可控核聚变行业专题报告：拆分不同技术路线，电源是核心驱动引擎

来源：市场资讯

（来源：未来智库）

1. 托卡马克：电源负责等离子体约束、加热、维持

托卡马克装置通过强磁场将等离子体约束在小范围内实现聚变反应。实现可控核聚 变需要高温等离子体。托卡马克装置是磁约束聚变最接近工程化的技术路线，其装置 中央是一个环形的真空室，外围缠绕着超导线圈，在导通大电流下超导线圈所产生强 磁场，将等离子体约束在小范围内实现核聚变反应。 实现磁约束需要配备相应电源系统。托卡马克装置通过磁体线圈产生的磁场位形是 螺线形环向磁场，将等离子体约束在真空区域内。其磁体线圈组成主要有产生环向磁 场的环向场线圈（TF）、激励产生和维持等离子体电流的中心螺线管（CS）、维持等离 子体平衡及控制等离子体平衡的极向场线圈（PF）组成，为了产生磁场、驱动等离子 体电流、控制等离子体平衡需要配备大功率电源系统。

ITER 装置以周期模式运行，运行时为实现对等离子体的实时控制及加热，各类电源 需要实时调节其输出功率，装置运行时电源系统的主要作用为：1）通过 AC/DC 变 流器为超导磁体线圈提供可控电流，控制等离子体的位置及形状；2）为辅助加热装 置提供能量，加热和驱动等离子体；3）为超导磁体失超提供保护。

以 ITER 项目的电源系统为例， ITER 电源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。ITER 项目电能 直接从 400kV 电网变送，三台绕组降压变压器将电压降为 66kV 和 22kV。SSEN 主要 用于低温系统、水冷系统、氚工厂、数据处理、照明空调等；PPEN 主要供给磁体电 源、辅助加热电源系统供电；无功补偿与滤波系统用于改善电网电能质量。

投资占比：ITER 项目电源相关占比 15%左右。ITER 项目，设计电源系统的项目主要 有两个，即 1）电源供应系统，2）加热即电驱系统。根据《Superconductors for fusion:a roadmap》,其中电源供应系统投资占比为 8%，加热和电流驱动系统投资占比为 7%。远期商业化项目 DEMO 中电源相关占比达 10%，其中电源供应系统投资占比 为 2%，加热和电流驱动系统投资占总投资的 8%。

ITER 电源系统由中国、美国、欧盟、俄罗斯、印度、日本、韩国等共同承担。依据 《国际聚变堆 ITER 装置电源系统综述》,美国和欧盟共同承担稳态高压变电站，俄 罗斯承担所有的开关网络单元、快速放电网络单元，印度承担所有的微波包括 LHCF、 ECRF、ICRF 等电源系统，欧盟和日本共同承担中性粒子注入系统，韩国承担部分变 流系统，中国承担脉冲高压变电站、无功补偿和滤波系统、极向场变流系统。

1.1磁体电源系统：生成稳态磁场核心设备

磁体电源系统主要包括磁体电源与脉冲高压变电站（PPEN）、无功补偿与滤波系统 （RPC&HF）。

1.1.1 磁体电源由变流器、开关网络、保护开关等组成

磁体电源给超导线圈通电，产生强磁场约束和控制等离子体位形。ITER 装置主机周 围布置有 TF、CS、PF、CCS、CCL、CCU 等超导线圈,外部电路中其相同符号代表其对 应回路的 AC/DC 变流器单元。线圈供电系统有多个子电源系统，给不同功能的超导线 圈磁体供电，ITER 磁体电源系统向 TF 线圈提供可控直流输出、向 PF 线圈、CS 和 CC 线圈提供实时变化的电压电流，实现等离子体击穿及其位形控制。

