 朗道阻尼），驱动等离子体电流。 中性束注入加热（NBI）将高能离子束通过电荷交换中和成高能中性束，使得高 能粒子能够穿越托卡马克的磁笼进入等离子体中。ITER 将配备两个中性束喷射器， 每个喷射器发射 16.5MW 的氘束，粒子能量为 1MeV，喷射器能够连续运行 3600 秒。

ITER 电力供应和电流驱动系统由稳态高压变电站（SSEN）、脉冲高压变电站 （PPEN）、磁体电源（CPS）和辅助加热电源系统（HPS）组成。 SSEN 主要供给 ITER 装置相关分系统，包括低温系统、水冷系统、氚工厂、数 控系统等，总功率约为 180MW，其中包含 750Mvar/66kV 无功补偿系统。 PPEN 主要供给磁体电源、微波电源和中性粒子电源等系统，带有 44 套电源系 统，单套电源最大功率 80MVA，总电源变流器装机容量为 4600MVA。 辅助加热电源系统包括 1000kV 中性束注入（NB）电源、26kV 离子回旋（ICRF） 电源、55kV 电子回旋（ECRF）电源、80kV 低杂波加热（LHCD）电源。

磁体电源系统通过控制数十个不同的超导线圈中的电流，实现对等离子体电流 的产生、位置和形状的精准控制。在实际运行时，由于等离子体运行的不稳定性和 变化，超导磁体电源产生的电流波形也是实时变化和振荡的。超导磁体电源需要实 时输出任意的电流波形实施对等离子体位置和形状等的反馈控制，电压响应时间小 于 2ms；同时要考虑各超导线圈之间的耦合效应。ITER 磁体电源主要由变流器单元、 快速放电单元和开关网络单元组成。 变流器单元用于实现交直流转换并输出任意的电流波形。每个超导线圈回路由 多个变流器单元串联而成；每个变流器单元由 4 个晶闸管桥和一个旁通桥组成；每 个变流器桥由大功率晶闸管并联组成。 开关网络单元（SNU）用于切断直流电流。直流电流没有过零点，并且回路中 的直流电感储存巨大的能量，开断时会形成很高的过电压；ITER 聚变装置中主要采 用机械开关、晶闸管并联技术、人工过零点技术等联合实现大感性直流电流开断。 ITER 装置运行时超导磁体系统总储能达 51.4GJ；快速放电单元（FDU）的功 能是在系统故障时迅速将超导线圈中储存能量转移出来，以保护超导磁体和聚变装 置主机的安全。FDU 同样利用人工过零技术断开直流电流，原理和 SNU 相似。

ITER 辅助加热电源主要使用脉冲跨周期调制（PSM）技术。 在 ITER 所有辅助加热电源中，中性束注入系统（NBI）高压电源技术难度最高。 NBI 系统使用 1000kV 高压电源提供电场，加速注入的粒子。NBI 高压电源连接 66kV 电网，先经过降压、整流，转换成 2.5kV/30kA 直流；再由 GTO（门极可关断晶闸管， 晶闸管的衍生器件，全控型器件）逆变器转换成 1kHz/2kV 交流电压；最后经过中频 升压变压器和二极管整流回路输出直流电压。其 GTO 逆变器和中频升压整流电路有 5 个模块，每个模块输出 200kV/59A 电压，串联后输出 1000kV 电压。 辅助加热电源同理，变压器低压侧绕组连接各PSM 模块，输出较低的直流电压， PSM 模块再串联输出所需的更高的直流电压；电源电压的大小控制主要依靠 PSM 模 块投入和切出，因此电源电压最小精度就为一个 PSM 模块的值。射频波电源的 PSM 模块主要由二极管桥、IGBT（绝缘栅双极型晶体管，全控型器件）斩波器、撬棒电 路 SCR（大功率过压保护电路）、缓冲电路 L 和 PSM 控制及保护器组成。在微波发 射装置打火故障，要求高压电源迅速实施保护，所有 PSM 模块 IGBT 关断而切断高 压，时间小于 5us，缓冲器用于吸收电源系统对地电容的储能。

