机械行业：核创纪元系列——详解可控核聚变场反位形(FRC)技术路线与投资机会

核创纪元系列——详解可控核聚变场反位形(FRC)技术路线与投资机会长江证券研究所机械研究小组2025-07-20%%%%%%%%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.com201什么是场反位形(FRC)？02场反位形(FRC)相比托卡马克有哪些优势？03国外FRC主要项目及公司进展如何？目 录04国内FRC主要项目及公司进展如何？05投资建议%research.95579.com301什么是场反位形(FRC)？%%%%%%%%research.95579.com4场反位形(FRC)：仅具有极向场的新兴磁约束聚变位形➢ 场反位形（Field-reversed Configuration, FRC）是新兴的磁约束聚变位形之一。与托卡马克以及仿星器不同，场反位形是有着较强的极向磁场的同时仅有较少的环向磁场的轴对称紧凑环型等离子体位形，由分界面内部的闭合磁力线和分界面外部的开放磁力线组成。➢ 由于场反位形在理论上仅具有极向磁场，故其相较于环形约束位形具有一些独有的特性：• 1）场反位形的磁力线仅在极向截面上闭合，这使得等离子体的比压值β（热压强与磁压强之间的比值）较高，具有对等离子体良好的约束性。• 2）场反位形外部的开放磁力线可以起到偏滤器的作用。• 3）场反位形还具有可移动性，基于该特性可以将其用于等离子体的对碰融合和磁压缩等方向的科学研究，以及托卡马克的原料注入和太空推进等诸多工程应用场景。• 4）因场反位形仅需要对极向磁场进行设计，所以场反位形等离子体装置结构简单，建造难度和成本都远低于托卡马克以及仿星器等。图：场反位形(FRC)结构示意图资料来源：赵言昊《基于氢闸流管的HFRC形成区电源的优化研究》，瀚海聚能，长江证券研究所图：Helion Energy公司正在开发的核聚变装置采用FRC技术%%%%%%%%research.95579.com5场反位形(FRC)：仅具有极向场的新兴磁约束聚变位形➢ FRC的相关概念早在上世纪就已被提出，当时科学家们基于对磁场与等离子体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体的方式。但由于当时的科学技术水平以及各方面条件的限制，其研究和应用进程相对迟缓。随着近年来科学技术的持续进步，FRC技术重新受到关注，其具有系统结构相对简单、造价与运行成本低、商业化潜力大等特点，有望成为核聚变领域的“黑马”并率先实现商业化。➢ FRC的主要运行机理如下：• 1）自持等离子体环的形成：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）等离子体输运与压缩融合：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。图：场反位形(FRC)原理示意图资料来源：瀚海聚能，长江证券研究所表：场反位形(FRC)的组成结构组成部分功能作用内部闭合磁力线区域在装置中心区域，磁力线形成闭合环路磁场，有效地约束高温等离子体。外部开放磁力线区域外部区域中，磁力线两端开放，连接装置壁面，对约束起辅助作用。分界面分界面是内外磁场的交界面，界定了等离子体主要聚集与约束的区域。直线型对称结构与传统的环形（托卡马克等）聚变装置相比，直线型设计在几何结构上更加简单，有助于降低系统的不稳定性和工程实现的复杂度。%research.95579.com6场反位形(FRC)：既可以是磁约束，也可以是混合约束➢ FRC聚变主要分为两个方向：➢ 1）准稳态运行的磁约束途径，如美国TAE公司的装置利用中性束注入来维持FRC；➢ 2）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，该技术路线的代表公司为美国Helion Energy。图：场反位形(FRC)分为磁约束和磁惯性约束两个方向资料来源：李璐璐等《反场构形的二维磁流体力学描述》，肖池阶等《磁约束聚变方案中的磁镜、场反及偶极场位形研究进展》，Helion Energy官网，可控核聚变，长江证券研究所图：在“荧光-1” 实验装置上FRC 形成过程中的磁场、等离子体温度及密度的演化场反位形(FRC)磁约束磁惯性约束TAEHelion Energy（准稳态运行）（靶等离子体）%%%%%%%%research.95579.com7场反位形(FRC)：结构相对简洁，电源为核心组成部分➢ 场反位形(FRC)装置的设计相对简洁，电源系统为核心部分。以HFRC装置为例，其主体结构总长度为15.3 m，其中：1）主机由两侧的形成区以及中间的碰撞融合压缩区组成，两侧的形成区用以产生初始等离子体，并将其喷射向位于中间的融合压缩区，使等离子体对碰融合压缩；2）除主体部分外，还包括真空及注汽系统、准稳态电源系统、形成区电源系统、诊断系统、控制系统、数据采集系统等子系统，其中电源系统的重要性及价值量占比或较高。图：华中科技大学场反装置HFRC实物图资料来源：赵言昊《基于氢闸流管的HFRC形成区电源的优化研究》，长江证券研究所图：华中科技大学场反装置HFRC主机示意图%%%%%%%%research.95579.com802FRC相比托卡马克有哪些优势？%research.95579.com9直接利用感应式能源发电，能量转化效率高➢ 从聚变能转化为电能的过程，FRC的能量转化效率或远高于托卡马克：➢ 大部分托卡马克的初步设计是把核聚变热通过液体冷却系统导出，然后驱动热交换器带动汽轮机，进而带动发电机发电。热量传递机制也参考裂变的做法：第一部分是热辐射加热；第二部分是包裹在反应堆外部的液态水，在吸收了核聚变的快中子后发热。但是经过两重回路的损耗，热电效率会大幅衰减。➢ 对于FRC，Helion Energy公司在能量转换方面的创新是：直接利用感应式能源发电，而不是用核聚变来加热水，再用蒸汽驱动涡轮机间接发电。Helion把氘和氦3分别注入到线性反应器里，再用电场加速使它们在中间猛烈撞击发生聚变。当核聚变发生时，等离子体会加速膨胀，半径沿着轴向两端扩散。这种扩散会导致等离子体磁通量变化，把腔室周围磁铁产生的磁场“推回”。在磁场的相互作用下，霍尔效应会让磁流体发电机中产生可以被高效捕获的电流。反应物冷却完成后从两端排出，并开始下一轮循环。公司表示该方式的能量回收效率高达95%。图：以托卡马克为基础的未来聚变电站示意