磁体电源细分单元主要有变流器单元、开关网络单元、快速放电单元等组成。1）变 流器单元：每个超导线圈回路均由多个变流器单元串联而成，变流器单元通过交直流 转换而输出任意的电流波形。2）开关网络单元：在等离子体建立和快速上升阶段时， 通过开关开断电流将超导线圈中的电流转移到电阻上，在超导线圈中产生一个高电 压,通过感应建立等离子体电流,并驱动等离子体快速上升。3）快速放电单元：如在 超导磁体失超、外真空泄漏、低温系统故障、水冷系统故障、电源系统等故障时，将 超导线圈中储存能量迅速转移,以保护超导磁体和聚变装置主机的安全。

核心器件为晶闸管和开关。每个变流器单元由 4 个晶闸管桥和一颗旁通桥组成，每个变流器桥由大功率晶闸管并联组成。开关网络单元主要采用机械开关、晶闸管并联 技术。快速放电单元采用晶闸管桥式结构，同时系统关断的主开关需采用特殊的大功 率真空开关。

1.1.2 无功补偿及谐波抑制系统：稳定装置运行与电网兼容

无功功率动态变化且范围大，需要大容量 SVG 装置。ITER 装置所有磁体电源输出电 流和电压均为实时动态变化，电压和电流变化范围从电流输出的负最大值到正最大 值，无功功率变化特点是变化范围大（0~1000Mvar），而且变化时间为毫秒级，因此 ITER 电源系统需要安装大功率无功补偿装置。大容量的补偿装置中 SVC 仍占据主导 地位，主要由于 SVC 技术成熟，成本相对较低。在国外的一些大型托卡马克的电源系 统的补偿装置中，仍使用固定电容的补偿方案，如 JET、JT-60U 等。

1.1.3 脉冲高压变电站：保持电力平稳传输

脉冲高压变电站设备包括 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 66kV 并通过母线供给各类负 荷。

1.2加热电源：辅助加热维持等离子体温度

欧姆加热有上限，需要辅助加热设备。等离子体加热手段主要有欧姆加热，中性束加 热和射频波加热三种模式，这些加热手段都可以用来驱动等离子体环向电流，提高等 离子体的温度和稳定性。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，这种加热方式称为欧姆加热，欧姆加热可以将等离子体加 热至 1keV 量级，但氘氚聚变实现点火需要将等离子体加热到 10keV 量级以上，因此 需要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。

1.2.1 主要辅助加热手段有射频波、中性束注入

主要辅助加热手段有射频波加热及中性束注入加热。欧姆加热无法实现等离子体的 自持燃烧，并且受加热场电源容量、CS 通流能力、铁芯磁通密度限制，欧姆加热无 法实现稳态运行，只能脉冲运行，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。目前主要的辅助加热手段有射频波加热及中性束注入加热，这些辅助加热手段能够促使等离子体转动，改善等离子体的磁流体不稳定性。

射频波加热： 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加热（ICRH）、低杂波电流驱动加热（LHCD）和电子回旋共振 加热（ECRH）等形式，其中离子回旋波频段为 0-100MHz，可由大功率真空四极管产 生，用于直接加热离子；低混杂波频段为 1-10GHz，可由速调管产生，能够对离子及 电子同时进行加热；电子回旋波频段为 28-170GHz，可由电子回旋管产生，用于直接 加热电子。

中性束注入（NBI）： 主要功能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。中性束加热的功率与粒子能量密切相关，而粒子能量与加速极 电压高低成正比关系，因此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。NBI 的供电系统一般由加速电源、离子源、引出电源、接地相关电源组成。

1.2.2 射频波加热、中性束注入均需要高压电源

高压电源作为辅助加热系统的重要组成部分，直接影响辅助加热的功率及效率。目前 高压电源方案主要分别为基于脉冲阶梯调制技术的 PSM 高压电源及基于隔离型直流 升压变换(逆变-升压-整流)技术的 HVPS 逆变型高压直流电源。