3、 Z 箍缩：先觉聚能成立，Z 箍缩混合堆有望加速落地

3.1、 Z 箍缩：美国 Zap Energy 力争2030 年代初期交付聚变发电模块

Z 箍缩聚变研究始于 20 世纪 50 年代中期，但直到 20 世纪末才引起全世界的广 泛关注。1997 年 Sandia 实验室在驱动电流为 20MA 的 Z 装置上取得的里程碑意义的 突破，之后 Sandia 实验室与 LLNL，LANL 等实验室合作，在 Z 箍缩电磁内爆实验、 物理及聚变靶的研究与设计方面开展了大量工作，提出了实现聚变的两类概念模型 （动态黑腔模型和双端驱动模型）；初期理论研究预计 60MA 左右的驱动电流可以实 现点火，90MA 左右的驱动电流可以用于产生能源。 电流产生的角向磁场 B 与电流密度 J 正交，产生向心的洛伦兹力 F=J×B。Z 箍 缩装置利用等离子体（或细金属丝）携带的大电流（10MA 数量级）将等离子体压 缩至聚变条件。在等离子体形成初期，温度和密度不高；当电极板之间施加瞬时电 场导致等离子体中流过瞬时大电流，洛伦兹力使得等离子体向心箍缩；箍缩过程可 近似看作绝热压缩，等离子体的温度和密度将迅速升高并达到聚变条件。 Z 箍缩装置结构简单，加热和约束均通过大电流直接或间接完成，无需大型磁 体或激光装置，理论上装置可以非常紧凑；但 10MA 级大电流放电一般只有大量电 容器组并联才能够承受，各个大电流开关之间的同步也很有挑战，并且经典 Z 箍缩 易出现不稳定使等离子体过早瓦解。以香肠不稳定性为例，若等离子体柱不同位置 因为扰动存在差异，部分位置收缩速度偏快导致电流密度 J 和磁场强度 B 同时增大， 进而使得洛伦兹力 F 增大，等离子体收缩速度进一步加快，这个正反馈过程会迅速 把等离子体切断，等离子体放电随之中止。

美国初创公司 Zap Energy 采用剪切流稳定（Sheared-Flow-Stabilized）技术， 通过特殊装置形成内外层流动速度不同的等离子体柱，速度更快的外层可以使得速 度较慢的内层保持稳定，从而延长等离子体的稳定时间、达到聚变条件，其实验装 置已实现约 107K 电子温度。2022 年在 FuZE-Q 装置中成功产生首批等离子体；2024 年建成 Century 液态金属测试平台，验证流动金属壁对等离子体的稳态运行和高重复 放电能力，实现了 3 小时内连续放电 1000 次的记录。Zap Energy 累计融资 3.3 亿美 元，投资者包括比尔盖茨名下 Breakthrough Energy Ventures（BAE 公司）。Zap Energy 计划在 2020 年代后期构建中型原型机，力争 2030 年代初交付聚变发电模块。

3.2、 Z 箍缩聚变-裂变混合堆：先觉聚能成立，项目有望加速落地

利用聚变产生的高能中子可构建聚变-裂变混合堆（Fusion-Fission Hybrid Reactor），实现核裂变燃料的增殖、核废料嬗变、发电、氚自持。聚变-裂变混合堆 使用氘氚聚变产生的高能中子（~14MeV）“点燃”铀-238 或钍-232 并发生裂变反应， 无需燃料后处理。国内的聚变-裂变混合堆概念主要起源于彭先觉院士 2008 年提出 的 Z 箍缩驱动聚变-裂变混合堆（Z-FFR）。 Z-FFR 利用负载黑腔靶设计和“局部整体点火”的物理思想，大幅降低对 Z 箍 缩驱动器的要求，将聚变点火所需的驱动电流降低至 30~40MA（传统 Z 箍缩为 60MA），能源应用所需的驱动电流降至 60~70MA（传统 Z 箍缩为 90MA）。 Z-FFR 中，电流沿 Z 轴方向流过薄金属套筒型负载，产生径向箍缩效应，强大 的洛伦兹力驱动套筒以每秒数百千米的速度内爆，碰靶动能>10 MJ；套筒碰到靶外 的能量转换层后产生强 X 射线辐射；X 射线能量经黑腔均匀化形成近球对称的辐射 场，在聚变靶丸的烧蚀层内形成高温和高压并对内部物质区进行压缩，从而创造出 聚变点火及燃烧所需的环境条件，而后在次临界裂变包层中实现核燃料增殖、核废 料嬗变、能量生产输出等功能。

