以托卡马克和Helion为例：环形与直线形核聚变路线对比及受益标的梳理

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。可控核聚变是肉眼可见的人类能源终极形态，对于人工智能、工业生产乃至深空探索意义重大。今年上半年技术与工程进展共振，持续推高市场预期；下半年催化更多，反应堆持续招标且有新堆规划。➢全球核聚变项目加速推进，中美领跑。中国以国家主导，主攻托卡马克；美国以私企主导，多元化布局核聚变路线。美国明星聚变项目多且商业化预期积极，促使我国加速聚变产业建设，今年以来国内聚变堆资本开支大幅增加。 ➢核聚变技术路线百花齐放，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，托卡马克占比接近50%。环形装置具备“稳态、高能量增益”的特点，瞄准城市级基荷电源；直线形装置“紧凑、高功率密度”，适用于分布式、可移动或特殊场景电源。二者在场景上互相补充，是备受关注的聚变装置类型。 ➢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。对比仿星器，托卡马克在工程复杂度、经济性方面更优，是目前的主流路线。FRC路线中，Helion采用磁惯性约束直接回收电能，装置灵活、投资低，是当下最接近落地的路线。托卡马克路线：关注招标进展、新堆建设及各环节演进趋势 ➢托卡马克是产业化重点方向，商业化渐行渐近。国际上，ITER完成脉冲超导电磁体系统的所有组件制造，CFS与谷歌达成购电协议；国内，BEST工程总装提前2月启动，陆续启动招标，目标在2027年完成全部建设；CFEDR预计于2030年建成，实现功率大于1000兆瓦，Q>30。 ➢托卡马克装置中磁体成本最高，包层、偏滤器、电源等为重点环节。托卡马克装置中磁体占比最高，且高温超导装置的磁体成本占比(约46%)高于低温超导装置(约28%)。托卡马克装置各环节中，偏滤器、包层第一壁材料向钨基合金演进；磁体系统从低温超导向高温超导演进。电源系统主要包括磁体电源和辅助加热电源，磁体电源中TF电源要求大电流低电压，CS/PF电源要求低电流高电压；加热电源方案与磁体类型直接相关：低温超导装置综合运用不同加热方式，中性束加热是主要方法；高温超导装置设计更紧凑、磁场强度更高，离子回旋加热是重要加热方式。 FRC路线：Helion有望率先迈过商业化节点，重点关注电源系统➢Helion获全球首个聚变购电协议，发电时间预期积极。Helion装置相对托卡马克有成本小、效率高、迭代快等优势，公司自 2013年已先后建成七个原型机。2023年5月微软与Helion签署全球首个聚变购电协议，Helion承诺在2028年之前开始发电，并在一年之后为微软提供至少50MW的发电量。2025年7月30日，Helion宣布获地并启动全球首座聚变电厂——ORION建设。 ➢瀚海聚能、诺瓦聚变入局，直接对标Helion。瀚海聚能落户成都，25年7月完成HHMAX-901主机建设与点亮，计划2030年底前与核电业主合作；诺瓦聚变落户上海，完成5亿元天使轮融资，重点研发小型模块化核聚变反应堆，精准应对AI供电需求。 ➢Helion装置中电源系统成本占比最高，半导体开关或是趋势。Helion的电源系统主要由电容、开关和传输线组成，成本约占整个装置的50%。其中脉冲电容器成本占比高，占整个装置成本的1/3。电源系统中超级电容和快控开关至关重要。超级电容方面，超级电容在核聚变这种高功率应用场景不成熟，Helion走自研路线；快控开关关注IGBT，具有高可靠性和高寿命的优点，未来有望克服电流上升速率未达标的问题。 推荐逻辑：紧跟“堆催化”。关注BEST、星火一号、先觉聚能、环流三号等项目的链主企业及招标过程中的高价值环节；关注CFEDR、中国聚变能源公司的聚变项目逐步落地。关注海外如Helion等路线突破后，电源系统的投资机遇。 风险提示：核聚变相关投入不及预期；产业紧张不及预期；相关标的业务进展不及预期；研报使用的信息存在更新不及时风险。 聚变进展：托卡马克建设加速，直线形方案有望快速商用1 目录 托卡马克路线：关注招标进展、新堆建设及各环节演进趋势2 FRC路线：Helion有望率先迈过商业化节点，重点关注电源系统3 CONTENTS 推荐逻辑及标的梳理 1.1、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。 1.2、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。 1.3、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。 1.4、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。 1聚变进展：托卡马克建设加速，直线形方案有望快速商用 目录 2托卡马克路线：关注招标进展、新堆建设及各环节演进趋势 3FRC路线：Helion有望率先迈过商业化节点，重点关注电源系统 CONTENTS 推荐逻辑及标的梳理 2.1、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。 2.1、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。 2.2、托卡马克装置：磁体、包层、偏滤器、电源为核心环节 托卡马克装置的原理是通过长脉冲环形磁场约束，通过两个方向的磁场线叠加，生成螺旋状磁场线的“笼子”,使核燃料沿磁场方向螺旋运动，实现稳态持续发电。托卡马克装置中磁体成本占比最高，各环节按价值量从高到低顺序为：磁体、堆内构件(偏滤器等)、电源、真空室。➢低温超导托卡马克装置中，磁体成本占比约28%。ITER项目数据，成本中磁体占比约28%，堆内构件占比约17%，建筑占比约14%，真空室占比约8%。➢高温超导托卡马克装置中，磁体成本占比约46%。以美国CFS公司的商业化可控核聚变ARC项目为例，该项目中，磁体系统的支出预计占比46%。托卡马克设备的主要组成部件包括磁场线圈相关设备、包层模块、偏滤器等：➢磁体：是托卡马克装置的主体工程，用来产生超强磁场约束等离子体。➢偏滤器：是等离子体与器壁相互作用的主要区域，用来排除氦灰、控制杂质并排出热量➢包层模块：为整个托卡马克装置提供中子和高热负荷的屏蔽，是装置的关键系统，由第一壁、屏蔽块以及支撑结构等组成。其中第一壁直面内部高温等离子体，对装置起重要保护作用 2.3、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