PSM 电源： PSM 电源是一种级联多电平变换器，由多个低压直流电源模块输出端串联以获得高 压。通过低压电源模块串联的方式代替开关管自身的串联，实现对高压的调节控制。 PSM 技术具有如下优点: 1） 可实现高精度输出：电源输出电压由投入模块数及模块占空比决定，总输出电压 连续可调，引入反馈调节系统后，可以实现高精度输出。 2） 系统效率高：由低压直流斩波模块串联获得高压输出，其电源损耗主要为变压器 损耗及模块内部开关管损耗，在千赫兹量级频率下，开关管损耗以通态损耗为主， 因而系统的总效率很高。 3） 故障响应快：负载故障时，只需要闭锁模块内部开关驱动，即可切断高压电源向 负载的供电，其响应时间为微秒量级，能够很好的实现负载打火保护。

逆变型高压直流电源： HVPS 电源作为 JT-60U 及 ITER 负离子源加速极高压电源的设计方案，与 PSM 电源相 同，也将采用模块化设计，由多级较低电压的直流电源串联以获得更高电压的输出。 与 PSM 高压电源模块相比，逆变型高压直流模块因为引入全控整流及逆变电路，其 控制更为复杂，且全控型开关管的使用大增，系统成本更高，可靠性相对更低，但同 时也具备以下优点： 1） 系统绝缘更易实现：该电源高压输出侧仅有二极管布控整流电路及输出滤波电路， 不含有源器件，控制电路全部位于低压侧，只有主电路需要由升压变压器提供隔离，因此其系统整体的高压绝缘更易实现。 2） 适用于中性束注入等高压场景：为降低模块成本，通常 PSM 电源单模块输出电压 都在 1kV 左右，当总输出电压很高时，PSM 电源所需要的模块数目将非常多。对 于中性束注入需要的几百千伏至兆伏量级的高压电源，以逆变型高压电源为主要 解决方案。如 JET、JT-60U、ITER 等装置的中性束注入系统加速极电源，均已采 用或拟采用逆变型高压电源技术。

2. 新技术路线：电源系统价值量高

2.1Z-箍缩混合堆核心设备为电流驱动器

Z 箍缩聚变研究起始于 1950 年左右，主要以美国 Sandia 实验室和俄罗斯库尔恰托夫 研究院等为主，国内开展研究始于 2000 年，以中物院为核心利用国内的“阳”、“强 光一号”加速器以及俄罗斯 S-300，Angara-5 等装置持续开展研究，2002 年中物院 启动建设电流为 8-10MA“聚龙一号”装置，2008 年提出“ Z 箍缩驱动聚变-裂变混合堆”概念，2025 年 3 月“先觉聚能”公司成立，彭先觉院士团队主导 Z 箍缩聚变裂变混合堆相关建设。 Z 箍缩电流驱动等离子体压缩靶丸产生聚变。Z 箍缩（Z-Pinch）指用强脉冲电流通过 导体负载（金属丝阵列、带阵列、套筒），电流沿负载的轴向流动时候，产生的角向 磁场将负载内向箍缩，压缩等离子体，极端压缩等离子体可使中心氘氚燃料瞬间达到 高温高压状态，满足劳森判据，实现核聚变。2013 年美国圣地亚国家实验室在 ZR 装 置上进行了首次“磁化套筒惯性约束聚变”实验，在外加磁场的作用下，套筒内爆过程不稳定性得到控制。

混合堆为 Z 箍缩产生的高能中子在包层中发生裂变反应。聚变-裂变混合堆包括能源 靶和次临界能源堆两个部分，Z 箍缩驱动的激光惯性约束聚变产生的高能中子在铀、 钍等材料中的增殖作用和放能作用，以金属铀为核燃料，制成放能增殖包层，同时实 现生产核燃料（Pu，T）、嬗变核废料和输出能源。

聚变-裂变混合堆利用 Z-Pinch 聚变技术，主要关键技术为高产额聚变靶设计技术、 重复频率大电流驱动器设计、次临界能源堆设计技术、以及换靶机构和爆室设计技术， 核心装置主要有驱动器、次临界能源堆、靶和负载工厂、氚工厂和燃料循环系统等。 从成本占比来看，60-70MA 级驱动器占比 33%，次临界能源堆占比 33%，靶和负载工 厂占比 10%，氚工厂和燃料循环占比 23%。

