国金机械满在朋丨可控核聚变专题：辅助加热为必要系统，关注波源及电源环节

（转自：国金证券研究所）

摘要

辅助加热系统：托卡马克核聚变的必要装置，价值量占比达7%-8%

　　辅助加热系统为托卡马克核聚变的必要装置。1）核聚变为什么需要一亿度以上高温：核聚变需要较高的温度促进氘氚原子克服库伦斥力接近到足够近的距离发生核反应，氘氚原子发生聚变反应的温度条件相对较低，但也需要在1亿度以上。2）辅助加热系统为必要装置：单靠中心螺管只能把等离子体加热到0.2亿-0.3亿度，一亿度的聚变触发条件需要额外的辅助加热系统才能达成。以ITER为例，该核聚变装置匹配了四类辅助加热系统，分别为中性束加热系统（NBI）、离子回旋加热系统（ICRH）、电子回旋加热系统（ECRH）以及低杂波加热系统（LHCD）。

　　托卡马克装置辅助加热系统价值量占比约为7-8%。根据《Superconductors For Fusion: A Roadmap》，ITER项目、DEMO项目中，加热和电流驱动（辅助加热系统）价值量占比达7%、8%。

辅助加热系统壁垒在于波源系统、电源系统

　　微波源：核聚变微波源需要耐高温、真空度高、脉冲功率高，具备供应能力的厂商有望推进国产替代。辅助加热系统微波源功率高，单套电子管、回旋管、速调管脉冲功率要求分别为1.5兆瓦（MW）、1兆瓦（MW）、0.5兆瓦（MW），研发制造壁垒高：大功率带来耐高温、耐高电压、高真空度需求，如兆瓦级电子管在1500K高温、-30千伏（kV）高压、130安培（A）大电流冲击下，保持较高机械强度和稳定功率输出。量：根据《紧凑型聚变能实验装置环境影响报告书》，BEST项目规划布置16套1MW电子管、20套1MW电子回旋管、24套0.5MW速调管，随着国内中核系、商业公司、高校系实验堆、工程堆建设推进，有望带动大功率微波源需求。头部供应商为海外Thales、东芝等企业，国产供应商开始在兆瓦级产品做出突破，我们认为具备供应能力的国产厂商有望推进进口替代。

　　辅助加热电源：脉冲阶梯调制电源（PSM）、逆变型高压电源（HVPS）是辅助加热电源的理想选择。辅助加热系统要求电源大容量、高电压、快速响应&保护时间短、释放能量小：1）大容量、高电压：离子回旋、电子回旋、低杂波加热系统所需电压26-100千伏（kV），中性束注入加热系统需要电压为1兆伏级，脉冲功率达几十兆瓦到上百兆瓦；2）快速响应：微波源、离子源对电压敏感，要求电压快速可调，且易受故障导致的能量冲击损坏，加热电源需要满足保护时间短（＜10s）；3）释放能量小：电路发生故障保护时，电源需对关键部件释放的能量非常小（约几个焦耳）。脉冲阶梯调制电源（PSM）、逆变型高压电源（HVPS）能分别满足100kV及以下、MV级别辅助电源的需求，目前ITER三种射频波加热电源为PSM、中性束加热系统电源为HVPS，我们认为具备PSM、HVPS技术的厂商有望切入辅助加热电源供应链。

板块进入密集资本开支期，辅助电源招标持续推进

　　核聚变资本开支加速，辅助加热系统相关招标持续推进。当前我国可控核聚变正处于实验堆建设、工程堆验证阶段；根据我们梳理，可控核聚变反应堆建设主要来自于中国核工业集团体系、中科院体系、商业公司、高校系四大方向，单个实验堆的投资金额在几十亿元到上百亿体量，24、25年中科院合肥等离子物理研究所进行了包括电子管（四极管）、回旋管以及辅助加热电源招标，辅助加热系统招标持续推进。建议关注辅助加热系统微波源及电源的相关公司。