Z 箍缩混合堆造价约 30 亿美元/GW，有望具备经济竞争力。相较激光器，Z 箍 缩驱动器能量充足、电能转换为碰靶动能的效率较高、造价相对低廉、辐射能品质 优良，更适合用作惯性约束聚变能源。Z-FFR 采用局部体点火靶，单发聚变放能可 达 2000~3000MJ，若驱动器每 10s 放电 1 次，聚变功率可达 200~300MW。并且聚变 产生的高能中子在深次临界裂变包层内引发裂变反应，将聚变能量放大 10 倍以上， 可实现 1000MW 以上的电能输出。因此，混合堆对聚变能量增益要求降低，反应堆 整体能量倍增系数 M≥10 使聚变环节 Q 值仅需达到 1-2 即可商业化运行。装机容量 1GW 的 Z 箍缩驱动的混合堆机组建造成本约 30 亿美元，低于纯聚变堆（>100 亿美 元），与快堆（50-60 亿美元）相当，有望具备经济竞争力。

先觉聚能成立，Z-FFR 项目有望加速落地。2025 年 3 月，天府创新能源研究院、 燧人聚能、国光电气等股东共同出资成立先觉聚能科技（四川）有限公司。其中， 天府创新能源研究院是 2021 年在成都设立的一家新型研发机构，以分步实现电磁驱 动聚变裂变混合堆能源为目标；彭先觉院士、谢卫平院士分别担任院长、副院长。 先觉聚能定位为支撑天府创新能源研究院发展的市场化机构，将与天府创新能源研 究院共同构建起“研究院+公司”相互支撑的聚变裂变混合能源事业核心组织架构， 国光电气董事长张亚先生担任先觉聚能董事长。

3.3、 主要部件：驱动器在 Z 箍缩聚变装置中价值量占比约 50%

Z-FFR 主要由 Z 箍缩驱动器、聚变靶与爆室、深次临界裂变包层等构成。装机 容量 1GW 的 Z-FFR 聚变堆造价约 30 亿美元；其中驱动器（70MA）小于等于 10 亿美元，次临界能源堆约 10 亿美元，靶、负载、循环传输线（RTL）约 3 亿美元， 氚燃料循环系统约 7 亿美元。在 Z-FFR 中，驱动器价值量占比约 33%；若剔除次临 界裂变包层系统，仅考虑 Z 箍缩聚变装置，驱动器价值占比将提升至 50%。

Z-箍缩驱动器主要设备为重复频率长寿命的初级功率源。Z 箍缩驱动器产生约 60MA 的电流，电流上升前沿约为数百纳秒；驱动器采用快脉冲直线变压器驱动源 （Linear Transformer Driver, LTD）技术。LTD 本质上是一种特殊的电路拓扑结构， 采用化整为零的设计思想，将储能电容分为较多容量较小的电容并联实现快脉冲直 接输出，无需脉冲形成线和相应的闭合开关进行脉冲压缩；理论上任何能够满足同 步触发要求的基本放电单元，都能够以 LTD 的电路拓扑结构构建任意高功率的装置。 同时，LTD 将目标电压化整为零，利用磁芯的感应隔离功能将模块电压控制在较低 水平，使器件工作电压与目标电压脱钩，降低开关和电容器等基本器件的功率要求， 拓宽了器件选择范围，为很多能够重频长寿命运行但功率容量较小的开关器件的应 用提供了可能。在基于 LTD 的电路拓扑结构确定后，驱动器的重复频率运行能力和 寿命潜力就取决于开关器件及其同步触发技术。

