截至2022年，全球约73%的温室气体排放来自能源生产，这促使人们对替代性可再生能源的需求日益迫切。同时，各国政府也在出台政策引导这一转型。

今天，水电、核裂变、风能、太阳能和生物燃料成为主要的可再生能源来源。然而，这些能源技术都存在各自的缺陷，如供应不稳定、输出波动、能量产出较低、废物处理问题、安全隐患或生产成本过高。相比之下，核聚变如果能够实现商业化，将有望提供廉价、丰富、且可持续的能源，并且不会有这些缺点。

尽管核聚变技术尚未大规模实现商业化，但近年来取得了一些重大突破。2023年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布，首次实现了净能量输出的核聚变反应，即核聚变产生的能量超过了维持反应所需的能量。

在推动核聚变商业化的公司中，华盛顿的Helion公司是领先者之一，目标是成为首个实现商业核聚变的企业。Helion在不到十年的时间里已经开发了七个原型机，并采用了一种与其他竞争对手不同的核聚变技术。这项技术据称能够降低辐射风险并提高效率。Helion的反应堆通过直接捕获核聚变反应中的带电粒子来生成能量，而不依赖传统的通过热量产生蒸汽来驱动涡轮。

一、创立故事

Helion由David Kirtley博士、Chris Pihl、George Votroubek博士和John Slough于2013年创立，专注于核聚变能源的研究。四位创始人因在华盛顿Redmond的MSNW公司（由John Slough博士于1991年成立，主要从事与核聚变能量和先进空间推进相关的研发工作）共事而结识，拥有超过30年的核聚变、航空航天工程和天体物理学经验。MSNW与华盛顿大学有合作，主要研究等离子体物理在火箭推进中的应用，这为他们后来的核聚变研究奠定了基础。

Helion的首席执行官David Kirtley，从小在佛罗里达州航天飞机发射场长大，他很早就对物理和工程产生了浓厚兴趣。高中时，他意识到世界需要更加可持续的能源，并受核聚变潜力的启发，进入得克萨斯大学达拉斯分校学习电气工程。不久后，他转学到密歇根大学核工程系，并在本科期间发表了关于反物质核聚变的论文。尽管当时他认为核聚变的商业化在有生之年不太可能实现，但他仍然投身航天工程，并在空军研究实验室和MSNW从事霍尔效应推进器和等离子体推进器的开发工作。博士毕业后，Kirtley意识到等离子体物理和核聚变的进展使得核聚变商业化成为可能，于是他着手创立Helion。

团队借助在MSNW的经验，获得了来自美国能源部、国防部和NASA的700万美元资助，开始研究磁压缩聚变技术。通过参考20世纪五六十年代的研究，他们成功开发了一个小型系统，能够将等离子体加热至热核条件，并从磁场中回收能量。实验结果表明，他们的系统表现优于此前所有的核聚变尝试，这成为Helion技术路线的基础。

Helion的早期成功迅速吸引了业界的关注。2013年，公司成为全国CleanTech能源生成竞赛的决赛选手，并在2015年赢得ARPA-E ALPHA合同，获得近400万美元的资助，支持其“分段磁压缩FRC目标至聚变条件”的项目。2014年，随着前YC总裁Sam Altman加大对硬科技和能源公司的投资，特别是核能领域的投资，Helion成功进入了Y Combinator加速器项目。

在YC的支持下，Helion设定了一个雄心勃勃的目标：在三年内实现核聚变的净能量增益——这是当时大多数工程师认为需要数十年才能实现的技术突破。与耗资500亿美元的法国ITER项目不同，Helion的反应堆规模较小，预计成本仅为数千万美元。根据Kirtley的估计，这些小型反应堆预计能够生产50兆瓦的电力，足以为约4万户美国家庭供电。

截至2024年9月，Helion团队已扩展至超过250名员工，其中大部分为工程师。四位创始人中，Kirtley、Pihl和Votroubek仍然在公司担任重要职位。虽然John Slough曾以联合创始人和首席科学官的身份加入Helion，但他此前是MSNW的总裁兼研究主管。2018年5月，Slough选择离开Helion，回归MSNW，继续担任领导角色。

二、公司产品

1、核聚变背景知识

核聚变是太阳核心中的一种自然现象，它为地球上的生命提供了光和热。当核聚变发生时，两个轻原子核结合，形成一个新核，这个新核的质量比原先的两个原子核的总和更小。根据爱因斯坦的质能方程，这种质量的减少会释放出大量的能量，这种能量被称为“结合能”（binding energy）。

与核聚变相对，核裂变是将一个原子核分裂成两个较小的原子核，同样会释放出能量，通常以热能的形式出现。这种热能用于加热水，产生蒸汽推动涡轮机，进而生成电力。相比之下，核聚变具有两个显著优势：