　　我们看好可控核聚变行业在“十五五”期间资本开支进入加速释放周期，辅助加热系统相关公司的订单有望释放，建议重点关注板块资本开支提升带来的投资机会。

风险提示

　　可控核聚变实验结果不及预期、可控核聚变资本开支投入不及预期。

+

目录

一、辅助加热系统：可控核聚变发生反应的必要装置

1.1 核聚变为什么需要高温？

1.2 欧姆加热温度仅达0.3亿度，需辅助加热系统联合加热至1亿度

1.3 加热系统及电流驱动价值量占比为7%～8%

二、辅助加热系统壁垒在于波源系统、电源系统

2.1微波源：大功率产品壁垒高，具有供应能力的厂商有望推进国产替代

2.2电源系统：PSM、HVPS是辅助加热电源的理想选择

三、实验堆密集建设，加热系统招标持续推进

3.1“十五五”期间产业进入实验堆批量建设阶段

3.2 加热系统招标持续推进

四、投资建议

五、风险提示

正文

一、辅助加热系统：可控核聚变发生反应的必要装置

1.1 核聚变为什么需要高温？

　　核聚变能量来源于聚变时发生质量亏损而释放的巨大能量。以氘氚聚变为例，反应将氘核与氚核聚合成为重核（氦核）与中子，过程中出现质量损失。根据质能方程E=mc ，亏损的质量将转换为相应的能量释放出来。

　　氘氚发生聚变反应的温度条件需要在1亿度以上。带正电的原子核间存在名为库伦斥力的排斥力，这种斥力的大小与两个粒子的电荷量的乘积成正比，与粒子之间的距离平方成反比，氘（D）-氚（T）核聚变需要较高的温度促进氘氚原子克服库伦斥力接近到足够近的距离发生核反应。根据《可控核聚变研究现状及未来展望》，D-T发生聚变反应的温度条件需要在1亿度以上。

1.2 欧姆加热温度仅达0.3亿度，需辅助加热系统联合加热至1亿度

　　托卡马克欧姆加热最高仅能达0.3亿度，需要辅助加热系统联合加热至1亿度。托卡马克启动加热为中心螺管提供，但不能达到聚变条件：1）磁通时间有限：中性螺线管提供的磁通有限，等离子体感应电流维持时间有限，不能实现稳态运行（稳态运行要求非感应电流份额为100%）；2）加热温度低：随着加热温度升高，等离子体电阻降低，导致欧姆加热效果持续下降，最高只能加热到0.2亿-0.3亿度（D-T反应需要温度1亿度以上）。辅助加热系统可以提供非感应电流加热，帮助等离子体温度达到聚变反应温度条件。

　　多种辅助加热优势能够互补，提升等离子体加热效率。1）中性束注入：将加速到很高能量的离子束通过电荷交换变成高能中性粒子束，穿越磁场注入到等离子体中，通过库仑碰撞热化，将能量传递给聚变装置中的等离子体，实现整体加热；但中性束加热难度较高、成本高，并且中性化效率随着激发的离子能力增加而下降。2）射频波加热：射频波注入到等离子体中时，合适的波频率、极化方向会产生波—粒子间的相互作用，当相互作用过程在粒子速度分布上正负对称时产生等离子体加热效应。

　　国际热核聚变实验堆（ITER）和东方超环实验堆（EAST）均采用中性束注入+3种射频的辅助加热方式。根据《ITER聚变装置及其电源系统》，ITER辅助加热系统包括中性束、电子回旋、离子回旋、低杂波等4种方式；东方超环EAST采用了共20兆瓦（MW）功率的射频加热（离子回旋、低杂波加热、电子回旋）、8兆瓦（MW）的中性束注入加热。

