2025年可控核聚变行业深度报告：Helion的启示—技术路线的和商业化演进

一、磁惯性混合约束：磁约束与惯性约束结合的新构型

（一）磁惯性混合约束 MIF 是更具商业化潜力的聚变路线

磁惯性混合约束（Magneto‑Inertial Fusion，MIF）是结合磁约束和惯性约束的核 聚变方案。MIF方案先用磁场维持低密度等离子体的绝热保温，然后用脉冲驱动（如 压缩套、等离子体喷射或激光）进行快速压缩，使其达到聚变条件，一定程度上融合 了磁约束和惯性约束的优点，以实现紧凑型、可商用化的可控核聚变发电。 区别于托卡马克装置，MIF磁约束目的是产生FRC等离子体，最终能量释放依靠短脉 冲形式，而非等离子体的稳态反应；而区别于激光惯性约束，FRC无需高能激光束 “点火”，而是通过等离子体对撞达到聚变从而释放能量。早在1980年代，苏联和 美国的核聚变科研人员就提出了早期的MIF方案，但受限于材料和技术的非成熟进展 缓慢，而近年来随着超导材料、屏蔽材料等新技术演进，MIF潜力逐步被挖掘。

以Helion Energy的装置设计为例，MIF的聚变过程分为5个核心阶段： 阶段一：Formation（形成）。该阶段采用FRC（Field Reversed Configuration，反 场位形）技术，首先在外部施加一个轴向磁场，启动时将D–³He 等离子体注入，并 施加环向电流诱导出反向磁场，从而在等离子体内部形成一个无磁核、靠自感支撑 的稳定结构，类似“甜甜圈”状。FRC等离子体环的通过磁场约束处于高压致密状 态，等离子体压力/外部磁场压力比β可接近1。 阶段二：Acceleration（加速）。通过外部磁线圈快速变化磁场（电磁脉冲），FRC 等离子体环被沿轴向高速推进并压缩，极短时间内迅速被加速至大于300 km/s的极 高速度，准备进入下一步撞击融合。阶段三：Merging（合并）。两个超音速等离子体团碰撞并融合，高速对撞下局部温 度迅速上升，动能转化为离子热能。同时继续向合并室内施加强磁场，使合并后的 FRC离子体团进一步被压缩，温度进一步升高，直至达到聚变温度（~10 keV）。 阶段四：Fusion（融合）。在超高温高压状态下，氚和氦3离子运动速度足够快，从 而实现聚变反应，释放的能量大于聚变过程中消耗的能量。随着聚变反应的持续发 生，等离子体不断膨胀。 阶段五：Energy Generation（能量产生）。聚变反应释放出的等离子体膨胀会推动 磁场变化，根据法拉第电磁感生原理，磁场的变化（磁通量的变化）会在线圈中感应 出电流，将电流输入储能（电容）系统，形成电网所需的较为稳定的电流。 完整的一轮反应过程在微秒级时间尺度下完成，随后重复该过程以实现脉冲式发电。

相比托卡马克或激光惯性约束方案，MIF是一种兼具成本与技术的中间方案。 （1）成本优势：根据Helion Energy展示材料，MIF路线最大的优势在于避开了托卡 马克和激光聚变的极端成本“陷阱”。核聚变装置的成本主要分为反应堆成本和驱 动装置成本，对于托卡马克等低功率密度装置来说，由于要维持长时间稳定状态， 因此装置体积庞大，反应堆建造成本极高；对于激光惯性方案来说，尽管设备本体紧凑（只需靶材和激光驱动设备），但由于需要大量能量注入作为激活源，因此驱动 系统成本极高，且维护成本高。而MIF通过脉冲形成+磁压缩方式达到中等能量密度， 无需大规模驱动系统，同时反应过程短暂，无需长期散热，因此MIF的总体成本落在 了一个功率密度的“甜区”，可在技术可承受范围内大幅压低总成本。

（2）直接产生能量输出，效率更高。MIF在聚变过程中，两团FRC等离子体对撞发 生聚变反应后迅速膨胀，从而推动其自身产生的磁场向外扩展。根据法拉第电磁感 应定律，磁通量的变化会在包围等离子体的电磁线圈中感生高电压电流，因此电能 可以直接流回储能电容，并在电网中使用。这种直接通过磁生电的方式绕开了托卡 马克和激光惯性约束需要依靠蒸汽涡轮进行热交换发电的步骤，不仅极大提高了能 量转换效率，还可以实现紧凑部署。

