2025年核聚变行业分析：环形与直线形核聚变路线对比及受益标的梳理——以托卡马克和Helion为例

聚变进展：托卡马克建设加速， 直线形方案有望快速商用

可控核聚变是强主题方向，短期内持续有催化

可控核聚变是指通过模拟太阳内部的核反应，在人工控制下实现轻原子核（如氘、氚）的聚变反应 ，从而释放巨大能量并转化为清洁能源的技术。 可控核聚变是终极能源形式。其燃料可从海水中近乎无限提取，且不产生长周期放射性废物，能量 密度大于化石燃料，是实现人类能源终极安全和清洁化的必然选择。 可控核聚变是今年强主题方向。 上半年科研突破与工程进展共振。2月，中国核电、浙能电力合力注资17.5亿元参股中国聚变能公 司；3月，中国环流三号实现原子核、电子双亿度运行；5月，BEST项目进行工程总装启动仪式； 市场预期持续被推高，区间涨幅超过50%。 下半年催化更多：反应堆持续招标及新堆规划。7月，瀚海聚能HHMAX-901主机建设完成；中国聚 变能源公司挂牌，新增注册资本114.69亿元。 8月1日诺瓦聚变官宣完成5亿元天使轮融资，创下国 内民营核聚变公司单笔融资新高。目前江西聚变已开启研发、设计、商采岗位招聘，涉及低温、真 空、热力学、核质量控制等多个方向，推动项目快速发展。

全球聚变项目技术路线百花齐放，环形与直线形装置备受关注

全球在运、在建和规划的聚变装置有168个，其中，托卡马克、仿星器、激光/惯性装置占比分别为 46%、17%、8%。其他技术路线占比29%，包括FRC、混合堆等。 目前全球聚变技术中环形装置、直线形装置备受关注。 环形装置通过长脉冲环形磁场约束，使核燃料沿磁场方向螺旋运动而不接触器壁，能够实现稳态持 续发电。代表类型有托卡马克、仿星器等，更适合GW级集中式电厂，满足城市或国家电网需求。 直线形装置代表类型为场反位形(FRC)，FRC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。直线形 装置结构简单、体积小，天然适合分布式、小型化场景(50-100MW),但通过模块化可拓展至中大型规 模。

全球核聚变项目加速推进

全球聚变项目商业化进程加速。全球投入加速，中美领跑。中国以国家主导，主攻托卡马克；美国以 私企主导，核聚变多路径发展。美国CFS、Helion等项目进展显著，促使我国在聚变产业加速建设。 今年以来国内聚变堆资本开支大幅增加，项目招标持续进行。

环形装置以托卡马克为主，直线形装置中Helion的路线或将率先落地

托卡马克是环形装置主流路线。环形装置的代表有托卡马克、仿星器。仿星器利用外部线圈创造自然 扭曲的等离子体路径。托卡马克装置使用超导磁体和环形磁场设计实现长脉冲稳态运行能力。与仿星 器相比，托卡马克几何结构较简单、具备更成熟的工程经验，目前全球约50%的核聚变项目基于托卡 马克。

直线形装置中Helion的路线或将率先落地。直线形装置的代表是FRC，FRC主要分为磁约束的稳态式 FRC和磁惯性约束的脉冲式FRC，代表装置分别有TAE的Norm装置和Helion的装置。Norm装置的技 术路线是通过高能中性束直接生成并维持FRC，追求连续稳态运行；Helion装置的技术路线是通过脉 冲磁场瞬间压缩FRC，触发聚变后利用等离子体膨胀反推磁场直接发电。TAE目前的局限性：①TAE 的理想燃料是氢硼，其聚变温度显著高于传统氘氚(DT)燃料，装置加热难题仍有待攻克；②TAE要利 用稳态FRC发电，但是目前仅能维持稳态FRC最多40毫秒。与TAE的装置相比，Helion的装置选择较 易反应的燃料，采用灵活的短脉冲运行方式，并配以磁场直接捕获能量的创新技术，将很快演示净能 量增益核聚变，是当前最接近落地的核聚变创新路线。

托卡马克路线：关注招标进展、 新堆建设及各环节演进趋势

产业进展：全球加速推进托卡马克聚变路线

国际上ITER等项目有突破性进展，托卡马克产业化进程迎来里程碑。多国合作的ITER托卡马克装置 目前已经完成全球最大、最强的脉冲超导电磁体系统的所有组件制造；CFS已与谷歌达成协议，将在 2030年代初从ARC向谷歌供应200MW电力，目前正全力推进基于托卡马克的前期验证装置SPARC， 预计在2027年验证Q>1，在2030年代建成商业聚变电厂ARC；WEST最新实验成功维持等离子体反 应1337秒，标志着又一重大技术跃迁，成果直接服务于ITER。

