机械设备行业专题报告：场反位形装置拆解及成本构成

分析师李鲁靖登记编号：S1220523090002赵璐登记编号：S1220524010001场反位形装置拆解及成本构成机 械 团 队 • 行 业 专 题 报 告证券研究报告 | 机械设备 | 2025年06月20日报告摘要•原理：场反位形是一种轴向对称的紧凑环型磁场位形，而且其中心无线圈通过。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，没有外加环向场磁体系统。•特点：相比托卡马克、仿星器等大型磁约束装置，场反位形具有结构与位形简单、体积与耗资更小、比压β值高、具有天然偏滤器、等离子体便于转移等特点。•定位：场反位形装置在未来有望成为一种小型经济的聚变堆，也有可能发展为聚变中子源装置并应用于未来聚变堆的耐中子辐照材料测试上，因此对场反位形装置的探索是非常具有意义的。•成本构成：从场反位形装置的成本构成来看，电源占比达到61.8%，是最主要的成本来源，其中占比最大的是磁压缩电源，占比55.7%，其次是frc电源、电离电源。主机装置（真空室、线圈等）占比16.5%，是成本占比第二大的部件，此外，诊断系统占比达到10.9%，包括干涉、散射、辐射等各式光学和电磁系统，也是重要的组成部分。此外，第一代装置一般不具备燃料等辅助系统，不涉及燃料供给，在托卡马克装置中，氚循环等相关辅助装置占比约为25%，Z箍缩混合堆中氚工厂和燃料循环占比约为23%。因此，后续场反位形成熟商业化装置将在此基础上增加燃料循环装置，我们预计燃料循环装置在最终商业化装置中价值量占比在20%左右。•典型FRC装置在形成等离子体过程中会自行对等离子体进行一定程度的加热。这是由于θ-pinch线圈产生的磁场快速上升会在等离子体中感应出与外部线圈相反的电流，而外部磁场与等离子体电流相互作用产生的洛伦兹力会将内部的等离子体进行压缩和加热，直至等离子体整体受到的磁压与自身热压达到平衡。•此外，对于氘氚反应，现有的中性束、离子回旋等加热方式会将等离子体加热到15keV来实现氘氚反应目标，但由于高束流密度负离子源、高耦合效率离子回旋天线等工程技术限制。而大规模氘氘聚变反应对等离子体温度要求更高，预计需要30keV以上。因此，中子源采用磁压缩的等离子体加热方法。磁压缩主要运用脉冲功率、强磁场技术等较为成熟的技术手段来同时提升等离子体电子、离子温度以及等离子体密度。◼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）、王子新材/胜业电气（电容器）、四创电子（PSM电源）、英杰电气（电源总成），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）、景业智能（燃料循环系统相关设备）◼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：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2● 场反位形的概念最早在1956年随着阿斯特朗（Astron）装置概念一同被提出，它是一种轴向对称的紧凑环型磁场位形，而且其中心无线圈通过。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，没有外加环向场磁体系统。● 外部沿轴向排列的θ-pinch（角向箍缩）线圈产生的磁场和圆环等离子体产生的磁场共同组合成了场反位形磁场，场反位形内部的磁面由一簇簇嵌套的轴向磁力线构成，而其外部的磁力线则是开放的，这种磁场位形可以将等离子体约束成一个轴向对称的圆环。此外，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，有利于提高FRC的稳定性。● 在场反位形磁场中等离子体外部的开放磁力线与内部的闭合磁面有着明显的边界面，这个边界面被称为分界面（Separatrix）。分界面内包含着一圈圈闭合磁面，在最内层的磁面被称为磁零点（ O-point ）或磁轴（Magnetic axis），在磁零点处磁场强度为零。● 在磁约束等离子体中有一个重要概念叫做比压β，它是等离子体压强与外部磁压强的比值，可以用式β=P/(Be2/2μ0)来表示，β值表示了外部磁场对等离子体的约束效率和磁能转换为等离子体内能的效率。场反位形的高β值可以确保整个系统的能量利用效率更高，有利于实现更高的等离子体参数。1.1 场反位形的原理场反位形（FRC）示意图场反位形等离子体切面图资料来源：华中科技大学，方正证券研究所● FRC形成技术主要包括场反θ箍缩（FRT，Pfield reversed-pinch）、旋转磁场（RMF，rotating magnetic field）、传输捕获、同轴源、球马克融合、碰撞融合重联等。● 右图为最常用的FRTP形成场反位形的过程。● 首先加反向偏置磁场，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。● 与其他方式相比，FRTP是纯感应形成FRC，无需拉弧电极，产生的等离子体参数比较高，形成过程产生的杂质较少，几乎所有高温高密度FRC形成都依赖于FRTP。1.1 场反位形的原理FRTP形成场反位形过程资料来源：华中科技大学，方正证券研究所FRC装置目前的等离子体参数相对偏低。但 FRC是高β位形，在低磁场下可实现较好约束，功率输出效率相比于同尺寸聚变装置更高。这些特征使得FRC在聚变界受到的关注越来越多，被认为是最有前景的未来商用聚变堆之一。作为具有巨大潜力的聚变概念，FRC聚变研究主要分为两个方向，一种是准稳态运行的磁约束途径，另一种是将FRC作为磁化靶聚变（magnetized target fusion，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。通过实验推导的劳森参数与离子温度的关系1.1 场反位形的原理● 场反位形的优势：● ①结构与位形简单。外部激励线圈只需要极向场线圈而不需要纵场线圈，激励线圈线性的排列在石英管外部，更易于安装与调试，磁场位形基本只含有极向磁场分量，环向磁场可以忽略不计