1.3 加热系统及电流驱动价值量占比为7%～8%

　　ITER实验堆加热系统及电流驱动价值量占比为7%、DEMO示范堆为8%。根据《Superconductors For Fusion: A Roadmap》，加热系统为托卡马克装置必备的环节，价值量占比稳定，ITER实验堆加热系统及电流驱动价值量占比为7%、DEMO示范堆为8%。

二、辅助加热系统壁垒在于波源系统、电源系统

2.1微波源：大功率产品壁垒高，具有供应能力的厂商有望推进国产替代

　　EAST装置射频加热方式包括离子回旋、电子回旋、低杂波，对应微波源为电子管、回旋管、速调管。根据《托卡马克高约束稳态物理的探路者——东方超环》，由于加热机制不同，对应的工作频率差异较大，所需的微波源也不同。EAST装置离子回旋（ICRH）、电子回旋（ECRH）、低杂波加热系统（LHCD），对应微波源为电子管（0-100MHz）、回旋管（28-170GHz）、速调管（1-10GHz）。

　　辅助加热系统微波源功率高。根据《东方超环（EAST）托卡马克装置仪器设备更新改造项目环境影响报告书》等，辅助加热系统单只电子管、回旋管、速调管脉冲功率要求分别为1.5MW、1MW、0.5MW。

　　大功率波源器件需要耐高温、耐高电压、高真空度。电子管（四极管）、回旋管、速调管都是微波真空电子管的一种，核心的功能是实现功率放大，核聚变微波源功率多为兆瓦级别，大功率带来耐高温、耐高电压、高真空度需求。1）耐高温：大功率射频振荡电子管的工作栅极需要耐1500k的高温，且在高温下要求机械强度极高、热发射电流小等，只有掌握热解石墨栅极生产加工技术的企业才可生产制造大功率射频振荡电子管，生产制造难度极高。2）耐高电压：以离子回旋加速系统为例，发射机末级（电子管）高压电源为-30kV，要求电子管耐高电压材料制造；3）高真空度：电子管需保持10-7-10-8真空度，若真空度不达标，电子管功率会受到影响，大功率电子管生产需要先进的封装和真空技术。

　　BEST项目规划布置16套1MW电子管、20套1MW/170Ghz电子回旋管、24套0.5MW速调管。根据《紧凑型聚变能实验装置环境影响报告书》，BEST项目均匹配了三种射频加热微波源，规划布置16套1MW电子管、20套1MW/170Ghz电子回旋管、24套0.5MW速调管。

　　国产厂商在核聚变微波源领域有所进展，有望推进国产替代。微波源头部厂商为海外Thales、东芝等企业，Thales的大功率电子管、速调管、回旋管均能满足核聚变的功率需求，为全球辅助加热波源龙头。国内旭光电子、空天院、合肥能源研究院分别在电子管、速调管、回旋管领域做出突破，有望逐步推进国产替代。

2.2电源系统：PSM、HVPS是辅助加热电源的理想选择

　　辅助加热系统要求电源大容量、高电压、快速响应&保护时间短、释放能量小：

　　大容量、高电压：ITER聚变装置离子回旋加热系统（ICRH）、电子回旋加热系统（ECRH）以及低杂波加热系统（LHCD）所需电压26-100kV，中性束加热系统（NBI）需要电压为1MV级，所需电源功率达几十兆瓦到上百兆瓦。

　　快速响应&保护时间短：微波源、离子源对电压敏感，要求电压快速可调，且易受故障导致能量冲击损坏，加热电源需要满足保护时间短（＜10s）；

　　释放能量小：电路发生故障保护时，电源需对关键部件释放的能量非常小（约几个焦耳）。

　　脉冲阶梯调制电源（PSM）、逆变型高压电源（HVPS）能分别满足100kV及以下、MV级别辅助电源的需求。根据《托卡马克辅助加热系统高压电源若干关键技术研究》，PSM单个模块输出电压在1KV左右，若总输出电压很高，如高达1MW时，需要模块数过多；HVPS只需要提高变压器二次侧额定电压就可获得高电压输出，更适用于几百千伏至兆伏电压需求。

