01 什么是场反位形(FRC)？

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。

➢ 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。

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。

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。

02 场反位形(FRC)相比托卡马克有哪些优势？

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%。

FRC的建造成本低、周期短，有望更快实现商业化

➢ 相比于磁约束路线、惯性约束路线，场反位形(FRC)的建造成本更低。FRC的比压β（等离子体热压与磁压之比）接近于1，即与其他磁约束位形相比，相同的磁场参数下可获得更高的等离子体参数，经济性更高。因此，FRC的结构相对简洁，其装置的体积或更小，投资额比磁约束和惯性约束都更低。

➢ FRC的验证周期或更短，有望更快实现商业化。据统计，美国重点商业聚变公司中，场反位形(FRC)路线的公司预计实现发电的时间更早，比如Helion Energy计划2028年实现商业发电、TAE预计2030年代实现发电。

聚变三乘积与密度成正比，DD/D-He3反应更易实现

➢ 为了实现更清洁的核聚变反应，DD、D-He3等反应方式是较优选择，但是其需要更高的聚变三乘积(nT𝛕)。

➢ 对于托卡马克而言，其等离子体约束时间𝛕随密度n、温度T升高而下降；对于FRC，等离子体约束时间𝛕随密度n升高而得以提升，因此FRC更有利于实现DD/DHe3聚变反应。

模块化设计，易于更换聚变专用模块，便于运行维护

➢ 场反位形装置可采用模块化设计，FRC可传输至聚变专用模块，同时支持便捷更换，可有效解决包层及材料等聚变堆核心技术难题。

➢ 同时，FRC具有简单的直线形特色，模块化设计便于运行维护。

03 国外FRC主要项目及公司进展如何？

Helion Energy：脉冲式FRC，目标28年实现供电

➢ Helion Energy是一家领先的核聚变技术公司，成立于2013年，总部位于美国华盛顿埃弗雷特。公司致力于开发和商业化聚变能技术，旨在提供一种清洁、可持续且高效的能源解决方案。Helion采用场反位形反应堆，使用强大的磁体来引导和压缩等离子体，为聚变创造必要的条件。另外，Helion的设计不是依靠蒸汽轮机将热量转化为电能，而是直接从反应中提取能量，使该过程更高效。

➢ Helion Energy 多次签署聚变供电协议。2024年5月10日，Helion宣布与科技巨头微软签署对赌协议，微软同意从其公司首座核聚变发电站购买电力，2028年实现为微软供电50MW的目标。随后不久，Helion又与美国钢铁生产商和回收商Nucor签署了合作协议，将在2030年代开发一座500MW的聚变发电厂。

➢ OpenAI 创始人 Sam Altman 多次投资Helion Energy，凸显其对核聚变商业化的信心。2021年11月，Helion Energy 完成Sam Altman(个人)领投的5亿美金E轮融资；2025年1月，Helion Energy成功完成4.25亿美金的F轮融资，资方包括Sam Altman等，目前累计融资总额超过10亿美元，公司估值达到54.25亿美元。

TAE：稳态式FRC，预计2030s实现商业化

➢ TAE Technologies，全称为Tri Alpha Energy Technologies，是一家致力于开发商业聚变能源的私营企业。TAE Technologies的使命是通过先进的聚变技术，为全球提供清洁、可持续的能源，公司采用的是FRC技术，使用自身的磁场来维持等离子体的稳定性。

➢ TAE的产品主要集中于聚变能源的开发，包括正在建造和设计的新型机器哥白尼（Copernicus）等等，它们将展示净能量增益的能力。此外，TAE还衍生了TAEPower Solutions，专注于电力管理。

普林斯顿等离子体物理实验室PFRC系列装置

➢ PFRC最初由美国能源部资助，由旋转磁场（RMF）形成和维持FRC。

➢ PFRC技术利用D-He3燃料，实现无中子的聚变反应，具有高效能量转换和低辐射的特点。

➢ PFRC实验致力于研究长脉冲无碰撞等离子体的行为，有助于实现高效的能量约束和传输。PFRC项目的长远目标是为未来的聚变反应堆设计提供物理基础和技术支持。PFRC技术可用于地球上的分布式能源供应，如偏远地区的应急电力、医院备用电源、军事前沿基地等。

