国防军工行业专题报告：紧凑型核聚变路线——直线型核聚变装置(场反位形)

分析师紧凑型核聚变路线——直线型核聚变装置（场反位形）军 工 团 队 • 行 业 专 题 报 告证券研究报告 | 国防军工 | 2025年06月11日李鲁靖登记编号：S1220523090002刘明洋登记编号：S1220524010002黄凯伦登记编号：S1220524090001摘要◼可控核聚变的技术路线主要可分为磁约束与惯性约束两大种类，其中磁约束核聚变在当前占据主流地位，主要包括托卡马克（环形磁场）、直线型场反位形（Field-Reversed Configuration, FRC）、仿星器（复杂外线圈磁场）。其中场反位形直线形装置受到AI企业（微软、OPEN AI等）的重点青睐，与数据中心等场景应用契合度较高。◼场反位形（FRC）作为一种磁约束聚变技术，利用等离子体自身产生的磁场与外部磁场相互作用，形成一种封闭环形结构以约束等离子的方式。随着相关技术的发展，FRC凭借其优势或有望成为率先实现商业化的技术路线。◼场反位形（FRC）的运行机理主要包括两大步骤：①自持等离子体环的形成②等离子体输运与压缩融合。其主要具有三大优点：无需依赖外部加热源、降低宏观不稳定性、易于工程化。◼通过FRC实现聚变主要有两种技术路线：磁化靶FRC、准稳态FRC。◼由于场反技术仅需要较小的外部磁场（低成本）来封闭高温、高密度（高性能）的等离子体，因此，其对磁体的需求相较于托卡马克而言大大降低。而由于FRC装置的技术特点，其对于电源系统的需求将大幅提高，主要为脉冲式放电，真空开关、PSM电源、电容占比或较大幅度提升。鉴于托卡马克装置中磁体与电源系统占比高达43%，我们预估在场反装置中，由于体积的减小，土建和外围电路成本显著下降，电源系统(真空开关、电容、电源系统）占比或达50%。此外，聚变反应场所（真空室/堆内构件）及燃料/检测等关键系统预计将保持高价值比例。◼场反位形技术在国内外的应用主要包括美国的TAE Technologies、Helion Energy，日本的LINEA innovations以及中国的诺瓦聚变、瀚海聚能和星能玄光。◼投资建议：重点关注紧凑型核聚变装置技术——场反位形直线型装置高价值量部分◼1）开关及电源类：旭光电子（真空开关、大功率电子管、氮化铝核心材料）、四创电子（PSM电源）、英杰电气（电源总成），王子新材/胜业电气（电容器），爱科赛博（电源总成），百利电气等◼2）真空室/堆内构件等部件：合锻智能（真空室扇区、窗口延长段、重力支撑，同时拓展其他堆内构件）、安泰科技（钨铜偏滤器、钨铜限制器、包层第一壁、钨硼中子屏蔽材料），派克新材（聚变金属结构锻件），上海电气（杜瓦、真空室、TF线圈等），斯瑞新材（耐高温高强高导原材料）◼3）燃料、检测、辅助系统：国光电气（传输分系统、涉氚燃料各类设备及零部件）、皖仪科技（检测设备）◼4）超导磁体：永鼎股份（高温超导带材），东方钽业（超导铌材、铍材料），西部超导（低温超导线材），精达股份（高温超导带材）◼5）核心模块建设及分系统制造：利柏特、中国能建风险提示：可控核聚变技术发展不及预期；ITER项目推进不及预期；国内项目推进不及预期。2◼ 可控核聚变的技术路线主要可分为磁约束与惯性约束两大种类，其中磁约束核聚变在当前占据主流地位，主要包括托卡马克（环形磁场）、场反位形（Field-Reversed Configuration, FRC）、仿星器（复杂外线圈磁场）。随着相关技术的飞速发展，系统结构简单、造价及运行成本低的FRC备受关注，被称为可控核聚变领域的“黑马”，成为有望率先实现商业化的技术路线。◼ 场反位形（FRC）：作为一种磁约束聚变技术，场反位形可看作紧凑环（compact torus）的一种，其在上世纪就已被提出，科学家基于对磁场与等离子相互作用等理论的研究，设想出利用等离子体自身产生的磁场与外部磁场相互作用，形成一种封闭环形结构以约束等离子的方式（一个足够密度的高能电子层可能会反转磁场），值得注意的是，场反位形装置只有极向场，没有环向场或几乎可以忽略。相比其他磁约束技术路线，FRC具有高比压β、易转移、可直接发电等明显优点，被作为一种热门的潜在聚变方案进行研究。1.1 可控核聚变领域黑马：场反位形技术（FRC）资料来源：瀚海聚能，星能玄光，方正证券研究所3场反位形结构场反位形结构示意图场反位形（FRC）示意图◼ 以瀚海聚能公司研发的HHMAX-901装置为例，其运行机理主要包括两大步骤：①自持等离子体环的形成②等离子体输运与压缩融合。 ①：早在上世纪相关理论提出时，就确定了通过特殊的磁场配置，可形成一个内部磁场与外部磁场方向相反的 “场反转” 结构，从而使得等离子体在内部区域形成一个闭合的环状磁场结构。如今的研究则是不断优化这一磁场配置，提高等离子体环的形成效率和质量。 ②：基于前期的理论基础，在装置两端分别产生FRC等离子体，并通过线圈时序通电构造出阶梯状磁场分布，驱动等离子体向中心输运，同时进一步压缩，在中心区完成融合，以提升等离子体参数。当前的技术发展重点在于更精确地控制磁场分布、时序以及等离子体输运和压缩过程，以达到更高的等离子参数。◼ 场反位形（FRC）的优点主要有以下三点：无需依赖外部加热源、降低宏观不稳定性、易于工程化。1.2 场反技术的运行机理与优势资料来源：瀚海聚能,方正证券研究所4瀚海聚能的FRC聚变装置FRC的优点◼ 通过FRC实现聚变主要有两种技术路线：磁化靶FRC、准稳态FRC。◼ 磁化靶FRC：将FRC作为磁化靶等离子体，脉冲压缩至聚变条件。目前Helion就是基于此方案，其在2021年获得了近5亿美元的投资。其难点在于高密度磁化靶FRC的形成、传输以及寿命。◼ 准稳态FRC：采用碰撞融合技术来生成场反位形。先在装置两端的形成区，由角向箍缩生成两个独立的场反位形，然后转移至融合区以超声速对撞融合形成稳定的场反位形。目前将FRC进行准稳态运行的是TAE公司，其方案是利用中性束注入（NBI）来维持FRC，最终目标是实现氢硼聚变。TAE最主要的进展是在C-2W装置上把FRC的能量约束时间大幅提升至了10ms量级，并且极大的推进了人们对FRC的理解。该方案的难点在于FRC的电流驱动以及稳定性问题。◼ 对于磁化靶FRC或是准稳态FRC聚变方案来说，形成一个高参数的初始FRC是非常关键的。碰撞融合FRC作为一种产生高质量FRC的方法，是国内外诸多实验装置的研究重点。从C-2装置上的实验结果来看，与单边传输FRC相比，对撞融合FRC呈现诸多优点：a)极向磁通增加；b)等离子体温度提升；c)磁通约束时间增加，输运降低。1.3 场反位形的技术路线资料来源：星能玄光,方正证券研究所5磁化靶FRC方案示意图TAE公司的C-2W装置◼ 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。◼ 从托卡马克装置（如ITER）的成本构成来看，涉及电源部分的分别是电力供应（8%）、加热和电流驱动（7%），即电力、电源部分共计占比15%。我们