单个 LTD 模块由若干低电感电容器和开关组成的放电支路并联组成。选择容量 较小的电容器可以使每个支路的（LC）0.5 值（L 为支路电感， C 为支路电容）较小， 从而能够实现快脉冲输出；采用多个放电支路并联可实现大电流输出；通过多模块 串联实现高电压输出。

在 Z-FFR 中，次临界能源堆占项目总造价的 33%；次临界能源堆包层中由内而 外分别为第一壁、燃料区、工程通道、产氚区。氘氚聚变产生的 14MeV 高能中子在 次临界能源堆包层中实现核燃料增殖、核废料嬗变、能量生产输出及氚自持等功能。

4、 场反位形：技术路线得到初步验证，私营资本加速布局

4.1、 基本原理：磁化靶 FRC 装置脉冲式发生聚变反应，类似柴油发动机

场反位形（Field Reversed Configuration，FRC）装置属于紧凑环（Compact Torus, CT）装置的一类，由角向磁场约束等离子体，具有 β 值较高的优点。磁约束 核聚变装置比压 β 定义为等离子体热压与外部磁场磁压之比，装置 β 值越高，相同 磁场强度下能够约束的等离子体温度越高。FRC 磁场结构中包含两个区域，封闭磁 力线区域的闭合磁面不断收缩，最后形成磁场为零的 O 点；开放磁力线区域两端无 限远处分别有两个磁场为零的 X 点；两区域由分形线 Separatrix 分隔开，开放磁力线 区域相当于偏滤器，在此区域可进行排灰和能量输出。

FRC 形成技术主要为场反 θ 箍缩（Field Reversed θ-Pinch, FRTP），当中性气 体注入真空室后，电源系统中偏置电路、预电离电路、主电路和撬棒电路四条支路 将依次触发为磁体系统供电，通过产生特定的磁场位形形成 FRC 等离子体；FRTP 过程可分为预电离、场反转&磁重联、收缩平衡三个阶段。首先加反向偏置磁场， 并预电离气体产生初始等离子体，等离子体与偏置磁场冻结形成反向偏置磁通；随 后 θ 箍缩线圈电流迅速上升、外部主磁场快速增强反转，等离子体内部感应出较大 电场和电流，磁场径向压缩等离子体向轴心运动，同时两端磁力线重新连接，形成 反平行磁场结构；最后线圈上电流下降，重联后的磁力线会轴向收缩，然后等离子 体经过一系列振荡直到磁压和热压平衡形成准平衡场反位形。

FRC 聚变装置大多是对称的直线型装置，装置两端的 θ 箍缩线圈形成两个 FRC 等离子体并传输至中心区域碰撞融合，融合伴随的磁重联现象进一步加热等离子体。 磁重联即磁力线的断开和重新连接过程，一般伴随着内部磁能向粒子动能或内 能的转化，是等离子体中磁能释放的重要途径，磁重联出现在 FRC 形成过程和两个 FRC 的碰撞融合过程中。形成 FRC 过程中，快速上升的主场在 θ 箍缩线圈两端与相 反方向被冻结的偏置磁场进行磁重联，最后形成具有闭合磁力线结构的 FRC。在两 个 FRC 的碰撞融合过程中，由于理想 FRC 仅有极向磁场，两个 FRC 碰撞融合过程 也是两个磁环的磁场重联过程；一般相碰撞的两个 FRC 具有相同的环向电流，且对 准撞点/面的磁场方向是相反的；在高速传输 FRC 提供的外力驱动下，碰撞区域的相 反磁力线断开并重新连接，最终形成一个新的碰撞融合 FRC；两个 FRC 动能的 60% 在碰撞后转化为内能, 导致等离子体温度升高，约 40%的动能转化为磁场能量，碰撞 融合后 FRC 的输运性质有了较大改善, 增加了融合后 FRC 的存活时间。