　　主流装置中，PSM主要给射频加热系统（ICRH、ECRH、LHCD）供电，HVPS主要给NBI系统供电。根据《托卡马克辅助加热系统高压电源若干关键技术研究》等，PSM用于ITER装置ICRH、ECRH、LHCD供电，以及TCV、HL-2A、HL-3的电子回旋加热系统供电；HVPS用于ITER、JET-60U、DEMO、CRAFT装置的中性束注入加热系统供电。

三、实验堆密集建设，加热系统招标持续推进

3.1“十五五”期间产业进入实验堆批量建设阶段

　　实验堆建设密集期启动，有望带动辅助加热系统需求。从目前核聚变实验堆的主流推动机构来看，主要分为以下四类：中核系、中科院系、商业公司、高校系。从目前主流机构的规划时间、投资金额来看，多数的实验堆项目预计在“十五五”期间实现，且单个实验堆的投资金额在几十亿元的规模，板块在“十五五”期间进入资本开支上行周期趋势明确。

　　国内目前主要发展的两条主线分别为中核集团、中科院主导产业链推进，其中中科院的BEST装置当前正处于密集的招标阶段，印证板块景气度。

　　中核集团：下属核工业西南物理研究院环流三号23年8月首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，根据规划，环流三号有望在2045年左右进入示范阶段；中核集团与联创光电联合推进的星火一号项目总投资达200亿元，计划2029年实现商业化发电。

　　中科院：中科院合肥物质科学研究院自主设计、建设、运行了世界上首台全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST），在2025年1月实现1066秒长脉冲高约束模等离子体运行，刷新世界纪录。目前紧凑型聚变能实验装置（BEST）已于2025年5月启动总装，目前进入密集招标期，BEST项目预计在27年建设完成。

3.2 加热系统招标持续推进

　　中科院等离子所已进行多个加热系统部件招标。根据中科院合肥等离子所官网，24、25年中科院合肥等离子物理研究所进行了包括电子管（四极管）、回旋管以及辅助加热电源招标，其中8只电子管（四极管）预算金额为1894万元、170GHz回旋管预算金额为2000万元、PSM电源模块预算金额为246.5万元。

四、投资建议

4.1 旭光电子：大功率电子管切入核聚变，消耗品属性长坡厚雪

　　旭光电子前身为国营旭光电子管厂（779厂），产品主要包括电力设备、军工以及电子材料。分板块来看：1）电力设备板块主要产品为真空灭弧室、固封极柱、三极管、四极管等；2）军工板块主要产品为嵌入式计算机、精密结构件等；3）电子材料为氮化铝产品。

　　25Q1收入短期承压、利润加速增长。25Q1旭光电子营收为3.4亿元，同比-11.4%，得益于旭光电子产品结构调整、费用管控，25Q1归母净利润为0.3亿元，同比+19.3%。

　　大功率电子管占比低，中远期提升空间大。24年大功率电子管收入为0.47亿元，收入占比仅3.0%，看好核聚变、光刻、CT领域放量带动收入规模提升。大功率电子管毛利率为50%以上，放量有望带动公司整体利润加速扩张。

　　24年旭光电子真空灭弧室收入达6.8亿元，高压产品进展顺利。24年旭光电子真空灭弧室销量达近120万只，销量扩张带动真空灭弧室收入提升至6.8亿元，受原材料涨价影响，毛利率短期承压。旭光电子126kV真空灭弧室通过多家头部客户验证并挂网运行，145kV和252kV真空灭弧室完成主要功能型式试验，高压产品逐步放量有望带动该板块量利齐升。

　　DB968、DB967分别覆盖ICRH发射机100kW、1.5MW功率放大部分，填补国内在兆瓦级四级管领域的技术空白。根据旭光电子官网，在离子回旋系统发射机波源领域，旭光电子DB968、DB967电子管实现产品核心参数对标海外巨头Thales，打破海外垄断。