LANL的FRX系列装置已迭代至第四代

➢ 美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，LANL）的FRX系列装置是基于θ箍缩方案，先后经历了FRX-A、FRX-B、FRX-C 和FRX-L四代装置。正在运行的FRX-L装置是用于等离子体的生成、测试和诊断的场反位形装置，与AFRL合作发展了FRCHX装置，目前专注于MTF研究。

➢ FRX-L装置的工作原理：首先通过变压器耦合电流在石英管内的气体中生成低密度等离子体（通常用于测试的是非燃料气体）。这种方法将等离子体加热到大约200电子伏特（约230万摄氏度）。外部磁场将燃料限制在石英管内。由于等离子体具有导电性，从而允许电流通过，这种电流会产生一个与电流相互作用的磁场。等离子体被排列成在设定后磁场和电流能够稳定存在的状态，从而自我约束等离子体。FRX-L后来升级增加了一个喷射系统。这个系统位于石英管周围，由一组锥形排列的磁线圈组成。当通电时，线圈产生的磁场在管的一端较强，而另一端较弱，将等离子体推向较大的端口。

04 国内FRC主要项目及公司进展如何？

“荧光-1”装置是国内早期FRC装置的探索

➢ “荧光-1”装置于2015年开始开展FRC等离子体靶形成实验，主要的研究方向有FRC预加热磁化等离子体靶形成过程、高温高密度磁化等离子体约束性质及等离子体不稳定性实验研究的分时放电大电流脉冲功率装置。

➢ 装置主要由分时放电能源系统、触发控制系统、超高真空冲排气系统、θ箍缩线圈负载靶区、磁镜系统与电测系统等组成。能达到的等离子体密度为1019m−3，温度200eV，分离区半径4cm，寿命3μs。该装置需要延长装置θ箍缩放电电流脉冲宽度，提升FRC靶约束维持时间，未来可以作为MTF研究的等离子体注入器。

华中科技大学HFRC：开展场反对碰融合和磁压缩研究

➢ 华中科技大学场反装置（HUST Field-reversed Configuration，HFRC）主要用于开展场反等离子体对碰融合和磁压缩相关研究，是由华中科技大学牵头建设的场反等离子体实验装置。

➢ 该装置的主机部分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。HFRC装置除了主体部分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。

中科大KMAX-FRC：我国首个碰撞融合场反位形装置

➢ 中国科学技术大学KMAX-FRC是我国首个碰撞融合场反位形实验装置，该装置致力于探索和研究 FRC 碰撞融合中的相关物理过程和物理问题。

➢ 该技术通过使用串列磁镜来增强等离子体的约束力，有效减少等离子体的损失，促进解决现有聚变装置在约束和稳定性方面的不足。这种改进有助于提升聚变反应的效率，从而提高开发经济高效的核聚变电站的可能性。

瀚海聚能：中国首家专注于FRC的核聚变商业公司

➢ 瀚海聚能成立于2022年12月30日，总部位于四川省成都市，是中国首家专注于直线型场反位形（FRC）可控核聚变技术的商业公司，致力于通过低成本、快速迭代的装置研发，为未来商业聚变发电堆提供高性价比的核心组件和整体解决方案。公司聚焦于FRC装置及其配套的等离子体源与诊断平台研发，目标是将百兆瓦级发电站的度电成本降至火力发电上网水平，甚至更低。并计划通过“沿途下蛋”模式，早期发展中子源中间产品（如硼中子俘获治疗设备、医用同位素等），应用于核医疗、核废料处理等领域，逐步实现聚变能源商业化并网发电。