两个 FRC 碰撞融合后，仍需进一步加热/压缩使等离子体温度/密度达到聚变条 件。按照不同的后续加热/压缩方法，FRC 聚变装置可以大致分为两个方向，一种是 走传统磁约束途径的准稳态运行，如采用中性束加热方案的 TAE Technology（美）； 另一种是作为磁化靶，依靠外部驱动压缩内爆 FRC 的脉冲运行，可以归类到磁-惯 性混合约束途径中，如 Helion Energy（美）。 TAE Technology 选择无放射性的氢-硼 11（p11B）燃料作为终极目标，因该燃料 聚变不产生中子，从环境和供应看更理想。TAE 公司第五代装置 C-2W（也称 Norman） 利用可变能量中性束（15-40 keV，总功率 20 MW）成功实现了总温度大于 3keV，寿命大于 30ms 的 FRC 等离子体。截至 2025 年 6 月，TAE 累计融资额超 18 亿美元， 股东包含谷歌、雪佛龙等；TAE 公司正建造的第 6 代原型 Copernicus（科白尼）将 在 2025 年前后验证净能量产出；下一步将开发演示堆实现 30 亿度以点燃氢-硼 11 燃料。TAE 的优势在于长期运营稳定（等离子体持续被束流驱动，非脉冲）且远期 无需依赖氚燃料；不足在于 p11B 燃料要求极高温，短期内可能需要过渡使用氘氦 3 或氘氘反应验证发电，再逐步转向无中子燃料。

Helion Energy 通过瞬时磁场压缩使融合后的等离子体达到聚变条件。Helion 利 用磁场将 FRC 压缩到聚变条件，聚变产生的高能带电粒子导致等离子体膨胀并推回 外部磁场，Helion 直接利用等离子体膨胀时的电磁感应发电，无需热交换和汽轮机， 从而提高能量转化效率；该过程类似于柴油发动机，利用绝热压缩使柴油达到燃点， 燃烧产生推动活塞的热膨胀气体做功；也因此 Helion 聚变装置的做功过程是脉冲式 和循环式的。由于 Helion 采取电磁感应的方式发电，所以选择反应释放能量较高、 反应产物中带电粒子数量较多，且反应条件低于氢硼聚变的氘-氦 3 反应（该反应产 生 3.6 MeVα粒子和 14.7 MeV 质子）。并且由于带电粒子在磁场中受到约束，氘-氦 3 反应与氘-氚反应相比，减少了材料磨损和屏蔽要求。虽然氦 3 在地球上并不丰富， 但可以通过氘-氘反应直接产生，或通过反应产生的氚衰变成氦 3。

Helion 第 6 代装置 Trenta 达成 1 亿度燃料温度，第 7 代原型机 Polaris 正在运行， 目标是产出人类首次“由聚变直接发电”的电能。Helion 累计融资超 10 亿美元，2025 年与微软签署了全球首份聚变购电协议，承诺 2028 年交付 50MW 聚变电站的电力； 并与纽柯钢铁合作开发 2030 年代的 500MW 聚变电站。Helion 路径的潜力在于装置 模块小、循环快（每个脉冲仅数毫秒），可通过多机并联扩容；难点在于 FRC 等离 子体的稳定合并和重复脉冲系统寿命。

4.2、 核心催化：Helion 初步验证技术路线可行性，FRC 获私营资本青睐

尽管 FRC 的发现很早（1950s），但由于 FRC 容易遭受不稳定性、约束较差、缺 乏有效的电流驱动等，实验装置产生的大部分 FRC 的存活寿命（＜1ms）、等离子体 参数和劳逊参数都偏低。过去很长一段时间，由于聚变领域处于追求聚变参数和验 证聚变可行性的阶段，FRC 装置的发展远不如主流磁约束聚变装置，大部分资源不 可避免地向托卡马克等参数更高的装置倾斜。然而，相较于托卡马克装置，FRC 装 置理论上具有建造与运行成本更低、能量转化效率更高、稳定性与安全性更强等优 势，并且 FRC 拥有较高的 β 值，能够使用较低的磁场去约束具有较高能量密度的等 离子体，使得 FRC 聚变堆更适合燃烧先进无中子燃料（这类聚变反应需要更高的等 离子体温度，一般低 β 装置所需磁场大得惊人），具有一定的潜力。

