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

分析师李鲁靖登记编号：S1220523090002赵璐登记编号：S1220524010001磁约束及惯性约束聚变装置电源拆解及成本构成机 械 团 队 • 行 业 专 题 报 告证券研究报告 | 机械设备 | 2025年05月28日报告摘要•从托卡马克装置成本构成来看，涉及电源部分的分别是电力供应（占8%）、加热和电流驱动（7%），即电力、电源部分共计占比15%，是托卡马克装置的重要组成部分，且电源领域企业较多，因此有必要对电源进行更深入的研究。•电源系统在ITER装置中占据着极其重要的地位，功能主要有三点：1）为微波、中性粒子等装置提供能量，维持聚变反应所需高温等离子体环境。2）为各超导线圈导通电流，产生对应强磁场以约束和控制等离子体位形。3）为聚变装置各辅助系统供电及磁体失超的保护电路。•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。1）PPEN供给各类脉冲整流电源运行所需的脉冲功率，又可以分为磁体电源、辅助加热电源、无功补偿和滤波系统，2）SSEN为稳态运行子系统及各类常规配电提供稳态功率，主要用于低温、水冷等系统用电。•【磁体电源】又可以分为极向场（PF）、环向场（TF）、中心螺线管（CS）、垂直稳定（VS)、校正场（CC）电源，其主要特点是，需要电源系统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。•【辅助加热电源】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，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。辅助加热电又可以分为离子回旋加热（ICRH）、电子回旋加热（ECRH）低混杂波加热（LHRF）、中性束注入（NB）4种，其中，前三种均需要采用脉冲阶梯调制（PSM）高压电源，而中性束注入系统加速极电源一般采用逆变型高压（HVPS）电源技术。•此外，在惯性约束中，电源价值量占比有望进一步提高。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。•投资建议：建议关注•1）辅助加热电源：四创电子（PSM电源）、英杰电气（PSM电源）、旭光电子（大功率四极管）•2）磁体电源：许继电气（极向场电源）、爱科赛博（真空室线圈电源）、弘讯科技（校正场线圈电源）、王子新材（薄膜电容）•3）其他辅助装置：中国西电（电源工作组、中性束工作组的变压器）、久盛电气（特种电缆）、国力股份（氢闸流管）•4）惯性约束电源：许继电气（20KJ预放能源组件，20kV电光开关驱动源、LD电源等）•风险提示：核聚变技术研发不及预期风险、投资不及预期风险、核电机组批复不及预期风险、交付节奏不及预期风险、原材料价格波动风险21.托卡马克价值量拆分及ITER的电源构成1.1 托卡马克价值量拆分4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%。资料来源：‘Design of the ITER first wall and blanke’，A. Raffray, M. Merola，方正证券研究所ITER成本构成DEMO成本构成1.2 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5•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。ITER布局图资料来源：中科院等离子体物理所，方正证券研究所ITER供电系统拓扑图1.2 ITER供电系统：电网、配电、负载6ITER电源系统的组成，其中包括电网：法国400 kV电网；配电：脉冲、稳态高压变电站；负载：磁体电源系统；微波及中性粒子装置等电源系统（即中性束注入NB，离子回旋ICRF，电子回旋ECRF，微波加热LHCD）；无功补偿及其滤波系统资料来源：南方能源建设，方正证券研究所ITER电源系统组成电源系统在ITER装置中占据着极其重要的地 位，它的功能主要有以下三点： 1）为微波、中性粒子等装置提供能量，维持聚变反应所需高温等离子体环境。 2）为各超导线圈导通电流，产生对应强磁场以约束和控制等离子体位形。 3）为聚变装置各辅助系统供电及磁体失超的保护电路。2.磁体电源2 磁体电源8ITER主要线圈的变流器电源结构示意图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。资料来源：ITER聚变装置及其电源系统，胡星光等，方正证券研究所线圈额定电流（kVA)额定电压（V）TF（环向场）68900PF（极像场）551350CS（中心螺线管）451350VS(垂直稳定）22.51350CC（校正场）10100/450ITER主要线圈的变流器电源额定参数3.辅助加热电源3 辅助加热电源：欧姆加热、辅助加热10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