国内托卡马克聚变项目持续推进，迎来密集招标期。中科院系有BEST、CFEDR，中核系有中国环流 三号、“星火”项目。BEST工程总装提前两个月启动，并陆续启动招标，目标在2027年完成全部建 设；CFEDR定位从实验验证转向工程示范，预计于2030年建成，实现功率大于1000兆瓦，Q>30； 中国环流三号(HL-3)今年国内首次实现原子核、电子双亿度运行，综合参数跃居国际前列，挺进燃烧 实验阶段；“星火”项目预计2030年建成并实现100兆瓦持续电力并网。

产业进展：国内托卡马克反应堆持续招标，有望形成新堆规划

国内多个反应堆持续招标。BEST将在EAST装置的基础上首次演示聚变能发电，是国内进展最快的 托卡马克堆，2027年建成以后会成为世界首个紧凑型聚变能实验装置，预计大部分招标在下半年释 放。中国环流三号是目前我国规模最大、参数最高的托卡马克装置，2025年5月聚变三乘积达到10 的20次方量级，目前有升级改造需求，预计下半年将释放相关招标。

国内后续有多个新堆规划。中国聚变工程示范堆(CFEDR)已启动方案设计，将瞄准建设世界首个聚 变示范电站，完成从ITER到聚变原型电站之间的技术过渡和工业实践。2025年7月22日中国聚变能 源公司在沪挂牌成立，是中核集团直属二级单位，融资超百亿元，以磁约束托卡马克为技术路线。 “星火”项目由中核集团与江西联创光电联合推进，总投资200亿元，目标于2030年建成并实现100 兆瓦持续电力并网，设计Q值超过30。

聚变的“工厂车间”：磁体、包层、偏滤器

磁体：从低温超导向高温超导演进。磁体系统通过强磁场约束上亿摄氏度的等离子体，其性能直接决 定聚变反应的效率与稳定性。相对于低温超导材料，高温超导材料具有高临界温度、高临界磁场及高 载流能力等独特优势，高温超导将成为磁体系统演进趋势。实用化的高温超导材料主要包括Bi-2212、 Bi-2223和REBCO、MgB2 和铁基超导材料。

包层：第一壁材料向钨演进。包层的主要部件有第一壁、氚增殖区、冷却系统、结构材料，主要功能 是氚自持、能量转换以及辐射屏蔽，主要演进方向是提高氚增殖率、增强抗辐射与耐高温性能。第一 壁材料未来可能选用钨代替铍；氚增殖层目前存在多种方案，可以分为固态和液态两种。

偏滤器：第一壁材料向钨或其合金演进。偏滤器的主要任务是排出杂质以减少对等离子体的污染、保 护壁面，要求具有高热负荷和低溅射率，演进的关键环节是其第一壁材料的选择。偏滤器第一壁曾选 用石墨、碳纤维复合材料等材料，经过长期研究，目前普遍认为钨或其合金最有希望作为今后偏滤器 的第一壁材料。

“能量引擎”与“控制中枢”：电源系统

托卡马克电源系统（以ITER为例）包括400kv电网；稳态、脉冲高压变电站；磁体电源系统；辅助加热电 源系统；无功补偿及其滤波系统。①400kv电网提供高压电能输入；②稳态、脉冲高压变电站将400kv高压 调整至适应后续设备的电压(66kv)；③磁体电源系统产生强磁场，约束反应原材料；④辅助加热电源系统 辅助加热等离子体以达到聚变温度；⑤无功补偿及其滤波系统对磁体电源与辅助加热电源产生的无功和谐 波进行有效的补偿和抑制，避免电网和聚变装置受到冲击。

电源系统：磁体电源产生强磁场，约束反应原材料

磁体电源主要分为TF电源、CS/PF电源两个子系统。 TF电源给环向场(TF)线圈供电，产生环形磁场，保证等离子体的宏观整体稳定性。 CS/PF电源向中心螺管(CS)线圈、极向场(PF)线圈供电，CS/PF线圈激发的环向电场能够击穿电离真空 室中的工作气体，产生等离子体，并使等离子体在环向电场的驱动下形成环形等离子体电流。 两个子系统共同产生的螺旋状磁场实现磁约束。CS/PF线圈产生的极向磁场(带电等离子体自身也产生极 向磁场)与TF线圈产生的环形磁场相互作用扭成螺旋状。等离子体在该螺旋状磁场的作用下与向外扩张 的力平衡，保持在合适位置，实现了磁约束。 TF电源要求大电流低电压，CS/PF电源要求低电流高电压。TF电源产生稳定的环形磁场，要求大电流、 低电压，放电过程缓慢，回路基本是电感回路；CS/PF电源通过电流变化产生磁场变化进而形成环向电 场，要求大电流变化率，即电流爬升时间足够短，需要高电压且电感足够小。