MIF装置的输出表现有两大评判指标：聚变产额和输出稳定性。 磁场强度是提升聚变产额的核心变量之一。聚变产额指一个聚变等离子体在整个约 束时间内产生的聚变反应总数，数值越高说明整个放电过程累计的总能量越高。根 据Helion Energy官网，在不同MIF装置之间，如何根据装置参数聚变产额（Fusion Yield）可以通过磁场强度、圈半径、俘获磁通等装置参数进行估计。根据Helion对 于聚变装置的实测数据显示，实际反应中的聚变产额与磁场强度、俘获磁通（等离 子体“锁住”的磁通量）和线圈半径成正比，主要依赖于B的高次幂和的中次幂。 针对Helion的Trenta原型机来说，Trenta的聚变产额对磁场强度特别敏感（近4次方 依赖），对俘获磁通也有显著依赖（1.2次方）。也就是说，未来想要持续提高装置 的聚变产额表现有两条路径：增加形成期间FRC的俘获磁通或提高融合区的磁场强 度，其中提高磁场强度的作用效果最明显。

除了更高的输出能量，输出的稳定性也是核心参数之一。因为MIF路线的能量释放方 式是脉冲式，因此需要关注装置每次释放能量的稳定性是否较高（shot-to-shot variability），也就是在相同的参数条件下反应输出是否一致。因为商用化设备需以 极高频率重复聚变循环，如果 shot-to-shot variability 太大，就意味着聚变产额无法 保证，影响总发电功率的可预测性，同时控制系统难以优化。根据Helion Energy在 Trenta装置上的研究成果，每次能量释放的方差约为7.8%，误差的均值约为3%，拥 有较高的输出稳定性。

（二）FRC：磁惯性混合约束 MIF 的核心技术之一

FRC（Field‑Reversed Configuration，场反位形）是磁镜的一种变形。“场反”是 指纵向磁场方向在等离子体外部和内部相反的现象，这个现象是由于等离子体自身 感应出的电流产生的反向磁场所致，等离子体受磁流体动力学行为对自身进行反向 约束，从而形成一个类似“甜甜圈”形状的磁泡结构。一般而言，FRC只有极向磁场 没有环向磁场或者环向磁场很小，因此相比托卡马克装置等磁约束设备体积更小， 可以实现紧凑型部署。 FRC对MIF装置最终的表现具有关键作用。FRC作为聚变反应前等离子体的初始态， 为整个反应提供了紧凑、可磁化、高效能的初始等离子靶体，显著增强了MIF系统的 性能。通过FRC生成一个高beta值的等离子体团是降低核聚变反应门槛的重要前提 （如图8所示，高beta值条件下聚变反应更容易达到Q>1的目标）。同时，高β等离 子体在聚变发生时会膨胀，从而推回外部磁场，产生更大的感应电流，以此直接将 内能转化为电能。

角向箍缩是场反位形传统的形成方法，生成的等离子体温度和密度等参数更高。使 用角向箍缩方式的装置通常是线性柱形腔室，在腔室外绕有极向场线圈，为了加快 等离子体的磁重联过程，通常在腔室两端安装有磁镜场线圈，主要流程如下： （1）在腔室中充入燃料气体，偏置电容放电在腔室内产生反向的初始偏置磁场； （2）预电离电容器放电，使处在偏置磁场中的燃料气体电离，产生初始等离子体； （3）主电容器放电，外部极向场线圈电流迅速反转，反转磁场驱动腔室内等离子体 径向内爆； （4）在反转磁场达到最大值后，隔离电容器和极向场线圈，线圈电流在阻尼作用下 逐渐衰减，等离子体两端发生磁重联形成闭合磁面，形成初步场反位形； （5）场反位形在两端磁场曲率产生的磁张力作用下轴向收缩，最终等离子体轴向和 径向实现“力平衡”，达到稳定状态。

除了角向箍缩法，场反位形的形成还拥有其他路径。 （1）场反位形碰撞融合法：在中心约束区两端分别放置相同的角向箍缩等离子体源， 两端的场反位形生成后将其高速喷出并传输转移至融合腔室，然后两团等离子体碰 撞融合形成个稳定的场反位形； （2）球马克融合法：在融合腔室的两端生成两个环向磁场相反的球马克，然后驱动 两个球马克接触和融合，使等离子体团的环向场抵消，最终形成场反位形。