➢ 瀚海聚能核聚变技术团队背景深厚，核心成员来自中国科学技术大学、清华大学、核工业西南物理研究院、中物院及ITER等顶尖科研院所，拥有二十余年可控核聚变研究与工程经验。目前公司已与核工业西南物理研究院签订技术合作协议，开始装置设计工作。2024年11月与四川大学达成校企合作，共同推进硼中子俘获治疗（BNCT）中子源研究。

星能玄光：先进场反磁镜技术的代表

➢ 星能玄光成立于2024年3月，总部位于安徽合肥，其核心技术基于孙玄教授十余年前提出的先进场反磁镜聚变路径。星能玄光采用的先进场反磁镜技术，是通过使用串列磁镜来增强等离子体的约束力，有效减少等离子体的损失，促进解决现有聚变装置在约束和稳定性方面的不足。这种改进有助于提升聚变反应的效率，从而加速集中式和分布式聚变电站的研发速率，提高开发经济高效的核聚变电站的可能性。未来，团队有望依托独创的三重约束（场反位形自组织约束、强磁镜、电势垒强化轴向约束）磁场环境，有望实现高温高密长约束时间的运行状态。

➢ 星能玄光的目标是利用场反和磁镜的特点加速实现大型和分布式聚变堆的商业化。2024年11月，星能玄光完成亿元天使轮融资，该轮融资由招商局创投和中科创星领投，民银国际、博将资本、银杏谷资本、天创资本和个人投资者跟投。

➢ 星能玄光目前正在设计和建造的新一代KMAX-U直线型先进场反磁镜装置，是基于中国科学技术大学运行的KMAX装置的升级版本。KMAX装置已经运行12年，技术积累丰富，已被国内聚变博物馆收录，并在国际上获得认可。公司计划在6至8个月内完成新一代装置的建造，并在一年内实现运行。

诺瓦聚变：中国首家专注于研发FRC-SMR的商业企业

➢ 诺瓦聚变能源科技（上海）有限公司成立于2025年4月，总部位于上海，是中国首家专注于研发小型、分布式、模块化核聚变装置的商业化企业。

➢ 公司致力于将核聚变技术与人工智能深度融合，研发小型模块化反应堆（Small Modular Reactor, SMR），为全球提供清洁、高效且可持续的能源解决方案。诺瓦聚变汇聚了国际顶尖技术团队，采用先进的场反位形（Field-Reversed Configuration, FRC）磁压缩技术路线，制定了清晰、可量化的阶段性里程碑，最大限度降低技术研发与投资风险，致力于引领全球能源转型。展望未来，诺瓦聚变的目标是从地球到星际，点亮人类的能源新纪元，推动清洁能源技术迈向商业化应用，助力实现2035年全球能源结构的可持续发展。

➢ 诺瓦聚变创始人为郭后扬博士，其在核聚变领域学术造诣颇深。曾担任国家磁约束核聚变能源研究专项“EAST先进偏滤器物理研究”973项目首席，中国国家自然科学基金委员会海外青年学者合作研究基金，以及中科院王宽诚基金会科研奖金获得者，中国科学院等离子体物理研究所美籍外聘教授，博士生导师，“EAST偏滤器及边界物理”专题组负责人等，且曾担任美国TAE公司首席科学家，首席实验战略家，实验运行部主任。从事偏滤器及边界等离子体物理、等离子体与材料表面相互作用、以及新型核聚变能源研究及开发工作，在国际顶级物理杂志Physical Review Letters上发表了多篇论文。

新奥能源研究院EFRC-0装置：轴对称串列磁镜式设计

➢ 新奥能源研究院EFRC-0装置采用轴对称串列磁镜式设计，装置由超高真空腔体、三对磁镜线圈和真空泵组、供电系统、等离子体源、加料系统、工程测量与物理诊断系统、控制与数据采集系统构成。

➢ 该装置采用了工业标准13.56MHz射频源产生并维持高密度等离子体，以液氮浸泡的高温超导带作为通量保持线圈。

➢ FRC装置在聚变小型化和经济化方面具有很大潜力，因其结构简单，拥有极高的β值，终端是开放磁场位形使其具有天然偏滤器。