【量子位 2025年12月16日讯】核聚变发电领域再迎新突破！12月15日，美国核聚变初创公司Thea Energy正式公布旗下“Helios（赫利俄斯）”核聚变电厂的完整设计方案——这款受像素技术启发的反应堆，凭借“软件控磁+标准化磁体”创新，打破传统核聚变装置对“毫米级安装精度”的严苛要求，不仅能通过软件修正硬件缺陷，还将发电成本压低至150美元/兆瓦时以下。目前该方案已通过预概念设计验证，首台验证装置“Eos”计划2026年确定选址，2030年前后启动测试，为商业化核聚变发电开辟新路径。
核心痛点突破：从“毫米级苛求”到“厘米级容错”
长期以来，核聚变装置因需约束高温等离子体（温度超1亿摄氏度），对核心部件精度要求近乎苛刻——传统仿星器、托卡马克装置的磁体安装误差需控制在毫米以内，单个磁体制造成本高达2000万美元，生产周期长达两年，成为商业化落地的关键瓶颈。
Thea Energy的创新在于重构“硬件+软件”的协同逻辑，借鉴像素成像“通过微小单元组合实现复杂效果”的思路，打造出容错率更高的“虚拟仿星器”：
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硬件层面：摒弃传统仿星器不规则磁体设计，采用“12个大型磁体+324个小型磁体”的阵列组合。所有磁体均为标准化超导件，尺寸统一、可批量生产，制造成本仅为传统定制磁体的1/10，且安装误差容忍度提升至1厘米以上——即便磁体偏移1厘米，仍能正常工作；
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软件层面：开发基于电磁学原理与强化学习的双控制系统，可对每个磁体进行独立精准调控。通过实时调整电流，让标准化磁体阵列生成与传统仿星器相同的“扭曲磁场”，既实现等离子体长时间约束，又能动态修正硬件缺陷（如磁体材料不均、安装偏差）。
“传统核聚变装置像精密瑞士手表，差一毫米就停摆；Helios则像可调节的乐高积木，即便零件没对齐，软件也能让它正常运转。”Thea Energy联合创始人兼CEO Brian Berzin形象比喻道。测试数据显示，团队故意将磁体安装偏移1厘米、混入缺陷超导材料，控制系统均能自主修正，等离子体约束效果未受影响。
技术细节：双磁体系统+高效维护，兼顾性能与实用性
Helios反应堆的设计围绕“商业化落地”展开，在性能、成本、维护三大维度实现平衡：
1. 双磁体分工：大磁体控全局，小磁体调细节
反应堆采用“内外层协同”的磁体布局，兼顾约束稳定性与调节灵活性：
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外层12个大型磁体：承担等离子体主要约束任务，类似托卡马克装置的环形磁体，分为4种形状，通过强磁场将等离子体限制在反应堆核心区域，避免高温等离子体接触容器壁；
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内层324个小型磁体：呈阵列分布于大型磁体之间，通过软件独立控制，精准调整磁场形态，弥补大型磁体的“约束盲区”，让等离子体保持稳定的环形运动，提升聚变反应效率。
这种设计既保留了仿星器“低能耗、稳态运行”的优势（相比托卡马克，能耗降低约30%），又解决了传统仿星器磁体难量产的问题——所有磁体均为平面凸形结构，可通过现有超导材料生产线制造，无需定制化工艺。
2. 性能指标：390兆瓦电能输出，容量因数超燃气电厂
根据设计方案，Helios反应堆的核心性能参数已达到商业化发电要求：
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能量输出：可产生1.1吉瓦（11亿瓦）热能，通过蒸汽轮机转化为390兆瓦（3.9亿瓦）电能，足够满足约30万户家庭的年用电需求；
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运行效率：每两年仅需停机维护84天，容量因数（实际发电量/理论最大发电量）达88%——远超当前燃气电厂（约60%），接近现役核电站（约90%），能为电网提供稳定基荷电力；
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成本控制：通过标准化磁体、软件控磁等设计，发电成本预计低于150美元/兆瓦时，虽高于当前风电、光伏（约30-50美元/兆瓦时），但已接近天然气发电（约100-180美元/兆瓦时），且无碳排放。
3. 维护创新：模块化拆解，降低停机损失
传统核聚变装置维护需拆解大量精密部件，耗时数月甚至数年，严重影响发电效率。Helios采用“环形扇区拆解”设计：
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反应堆分为多个独立环形扇区，维护时无需整体停机，仅需将故障扇区从磁体间隙中移出更换，大幅缩短维护时间；
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磁体与反应堆容器间预留1.2米间距，可容纳氚增殖包层（用于产生聚变燃料氚）与中子屏蔽层，同时为维护设备提供操作空间，磁体使用寿命可达40年，与电厂整体寿命持平。
商业化路径：先建验证装置，同步推进电厂研发
Thea Energy计划分两步实现Helios的商业化落地，采用“验证-迭代-量产”的稳妥路线：
1. 第一步：2030年前建成Eos验证装置
首台关键验证装置名为“Eos”，核心目标是验证Helios设计的科学可行性：
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计划2026年公布选址，优先考虑美国能源部推荐的清洁能源产业园，利用现有基础设施降低建设成本；
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Eos规模约为Helios的1/2，重点测试磁体控制系统、等离子体约束稳定性、氚增殖效率等核心技术，为后续电厂建设积累数据。
2. 第二步：同步推进Helios电厂研发
在Eos建设期间，团队将并行开展Helios电厂的详细设计与供应链搭建：
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与超导材料厂商、磁体制造商合作，建立标准化磁体量产生产线，目标将磁体成本再降20%；
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与电网运营商、能源企业洽谈合作，已有超10家公用事业公司表达兴趣，计划未来将Helios接入电网，提供零碳基荷电力。
这一路线与竞争对手Commonwealth Fusion Systems（CFS）类似——CFS在建设“Sparc”示范反应堆的同时，同步推进商用电厂“Arc”的研发，旨在缩短从技术验证到商业化的周期。
行业意义：为核聚变商业化破局，填补零碳基荷电力缺口
当前全球能源转型面临“间歇性难题”——风电、光伏依赖天气，需稳定基荷电源配套；传统火电碳排放高，核电则面临选址、安全争议。核聚变发电因“零碳、燃料充足（海水中的氘可支撑人类数千年能源需求）、无高放射性废料”等优势，被视为终极能源解决方案，但长期受限于成本与技术复杂度。
Helios的设计突破，为核聚变商业化提供了“低成本、可量产”的新路径：
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降低技术门槛：软件控磁大幅降低对硬件精度的要求，让现有制造工艺可满足需求，加速技术落地；
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提升经济可行性：标准化磁体与高效维护设计，将发电成本控制在可竞争区间，有望吸引更多资本投入；
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适配能源转型需求：88%的容量因数可作为电网基荷电源，弥补风电、光伏的间歇性，助力“零碳电网”构建。
Thea Energy已将Helios设计方案以预印本形式发布（arXiv链接：https://web3.arxiv.org/pdf/2512.08027），后续将通过同行评审完善细节。Brian Berzin表示：“现在我们需要与行业伙伴合作，把设计图变成现实。Helios不仅是一个反应堆，更是让核聚变从实验室走向千家万户的可行方案。”
随着Helios方案的公布，核聚变发电的商业化时间表正逐步清晰。若Eos验证装置如期在2030年启动测试，Helios电厂有望在2040年前实现并网发电，为全球零碳能源转型提供关键支撑。