2008-2020 年，Helion 实现低成本快速迭代，并初步验证磁化靶 FRC 技术路线 可行性。2008-2020 年，Helion 团队累计获政府奖金和融资约 0.74 亿美元（奖金主 要来自美国能源局、美国国防部、NASA，投资人包含 Y Combinator（YC）、Mithril （秘银）、Capricorn（摩羯）、Dustin Moskovitz（Asana 创始人、Facebook 联合创始 人）等），Helion 原型机完成六次迭代，2020 年在第六代原型机 Trenta 中实现超过 9keV（1 亿度）等离子体温度，证明装置的等离子体约束能力达到发电条件。 2021-2025H1，Helion 融资进度加快，期间累计融资 9.6 亿美元；其中 2021 年 E 轮融资 5.0 亿美元（投资人包含 Open Al 创始人 Sam Altman 等）；2025 年 F 轮融资 4.25 亿美元（投资人包含 Lightspeed（光速创投）、Soft Bank（软银愿景基金）、Nucor （纽柯钢铁）等）。2022 年，Helion 第七代原型机 Polaris 开建，Polaris 拥有比 Trenta 更强的磁体、更快的脉冲速度，有望成为第一台展示核聚变发电的装置；2023 年， Helion 与微软签订全球首份核聚变供电协议，计划 2028 年向微软提供 50MW 的聚 变电力；2025 年，Polaris 已启动安装，世界首座聚变电站 Orion 开工建设。

Helion 实现低成本快速迭代并初步验证 FRC 聚变可行性；FRC 装置有望成为 聚变领域的黑马，私营资本加速布局。2015 年，Helion 首次演示从亚尺度脉冲磁系 统回收电能，利用高压 IGBT 以超过 95%的效率回收了超过 100 万次脉冲能量，验 证聚变电磁感应能量回收方式的可行性；2020 年，Helion 在其第六代原型机 Trenta 中实现 1 亿度等离子体温度，证明装置的等离子体约束能力达到发电条件。2022-2025 年间，瀚海聚能、星能玄光、诺瓦聚变三家公司相继成立，均采用 FRC 技术路线。 瀚海聚能：中国首家专注于直线型场反位形（FRC）可控核聚变技术的商业公 司；计划通过“沿途下蛋”模式，早期发展中子源中间产品。瀚海聚能创始人项江 先后参与激光惯性约束聚变多项国家级重大专项的实验设计和理论研究工作，具有 二十余年可控核聚变各主流技术方向的研究、工作经验。瀚海聚能规划了分步走的 发展战略，至 2025 年底，研发建设第一代中子源工程样机，在医用同位素生产等领 域逐渐形成商业落地；2026-2028 年，逐渐形成具有并网发电能力的工程样机； 2028-2030 年，完成 10-50MW 量级的电力输出。2023 年 3 月，瀚海聚能获轻舟资本 种子轮投资，2024 年 4 月完成华映资本、奇绩创坛、厚实基金领投的天使轮融资， 累计融资超 5000 万元。2025 年 2 月 HHMAX-901 主机建成并成功点亮等离子体。