仿真模拟技术的发展为FRC研究提供了突破性的帮助。与仅通过碰撞相互作用的气 体或液体不同，等离子体物理学非常复杂，等离子体会受到电磁场的影响，这使得 它们的行为方式难以仅靠物理计算手段直接理解。实验者需要依靠模拟套件中的多 种工具来捕捉和预测等离子体状态，以实现理想的等离子体性能。随着仿真模拟技 术的发展，现有的科研手段已经可以在模拟环境中测试等离子体寿命和性能的稳定 性极限。根据Helion Energy官网，由美国能源部百亿亿次计算项目开发的开源工具 WarpX就提供了一种模拟等离子体离子详细动力学行为的方法，其将电子视为流体， 从而捕捉到MHD模型本身无法捕捉的物理特性。仿真模拟技术的发展加速了核聚变 新机器的开发，并降低了后期昂贵的设计变更风险。

（三）D-T vs D-He3：D-He3 剑走偏锋，可能率先商业化

D-T反应是目前的主流方案。在以托卡马克为代表的传统磁约束方案下，装置发电依 靠核聚变的稳定反应，因此需要在装置可承受的参数内寻找反应门槛最低的反应方 式。在一众被认为有工程可行性的核聚变反应中，氚氚反应由于聚变截面（原子核 发生聚变反应的概率）和反应率（原子核发生聚变碰撞的活跃程度）远大于其他聚 变反应，反应门槛最低，因此成为了目前国际聚变研究领域的主流反应。

相比D-T聚变，D3He最大的优势在于能实现无中子反应，对材料的要求降低。D-T 聚变的反应产物主要是高能中子+氦3，由于高能中子不带电，因此无法受磁场束缚。 反应过程中大量的高能中子束会击打在装置内壁，对设备造成不可逆的损伤，因此 传统的D-T聚变装置内部需要加装大量的中子屏蔽材料以保护关键装置免受中子轰 击损伤，这就极大程度上增加了建造成本和维护成本。 而D3He反应的产物是质子，可以利用磁场来进行约束，与氚聚变相比降低了屏蔽材 料的需求和要求。同时，由于D-3He产生的是带电质子，因此在反应过程中可以有效 改变磁场以此来直接发电，无需类似D-T聚变先对中子进行捕获，然后再通过热传递 转换成电能，能量转换的效率更高。

尽管优势显著，但D-He3反应条件苛刻，在传统磁约束路线下实现难度较高。根据 《Fundamental Scaling of Adiabatic Compression of Field Reversed ConfigurationThermonuclear Fusion Plasmas》（D. Kirtley等），在高外界约束强度下（Beta=0.1， 外界磁场极强，等离子体被稳定约束，但能量密度较低，类似托卡马克装置路线）， 无论是D-T反应还是D3He反应都较难实现能量释放>能量损耗。特别是D3He路线， 需要在100keV（近10亿度）的温度下才能实现最高输出功率，超过了稳态设备的材 料承受温度的同时，产生的能量还远小于热损失能量。因此在传统的托卡马克装置 中基本都采用D-T方案，研究方向聚焦于尽可能的提高Q值。 MIF方案下反应门槛被大大降低，氚-氦3聚变开始展现更强的商业化潜力。在以MIF 为代表的高Beta装置中（外界磁场约束强度≈等离子体强度，能量密度高，但等离 子体不稳定），由于单位体积中有更多的磁场约束能量被用于聚变，因此在相同的 温度条件下，无论是D-T还是D3He燃料的聚变反应输出能量都大幅提高，实现Q>1 的门槛大大降低。同时值得关注的是，D-3He在更高的温度条件下或能实现更高的理 论Q值，而高温条件的达成可以通过更强的磁体系统和更高效的电路系统来实现。因 此在MIF路线中，D3He路线已经成为了Helion Energy等公司的主流研究方向。

氦3燃料是主要的限制条件，业界正积极探索氦3循环技术。氦3源于恒星内部的聚变 反应，且质量极轻，逃逸速度较低，很容易直接逃逸到太空，因此天然氦3在地球上 极其稀有，目前尚无已知的天然资源能够满足一批聚变装置所需的数量。而如果没 有可持续的氦3供应，将D-3He 聚变发电规模扩大到商业水平是不切实际的，因此必 须设计一台能够实现闭环D-³He燃料循环系统。

Helion Energy提出了一种氦-3循环系统，正处于可行性验证阶段。根据Helion Energy官网，Helion设计了一套D-³He燃料循环系统，主反应消耗氦3以产生能量， 而副反应通过D-D聚变产生氦3作为补充。其中，副反应D-D聚变有两种产物：氦3和 氚，氦3直接用于后续的D-³He聚变反应，而氚会被偏滤器分离后收集起来，并通过 一种特殊的金属合金（吸气金属，getter materials）将氚以固态形式束缚，这部分氚 会在未来数年的时间内逐步衰变成氦3，并在未来投入D-³He燃料循环系统中。如果 此套氦3循坏系统的可行性被验证，意味着除了反应最初需要氦-3燃料启动外，后续 维持聚变发电只需补充氘即可（氘广泛存在于海水中，自然界中含量较高，成本较 低）。