电源系统：辅助加热电源提升等离子体温度，使其达到聚变条件

等离子体仅靠磁体电源引起的欧姆加热无法达到聚变条件，需要辅助加热系统协同加热。在磁体电源 工作过程中，电磁场的能量会通过电流的热效应传递给等离子体使其温度逐渐升高，这一过程即欧姆 加热。随着温度升高，等离子体电阻降低，欧姆加热效果会持续下降。受限于此，仅靠欧姆加热最高 只能加热到0.2亿-0.3亿度，而主流的D-T反应需要温度1亿度以上。辅助加热系统可以通过其他方式辅 助加热，与欧姆加热协同运行，使等离子体温度达到聚变反应温度条件。辅助加热系统可分为射频波加热(电子回旋、低杂波、离子回旋)、中性束注入加热两种方式。 低温超导装置加热手段多样，核心是中性束加热；高温超导装置更适用离子回旋加热。ITER是典型的 低温超导托卡马克装置，综合应用所有辅助加热方式，其中中性束注入加热是核心。SPARC是典型的 高温超导托卡马克装置，相对ITER具有更紧凑的设计和更高的磁场强度。在这种条件下，中性束注入 因穿透问题需要超高能量束；电子回旋加热缺乏可用高功率源；低杂波加热虽能穿透但无法高效加热 燃料离子。离子回旋加热能在该条件下实现有效加热，是目前SPARC唯一使用的辅助加热方式。

FRC路线：Helion有望率先迈过 商业化节点，重点关注电源系统

差异化布局FRC路线，Helion有望率先商业化

Helion差异化布局FRC，启动建设聚变电厂。Helion Energy是专注于直线形FRC装置的核聚变技术公 司，成立于2013年。2025年1月，公司完成4.25亿美金的F轮融资，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。公司称在第6代装置Trenta上已达成1亿°C燃料温度，目前第7代装置 Polaris已投入运行。7月30日，公司宣布启动全球首座聚变电厂Orion建设。相比于TAE的FRC路线， Helion主要的创新是①采用磁惯性约束路线；②磁场直接捕获能量。

商业化进度积极，预计2028年发电。2023年5月，公司宣布与微软签署购电协议，计划在2028年前从 其首座核聚变发电站向微软供应至少50MW的电力。同年，公司与钢铁公司Nucor达成协议，计划为其 开发一座500MW的核聚变发电厂，为其钢铁制造设施提供电力，预计2030年代投入运营。

无需“烧开水”，独家磁能回收机制实现极高电能回收率。原理是通过磁场加速等离子体，在极短时 间内对其进行压缩，完成聚变。①形成：氘(D)和氦-3受热,在磁场约束下形成FRC；②加速：磁力驱动 两端的FRC加速，在机器中间相撞；③聚变：强磁场将FRC相撞融合而成的等离子体进一步压缩达到1 亿摄氏度，核聚变发生，等离子体扩散；④发电：扩散的等离子体像活塞一样反推磁场，变化的磁场 生成感应电流。

对比托卡马克：Helion成本低，能量转换效率高，更快落地

装置结构简单、体积较小，迭代成本较低。托卡马克采用环形装置，体积较大，而Helion的直线型 装置长约19米，体积较小，装置迭代进步的资本成本更低，迭代速度更快。

选择氘氦-3燃料，装置维护成本较小。托卡马克主流的燃料方案是氘-氚(DT)，反应产生中子； Helion选择氘-氦-3(D-³He)为燃料。氘-氦-3(D-³He)反应不产生中子，装置的维护成本较小。

直接利用磁场捕获能量，效率显著高于托卡马克。托卡马克用蒸汽推动涡轮发电，能量损失很大。 而Helion直接通过等离子体膨胀推动磁场产生电流，效率可超90%。

无需依赖外部加热源。Helion的装置采用脉冲式放电设计，无需长时间维持等离子体。同时由于内 部等离子体环通过压缩融合过程实现了磁能向内能的转化，装置加热效率高，无需借助中性束注入 等外部加热手段。

装置技术期权价值高。FRC核聚变装置能够创造衍生装置及应用，如高性能电源系统、中子源商用 等聚变技术应用，能够带来增量的商业价值，为资本的阶段性退出提供选择。

更快实现市场端落地。FRC百兆瓦功率的发电装置匹配数据中心、大型商业供电、制造业工厂等细 分市场用户对分布式供电的能源需求，能够更快实现离网的部署与应用，走向市场端。

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编辑：火腿肠