星能玄光：基于中科大 KMAX-FRC 十余年的理论和实践积累，致力于紧凑型 聚变的创新。项目团队由中国科学技术大学孙玄、李弘两位教授领衔，孙玄教授在 磁约束聚变研究领域已有 30 余年经验，在国际知名的普林斯顿等离子体物理实验室 （PPPL）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）、TAE 公司均有丰富工作经验。2024 年 11 月，星能玄光完成亿元天使轮融资，该轮融资由招商局创投和中科创星领投， 民银国际、博将资本、银杏谷资本、天创资本和个人投资者跟投。2025 年 2 月， Xeonova-1 装置成功实现放电，从设备进场安装到实现放电，耗时不足两个月。 诺瓦聚变：采用场反位形（FRC）磁压缩技术路线，研发聚变小型模块化反应 堆（SMR）。诺瓦聚变创始人郭后扬，曾在能量奇点、新奥集团、美国通用原子公司、 美国 TAE 公司等任要职，曾参与和领导欧洲 JET、中科院 EAST 和美国 DIII-D 托卡 马克的物理研究，以及美国华盛顿大学和 TAE 公司的紧凑场反位型磁约束聚变研究。 诺瓦聚变短期目标实现 1 亿度离子温度，完成关键技术验证；中期目标实现聚变能 量增益 Q＞1，攻克经济高效获取聚变能的核心技术难题；长期目标成功实现 50MW 聚变电力输出，推动小型模块化聚变电站（FRC-SMR）商业化。2025 年 8 月 1 日诺 瓦聚变宣布完成 5 亿元天使轮融资，创下国内民营核聚变公司单笔融资新高，本轮 融资由顶尖产业资本、领先社会资本及实力雄厚的国有基金强强联手组成，包括社 保基金中关村自主创新专项基金（君联资本担任管理人）、君联资本、光速光合、高 榕创投、华控基金、明势创投及临港科创投等知名机构及重要战略投资人。

4.3、 主要部件：高频脉冲电源价值量占比或超 50%

以磁化靶 FRC 装置（不含中性束注入系统）为例，装置主要由电源、磁体（θ 箍缩线圈）、真空室与堆内构件、控制及采集系统等部件组成。FRC 装置成本结构公 开数据较少，考虑到 FRC 装置不依赖氚循环，燃料循环系统价值量占比或较 Z 箍缩 装置大幅下降；FRC 装置体积较托卡马克大幅缩小，磁体、真空室和堆内构件价值 量占比或较托卡马克装置大幅下降；而驱动器在Z箍缩聚变装置中价值量占比约50%， 磁体、真空室和堆内构件在托卡马克装置中价值量占比约 53%，我们认为，FRC 装 置中电源系统价值量占比或超过 50%，磁体、真空室与堆内构件占比或低于 50%。 当前阶段多数 FRC 实验装置如华中科技大学 HFRC、中国科学技术大学 KMAX-FRC 等均使用铝合金导线制作磁体线圈，磁体价值量占比或进一步下降。

根据 Helion 的电能回收系统专利，FRC 装置驱动系统（电源+磁体）可简化为 LC 电路，主要由电感 L（磁体）、电容 C（电源）和开关 S 组成。LC 电路系统中， 能量在电能（电容）和磁能（电感）之间反复转化（传递），类似汽车发动机中的曲 轴，为系统周期性运行提供惯性；开关和二极管用于控制系统能量输入/输出方向， 类似汽车发动机中的进气阀/出气阀；在聚变装置实现能量净增益后，部分能量由系 统向外输送，类似汽车发动机点火启动后不再需要电源驱动曲轴，能够自维持运行 并向外输出机械能做功。系统运行的一个完整周期可分为四个阶段，t0-t1 时刻，开关 SW2 与 SW3 均关断；t1-t2 时刻，开关 SW2 导通、SW3 关断，电能由电容向电感传 递；t2-t3 时刻，开关 SW2 与 SW3 均关断；t3-t4 时刻，开关 SW2 关断、SW3 导通， 电能由电感向电容传递；t4 时刻，系统回到初始状态。 在 Helion 的电能回收系统专利中，某些电路可能需要承载 MA/kV 数量级的电 流/电压；并且 LC 电路以脉冲的方式运行，需要进行快速开关操作，在每个周期内 产生短暂的电流脉冲，脉冲持续时间 1-500ms，某些情况下峰值功率可能达到 GW 数量级。Helion 的电能回收系统需要能够切换高电流/电压方向的开关，主要包含晶 闸管（Silicon-Controlled Rectifier, SCR）、场效应管（Field Effect Transistor, FET）、绝 缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor, IGBT）等。部分电路系统中存在电 流过零点，晶闸管可实现自换向（正向电流下降至维持电流以下时开关自动关闭）。