二、海内外加码，产业化节奏明显加快

（一）Helion Energy：MIF 路线商业化节奏最快的公司

Helion Energy成立于2013年，总部位于美国华盛顿州的埃弗雷特。在过去的十多 年里，Helion Energy一直在探索MIF路线应用于商业化核聚变的潜力。根据公司官 网和个人领英主页信息，Helion创始团队的三位成员均出自美国MSNW公司，从事 美国航空及航天领域聚变推进器的研发。2008年创始团队成员在MSNW建造了IPA 感应等离子体加速器作为概念验证，首次演示了FRC等离子体的高β形成、加速和 合并，证明了磁压缩的可行性。2013年，创始团队从MSNW离职建立Helion Energy， 目标建立一个用于商业化发电的聚变系统。

公司宣布F轮融资，吸引大量投资人入局。根据公司官网，目前公司已经进行到了F 轮融资，2025年1月公司宣布了价值4.25亿美元的F轮融资，吸引了软银、光速创投、 一家未具名的大学捐赠基金等新投资人，同时公司前投资人OpenAI 首席执行官 Sam Altman等人继续参与此轮融资。在最新一轮融资中，Helion Energy的估值已经 突破54亿美元。

截止目前，公司已经推出并测试了六代原型机，基本论证了技术路线的可行性。 2014年公司推出第四代原型机Grande，实现了4T的磁场压缩并形成了厘米级、5keV 的FRC等离子体，在当时领先于其他聚变公司； 2018年，公司建造第五代原型机Venti，可产生7T磁场，并在高密度下达到2keV的 离子温度，创下了私人脉冲磁聚变领域的最高聚变输出功率记录。 2020年，Helion宣布其第六代原型机Trenta成为了全球首个由私人资助、达到商业 化聚变条件的聚变装置。根据Helion Energy官网，Trenta共完成了为期16个月的测 试，演示了迄今为止规模最大、能量最高的高beta聚变等离子体。Trenta将FRC等离 子体压缩至8T以上，等离子体温度超过9keV（100m℃），证明了等离子体约束足以 发电；2021年公司在Trenta上进行了D-He3燃料的聚变反应测试，并观察到了D-He3 聚变的迹象。 2022年，公司开始建造第七代原型机Polaris，目标直接实现核聚变发电演示。根据 Helion Energy官网，公司将总部从华盛顿州雷德蒙德迁至埃弗雷特，并开始建造第 七代原型机Polaris。Polaris计划采用更强的磁铁+更快的脉冲速度，设计峰值磁场强 度达到15T，并实现感应电流的回收。届时Polaris将实现“形成-加速-融合-反应-能 量产生”的完整闭环，有望完整展示商业化可控核聚变的潜力。

聚变电站计划2028年上线，商业化节奏明显加快。根据公司官网，2023年5月，微 软与公司正式签署购电协议，微软已同意从Helion的首座聚变发电厂购买电力，该发 电厂计划于2028年部署，每年为微软提供50MW的电力供应；此外，2023年9月公司 也与北美最大的钢铁生产商和回收商Nucor公司宣布达成协议，将在Nucor位于美国 的一家钢铁制造厂开发一座500MW的核聚变发电厂，以提供基载零碳电力。

（二）瀚海聚能：对标 Helion，国内进展领先

瀚海聚能成立于2022年，总部位于成都，致力于探索加速实现聚变能源商业化的科 学技术，聚焦于有低成本商业发电优势的场反位形聚变装置（FRC）及其配套的等 离子体源与诊断系统软硬件研发，为未来商业聚变发电堆提供高性价比、高可靠性 的核心组件和整体解决方案，同时发展中子源中间产品。 核心成员团队均有前沿学术研究基础。根据公司官网，公司核心成员来自国内聚变 领域研发基础最深厚的中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程专业以及清华大 学工程物理专业，是国内从事磁约束可控核聚变研究的顶尖团队，拥有一流的研发 能力和工程经验。并与核工业西南物理研究院、中科院等离子体所、中国科技大学、 华中科技大学等展开紧密合作，以上单位有多年磁镜装置、场反装置、托卡马克装 置的建造、运行经验，具有丰富的研发能力和工程建设经验。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。

