机械行业核创纪元系列-电源系统：以能量驱动聚变反应，以壁垒筑就细分龙头

核创纪元系列——电源系统：以能量驱动聚变反应，以壁垒筑就细分龙头长江证券研究所机械研究小组2025-07-02%%%%%%%%research.95579.com1分析师 赵智勇分析师 臧雄联系人 王硕SAC执业证书编号：S0490517110001SAC执业证书编号：S0490518070005SFC执业证书编号：BRP550SFC执业证书编号：BVO790分析师及联系人证券研究报告评级看好维持• 证券研究报告 •%%%%%%%%research.95579.com201电源系统是托卡马克的动力来源02磁体电源：控制等离子体的核心关键03辅助加热电源：达到反应温度的必要环节目 录05磁惯性约束：电源的价值量占比更高06核聚变电源壁垒较高，多家公司已取得进展04储能系统：解决电源系统功率冲击问题的关键%research.95579.com3电源系统是可控核聚变装置的重要组成部分资料来源：胡星光等《ITER聚变装置及其电源系统》，贾登格《ITER磁体电源系统与无功补偿装置控制研究》，可控核聚变，长江证券研究所可控核聚变电源系统磁约束-托卡马克磁体电源辅助加热电源高压变电网络电网脉冲高压变电网络(PPEN)稳态高压变电网络(SSEN)环向场线圈(TF)极向场线圈(PF)中心螺线管线圈(CS)垂直平衡场线圈(VS)校正场线圈(CC)中性束注入(NB)离子回旋加热(ICRF)电子回旋加热(ECRF)微波加热(LHCD)无功补偿及滤波系统惯性约束Z箍缩场反位形FRC源电源磁压缩电源电离电源储能系统%%%%%%%%research.95579.com401电源系统是托卡马克的动力来源%%%%%%%%research.95579.com5电源系统是托卡马克的重要部分，价值量占比约15%➢ 电源系统在ITER装置中扮演着至关重要的角色，其主要功能包括以下三个方面：• 提供能量：它为微波加热、中性粒子注入等关键设备供应能量，以保持聚变反应所需的高温等离子体状态。• 产生磁场：通过向各超导线圈输送电流，产生强大的磁场，这些磁场对于约束和控制等离子体的形状至关重要。• 供电与保护：为聚变装置的各个辅助系统提供电力，并配备有磁体失超保护电路，确保系统的安全运行。➢ 从ITER的成本拆分来看，电源系统占比约8%，加热和电流驱动系统占比约7%，因此电源相关价值量合计占比约15%，是托卡马克装置的重要组成部分之一。图：ITER部分稳态电网资料来源：ITER官网，Fusion for Energy，Neil Mitchell et al.《Superconductors for fusion: a roadmap》，可控核聚变，长江证券研究所图：ITER装置成本拆分17%8%28%7%14%5%6%7%8%容器内部件真空室磁体加热和电流驱动建筑低温装置和冷却水系统仪表和控制其他辅助系统电源系统%research.95579.com6托卡马克装置供电特点为大功率、脉冲式、储能高➢ 托卡马克装置供电的特点包括大功率、脉冲式、储能容量大等，具体如下：• 脉冲电源工作方式：托卡马克装置采用脉冲工作方式，因此其电源系统也是脉冲式的。这是因为等离子体电流的产生、建立和维持依赖于欧姆线圈提供的有限摆动伏特秒数。以ITER为例，它的脉冲功率需要达到毫秒级的响应速度，幅值高达260MW，每个脉冲周期持续时间长达数百秒，这对电网造成了极大的功率冲击。• 大功率供电需求：对于大型托克马克装置，其功率需求相当于一个大型发电站；即使中小型装置的脉冲供电总功率，也相当于一个小型发电站的输出功率。• 储能设备容量巨大：在一些托克马克装置中，电源系统需要储能设备来满足负载供电要求，因为负载不可能连续或过高地从电网吸收功率。例如，ITER中的18个环向场线圈的储能达到40GJ，如果这些能量瞬间释放，其破坏力相当于10吨TNT炸药。• 对电网的冲击：托克马克装置使用交流飞轮发电机组或直接使用电网供电，并通过晶闸管变流器将交流功率转换为直流。这可能会产生谐波，影响电网供电质量，甚至导致电网电压下降。为了缓解这一问题，通常需要建设大容量的无功补偿设备。图：聚变装置电源参数资料来源：苏杭等《混合式新型聚变电源概念设计》，可控核聚变，长江证券研究所图：80Mvar无功补偿设备聚变装置ITERASDEX-UJT-60SAKSTARJET电网电压/kV400110275154400主变压器容量/MVA90016388100900脉冲发电机容量/MVA-571615200400磁体电源容量/MVA2243600256.2227.5939辅助加热电源容量/MVA2709512828320%%%%%%%%research.95579.com7ITER电源系统组成及工作过程➢ ITER电源系统由多个组成部分构成，包括但不限于：稳态和脉冲高压变电站、磁体电源系统、连接至法国400kV的电网、以及为中性束注入(NB)、离子回旋共振加热(ICRF)、电子回旋共振加热(ECRF)和微波加热(LHCD)等装置提供能量的电源系统。此外，还包括无功补偿和滤波系统，以确保电力供应的稳定性和质量。图：ITER电源系统组成资料来源：胡星光等《ITER聚变装置及其电源系统》，ITER官网，长江证券研究所➢ 电源系统工作过程：• 降压变压：来自电网400kV的电力在到达超导磁体之前，需要经过一系列级联变压降压。首先，三台大型脉冲电力变压器将电压降至66 kV和22 kV，然后输送至磁能转换大楼外的换流变压器。• 交流转直流：First Plasma计划配备32台交流/直流换流单元，包括一台变压器、一台换流器和一段母线。每台换流变压器专用于一个特定的磁体系统，它们的作用是将电压降至约1 kV（具体电压由各个磁体系统决定）。每台换流变压器都配有一个大型整流器，其功能是将交流电转换为较大的直流电。电流经过“整流”后，即可输送至磁体。• 失超保护：综合设施内还安装了快速放电装置和开关，以便在发生“失超” 的情况下，为ITER磁体系统中储存的巨量能量（高达50KMJ）提供另一条释放路径。%%%%%%%%research.95579.com8电网通过高压变电网络为装置供电➢ 电网：ITER装置交流电源供电系统是由一个巨大容量的双回路400 kV 电网组成， 系统短路容量为12 GVA，最终将达到27 GVA。➢ 高压变电网络：1）脉冲高压变电网络：来自 400 千伏线路的电力将通过 3 台降压变压器转换为中压 (69 千伏)，为超导磁体线圈、加热和电流驱动系统提供所需的大量电力；2）稳态高压变电网络：为整个工厂、办公室和运行设施提供运行所需的电力，冷却水和低温系统加起来将消耗约80%的电力。➢ 我国中科院承担的采购包：脉冲高压变电站设备采购包括400 kV 高压配电站的全部设备，包括400 kV 和66 kV 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22 kV 开关成套设备，将双回路400 kV 电压通过三组300 MVA变压器变到66 kV 并通过母线供给各类负荷。其中400 kV、66 kV 和22 kV 等级高压开关均采用SF6 技术。图：脉冲及稳态高压变电网络供