电流驱动器是支撑设备。Z 箍缩驱动器是一种大型超高功率脉冲功率装置，产生脉冲 强电流，负载在脉冲强电流加载下内爆压缩氘氚靶达到聚变条件，依据《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》研究，在 30-40MA 电流的条件下 有可能实现点火，在 60-70MA 电流的条件下可以实现有商业价值的能源输出。 驱动器总体技术要求：1）电流功率要求，输出电流峰值大于 60MA，功率数百 TW；2） 脉冲信号要求，电流脉冲上升时间约 150ns；3）可重复运行，重复频率约 0.1Hz；4） 高可靠性和长使用寿命，寿期大于１年，寿命至少大于 3*106次；5)系统有较好的可 靠性和经济性。 电流驱动器结构：中国工程物理研究院流体物理研究所在 2013 年自主研制成功 10MA 装置（聚龙一号），驱动器结构可参考“聚龙一号”装置，由 24 路模块并联组成，每 一路模块包含脉冲倍压发生器（Marx 发生器）、中间储能电容（IS）、激光触发气体 开关（LTGS）、脉冲形成线（PFL）、水介质自击穿开关（WS）、三板线输入段（Tin）、 预脉冲开关（ppWS）和三板线输出段（Tout）等部件组成。

2.2电源驱动等离子体形成场反位形（FRC）路线

场反位形由脉冲电源驱动。场反位形（Field-reversed Configuration, FRC）是一 种几乎只有极向磁场没有环向磁场的轴对称紧凑型等离子体位形。外部沿轴向排列 的θ-pinch（角向箍缩）线圈通过形成区电源产生的磁场和内部等离子体产生的磁场 共同组合成了场反位形磁场，对等离子体进行约束。FRC 具有更高的β值（产生等离 子体的热压与磁压的比值），β值越高磁场强度相同情况下，输出的等离子体温度和 密度更高。

FRC 研究主要有两个方向：准稳态磁约束运行、磁化靶聚变。当前 FRC 聚变研究主要分为两个方向，一方面是准稳态运行的磁约束途径，如美国 TAE 公司的 C-2 系列 装置，它是采用碰撞融合的方法形成 FRC，利用中性束注入来维持 FRC。另一种是将 FRC 作为磁化靶聚变（magnetized targetfusion，MTF）中靶等离子体，利用外部驱 动压缩内爆 FRC 的脉冲运行，属于磁惯性约束范畴。

HFRC 装置主要包含磁体系统、真空系统、电源系统、诊断系统、注气系统、控制与 数据采集系统等。以华中科技大学的 HFRC 装置为例，先通过θ箍缩产生初始等离子 体，随后进行碰撞融合以及磁压缩，碰撞融合可以将等离子体的动能转换为热能，提 高参数，磁压缩进一步加热等离子体，提高温度和密度。

FRC 装置形成等离子体主要四个阶段。FRC 大致可以分为偏置与预电离、反场与磁重 联、径向压缩与轴向压缩以及平衡这四个阶段。偏置与预电离主要为形成偏置磁场同 时电离真空室气体，形成等离子体。反场与磁重联主要为形成场反位形，径向压缩与 轴向压缩主要为形成的场反等离子体持续向中轴线收缩，平衡时期离子体发生振荡 并最终达到平衡态。

FRC 电源分为形成区电源和准稳态电源。形成区电源也叫θ-Picnh 电源，主要任务 为在微秒和毫秒级提供大电流，用于形成初始等离子体和形成场反位形。准稳态电源 用于 FRC 的维持区，在 FRC 形成并且传输到中心室后，提供持续、相对稳定的电流， 维持 FRC 的平衡。

形成区电源核心零部件为真空开关和电容。形成区电源系统主要用于给环绕在真空 室上的线圈供电产生磁场。形成区电源系统采用高压脉冲放电的工作模式，且系统中 各支路的电压电流参数较高，因此对各支路组件的瞬态耐压值和通流能力有较高要 求，主要核心零部件为高压脉冲电容器和高压开关，高压开关主要选用氢闸流管。

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