瀚海聚能规划了“分步走”的发展战略、采用“沿途下蛋”的机制。根据轻舟资本 官方公众号，公司对于核聚变商业化节奏的规划包括：（1）2025年初：研发建设第 一代中子源工程样机，成功点亮等离子体，并启动加速器中子源BNCT辐射治疗肿瘤 的市场应用；（2）2025年底：对装置进行升级优化，形成第一代核聚中子源装置， 在医用同位素生产、中子成像，以及核废料中子照射嬗变处理等方面形成商业落地；3. 2026年-2030年：通过装置快速的多次迭代，在2030年底前与核电业主合作，建 设聚变示范电站，完成50MW量级的能量输出，实现聚变发电；4. 2030年代前期： 研发100MW以上、度电成本极大优势的商业化核聚变装置，实现聚变电站的产业化。 目前公司正在建造第一代HHMAX-901实验装置，已经进入设备安装建设环节。根据 公司官方公众号，2023年6月，瀚海聚能与核工业西南物理研究院在瀚海聚能总部举 行了HHMAX901聚变实验装置概念设计技术开发合同签约仪式，确定了HHMAX901 装置的规划；2025年6月，在完成了聚变装置基地的全面改建后，瀚海聚能已经具备 了工程化实践的全部条件，HHMAX-901实验装置开始进入安装和建设阶段；6月25 日，项目顺利完成了双侧形成区的基础安装工作，并完成了相关的调试，且各项测 试结果合格，满足预期设计目标。

（三）星能玄光/诺瓦聚变：国内磁惯性装置新玩家，团队产业背景丰富

星能玄光成立于2024年3月，由中国科大科研成果赋权转化而成。根据合肥高投公众 号，公司24年底完成了一亿元天使轮融资，支持机构包括招商局创投、中科创星、 合肥高投、民银国际、博将资本、银杏谷资本、天创资本、仁发基金、合肥市天使基 金等。公司主营业务是实现以场反磁镜技术路线为核心的可控核聚变电站的商业化 应用，同时为社会提供商业化先进等离子体技术应用和科技服务。 公司创始人孙玄博士是中国直线型可控核聚变领域领军人物。根据上海科技大学官 网，孙玄博士曾建立了国内首台中型串列磁镜和碰撞融合场反位形的装置，并在国 内率先开展了旋转磁场产生稳态场反的实验，用于探索聚变的新途径。曾先后在美 国普林斯顿的等离子体实验室（PPPL）、美国Los Alamos国家实验室、美国Tri Alpha 公司工作，在等离子聚变领域拥有近30年的国内外研究经验，组建国内台直线型聚 变装置KMAX，并带领团队在国内运行场反磁镜超十年。 公司的项目研发建立在中国科学技术大学的串列磁镜装置——KMAX（Keda Mirror with Axisymmetercity）上，并在其基础上综合考虑了美国洛斯阿拉莫斯国家实验室 和美国Helion energy公司的场反特点，尝试研发更具商业化潜力的聚变装置。根据 公司官方微信公众号，2025年2月公司Xeonova-1装置已经成功实现安装并进行了放 电测试，Xeonova-1装置采用传统的单边形成和磁镜捕获的设计，利用先进压缩方法 大幅度降低脉冲场反的聚变堆研发时间和成本。根据合肥高投公众号，公司计划在 2035年建成200MW聚变能电站，成本约为10亿元人民币。目前，KMAX的下一代装 置“Kmax-U”的设计已经完成，相关部件已经在定制之中。

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。公司采用场反位形FRC 磁压缩技术路线，研发小型模块化反应堆。目前公司处于创业初期，正在招募核心 研发团队。 诺瓦聚变法定代表人为郭后扬博士，产业研究经验丰富。郭后扬博士是美国物理学 会会士、中国国家特聘专家、上海市未来产业先进核能专家委员会副主任。现任能 量奇点能源科技（上海）有限公司联合创始人、首席技术官，曾担任美国最大的磁约 束核聚变研究计划DIII-D边界和等离子体及材料相互作用研究中心主任，长期代表美 国能源部负责中美核聚变合作研究计划，代表中国科技部担任国际热核聚变实验堆 （ITER）科学技术委员会专家，直接参与和领导了全球三大磁约束核聚变研究计划 （即中国EAST、美国DIII-D和欧洲JET），以及华盛顿大学和TAE聚变发展公司的新 概念聚变研究，有400余篇研究成果发表于国际顶尖学术期刊，申请专利100余项。

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