电力电子器件（半导体）按照可否通过信号控制其导通和关断，分为不可控型 器件、半空型器件和全控型器件。不可控型器件主要是电力二极管（Power Diode）， 具有单向导通特性，可用于整流电路；半控型器件仅能通过控制信号控制其导通， 不能控制其关断，主要是晶闸管（SCR）及其派生器件，具有单向导通特性，可用 于开关和整流电路；全控型器件能通过控制信号控制其导通和关断，包含场效应管 （FET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等，部分器件具有双向导通特性，可用于开关、 整流、逆变、放大电路。在半导体器件出现前，主要使用真空开关器件；在半导体 器件出现后，由于半导体器件体积小、损耗低，中低功率应用场景中，真空器件基 本被半导体器件取代；但大功率应用场景中，真空器件依旧广泛应用。 根据林木楠《场反位形等离子体装置的研制》，在高功率快脉冲领域，主要使用 的开关有球间隙开关（Sphere Gap Switch）、氢闸流管（Hydrogen Thyratron）以及引 燃管（Ignitron）等，该系类开关的脉冲峰值电流/电压能达到 100kA/10kV 数量级， 具有低电感、短击穿时间延时等特点。高校实验装置中大多将半导体开关作为高压 脉冲触发器，控制主回路脉冲功率开关。HFRC 装置电源系统采用 IGBT+氢闸流管 方案；KMAX-FRC 装置电源系统采用晶闸管+氢闸流管/引燃管方案。 HFRC 装置电源系统采用 IGBT+氢闸流管方案实现小于 1μs 的精确延时控制。 HFRC 装置的 θ 箍缩电源系统的开关需要承受高达 70kV/200kA 的瞬态电压/电流，为 兼顾严苛的工况以及低时延的精确控制，HFRC 选用具备耐高压和大电流能力的 TDI 系列氢闸流管作为功率模块中的脉冲开关，并基于 IGBT 设计相应的触发电路。氢闸 流管的触发主要分为两步，首先使用 5-7V 交流电压预热氢闸流管 5 分钟，然后使用 IGBT 控制升压变压器初级回路，在次级回路中形成 2-5kV 的高压脉冲，触发氢闸流 管，实现对氢闸流管导通的精确控制。由于升压变压器单方向放电会导致磁饱和， 因此额外设计一个消磁电路重置变压器并保护 IGBT 免受过流损害。

根据邓建军等《面向 Z 箍缩驱动聚变能源需求的超高功率重复频率驱动器技术》 （2014），气体火花开关在限定电流（<20kA）的条件下，寿命可望达到 106 甚至更 高，但开关的导通延时及其抖动会发生较大变化；基于低气压放电机理的气体开关 （氢闸流管、赝火花开关和 BLT）在重复频率长寿命性能方面具有独特的潜力，不 足之处在于“个性较强”，即每个开关由于个体差异导致触发控制条件均有所不同， 要想精确同步，每个开关都需配置独立的触发控制系统，而开关的触发控制系统本 身较为复杂，所以整个触发控制系统将极为庞杂。如果开关的一致性能够较好保证， 同时多个开关间由于不同步造成的相互影响能够解决，则用一套触发控制系统可以 控制多个开关，此类开关用于大型驱动器系统是较为理想的选择。半导体开关器件 拥有较高的寿命和可靠性，但功率容量低、电流上升速率低且价格昂贵；未来随着 半导体开关价格逐渐下降，驱动器采用半导体开关有望逐渐具有性价比优势。

编辑：火腿肠