　　旭光电子有望受益核聚变资本开支扩张。1）空间大：根据中科院等离子体物理研究所招标信息，单套1.5MW真空电子四极管预算为200万元核聚变，EAST单堆配8套1.5MW电子管，ICRH系统电子管需求大；其次电子管属于消耗品，根据公司公告，大功率电子管更换周期为半年，随着核聚变实验堆建设推进，未来有望带动替换市场需求；2）格局好：旭光电子核聚变大功率电子管（四极管）进展国内领先，打破法国Thales垄断，有望在国产聚变装置逐步替代Thales。

4.2 国力股份：速调管核心供应商，有望切入核聚变领域

　　国力股份深耕继电器、电子管等真空器件20余年，下游包括新能源汽车、充电设施等。国力股份前身为昆山国力真空电气公司，经过20余年的深耕，建立了完整的电力真空器件核心技术平台，产品包括继电器、电路开关、电容器、大功率速调管等产品，下游主要为新能源车、充电设施、半导体、大科学工程等。

　　25Q1国力股份营收、利润双增。根据公司投资者关系信息记录表，公司各主要业务板块的客户需求均比较乐观，防务领域的控制盒也在稳定交付，真空继电器的交付预计在今年逐步交付，订单逐步交付带动公司业绩增长，25Q1营收达2.3亿元，同比+59.4%，归母净利润达0.1亿元，同比+183.5%。

　　直流接触器收入占比超50%，24年盈利能力短期承压。国力股份24年直流接触器收入占比为52.1%，占比过半，为公司最主要的产品。从盈利能力来看，24年直流接触器毛利率为19.5%，同比下行较大原因或为下游新能源车行业降价导致。

　　国力股份是国内少有能研发、生产和制造P波段大功率连续波和脉冲型速调管的厂商。25年6月国力股份联合中科院等机构，共同研制的P波段大功率超构材料速调管（3MW）通过验收。根据国力股份官网，国力股份大功率有源器件具备受控热核聚供应能力。

4.3 四创电子：国内雷达龙头之一，子公司华耀供应核聚变PSM电源

　　四创电子产品覆盖雷达、信息系统、微波电路、电源等。四创电子于2000年由中国电子科技集团第三十八研究所发起成立，产品主要覆盖雷达、信息系统、微波电路、电源等。

　　25Q1四创电子短期业绩承压。部分客户需求放缓及市场竞争加剧，导致25Q1四创电子营收同比下行13.7%，利润短期承压。

　　24年雷达及雷达配套收入占比超50%，短期毛利率承压。受24年原材料涨价、市场竞争加剧影响，雷达及雷达配套毛利率短期承压。预计随着机场建设量提升、国产化率提升以及气象雷达覆盖率提升，旭光电子业绩有望逐步修复。

　　持有华耀电子90.83%股份，PSM高压电源已批量应用于EAST装置的离子回旋共振加热（ICRH）系统。华耀电子2024年成功研制出140kV PSM（脉冲阶梯调制）高压电源模块，实现了单个高压电源组件1200V/100A大功率输出，解决了高压电源领域的精度、效率和可靠性难题，其稳定运行为EAST的突破性实验提供了关键能量支持。

　　华耀电子140kV PSM电源具备高功率密度、动态响应、磁通性等优势。华耀电子140kV核聚变PSM电源具备高功率密度、高速动态响应、高电磁兼容性和高绝缘耐压技术，解决了传统的高压电源模块存在的效率低、体积大、动态响应慢及难以满足现代聚变装置的高精度控制需求的问题。

五、风险提示

　　可控核聚变实验结果不及预期。可控核聚变当前处于工程可行性试验阶段，如果工程实验进度不及预期，行业商业化落地进程可能延后。

　　聚变资本开支投入不及预期。国内核聚变实验堆的建设资金来源于国家财政、社会资本，若资金端需求不及预期，行业资本开支预计受到影响。