• 轻原子的结合能产生的能量远大于重原子的分裂能量

• 核聚变的安全性更高，因为它不会产生核裂变所带来的高度放射性废料

然而，在地球上实现核聚变比实现核裂变困难得多。要让核聚变发生，需要巨大的外力来使两个原子核结合。在太阳核心，温度高达1500万摄氏度，同时具有比地球表面强28倍的引力。正是这种强引力加上极高的温度，使得原子快速碰撞并发生不受控制的聚变反应。而在地球上，由于无法复制太阳的引力，核聚变的温度必须达到至少1亿摄氏度。

目前常见的核聚变反应堆有两种：

• 激光聚变：通过多束高能激光同时射向一个小胶囊，使其快速升温

• 托卡马克反应堆：这种更常见的系统在一个环状反应堆中产生等离子体，并通过加热和加压使其发生聚变

  
  

核聚变反应堆的发电方式与传统的燃煤或燃油电厂类似。大多数核聚变实验室使用氘（氢-2）和氚（氢-3）进行反应，这会释放出大量的能量，其中约80%以中子的形式释放。释放出的热量用于加热蒸汽，进而推动涡轮机发电。不过，蒸汽涡轮发电机会损失10%到20%的反应能量，并且占用较大空间。此外，氚具有放射性且十分稀有，主要依赖现有的核反应堆来生产。

2、Helion 核聚变方法

Helion Energy的核聚变方法基于无中子核聚变，具体通过氘（氢-2）与氦-3进行反应，生成氦-4和一个质子：2H + 3He → 4He + 1p。相比传统核聚变方式，无中子聚变的优势在于同样释放大量能量，却不会产生放射性副产品。与依赖氚（放射性物质）的核聚变不同，氦-3和融合后释放的质子均不具放射性。反应中释放的质子动能与反应堆的磁场相互作用，能够直接捕获电能，效率达到85%-95%，无需依赖蒸汽涡轮机发电。这一理念自上世纪50年代核聚变研究初期便已提出，但直到今天技术才逐渐成熟。

Helion的反应堆工作原理是：利用外部磁铁将由氘和氦-3组成的两个环状等离子体加热，并以每小时100万英里的速度相互发射。当这两个等离子体相撞时，它们会合并为一个单一的等离子体，随后通过相同的磁体进行压缩。该压缩过程使等离子体温度迅速升高至1亿摄氏度，促使核聚变反应发生并释放能量。这整个过程仅需1毫秒完成。

Helion创始人Kirtley解释了这一反应堆如何产生电力的机制：

3、商业可行性

Helion Energy的最终目标是以每千瓦时0.01美元的成本，提供充足且廉价的能源。首席执行官David Kirtley曾表示：

在资源方面，大多数核聚变反应堆使用氘（也称“重水”），因为它在地球上储量丰富，且易于从海水中提取。地球上的氘资源足以维持全球使用83.3亿年。每加仑海水所含的氘能够产生相当于300加仑汽油的能量，而仅0.5升的氘就能为一个家庭提供长达800年的电力。

相比之下，氦-3在地球上非常稀少，类似于氚。然而，月球表面几米深的地方储藏着约110万公吨的氦-3，而美国每年只需要25公吨的氦-3便能通过核聚变产生足够的电力。此外，太阳系中的气态巨行星蕴含了大量氦-3资源，理论上可以为全球持续提供能源。

Helion Energy通过这一愿景，不仅致力于开发高效的核聚变能源，还在探索如何利用地球与宇宙中的资源来解决长期的能源需求问题，力求实现能源的可持续发展。

三、市场格局

1、公司客户

为电网直接供电不仅需要建设大量基础设施，还面临许多挑战。因此，Helion Energy最初将重点放在那些需要大量稳定、廉价且可持续电力的私人客户上，主要包括大型工业企业和数据中心。这些大型设施耗电量极大，且对电力供应的稳定性要求极高。截至2022年10月，Helion的许多潜在客户仍依赖柴油发电机来确保电力的稳定供应。

Helion认为，其签署的首批商业协议表明，许多工业公司迫切需要清洁能源解决方案。然而，当前的可再生能源和电池技术存在诸多局限，难以满足这些需求。核聚变反应堆则可以解决大规模提供廉价、稳定和可持续电力的问题。Helion的目标是帮助客户实现电力供应的脱碳，而不会影响供电的稳定性。Kirtley相信，公司能够以低于每千瓦时0.01美元的价格为数据中心供电，成为这些高耗能设施的主要电力来源。

从长远来看，Helion的目标是直接向电网供应电力。一旦其反应堆能够持续稳定地发电，公司计划与美国的电力公用事业公司合作，逐步减少化石燃料的使用，并为家庭、工厂、企业等提供大规模的基础负荷电力。目前，美国的家庭平均电费为每千瓦时0.15美元，而最便宜地区的太阳能发电成本为每千瓦时0.06美元，在其他地区则为0.11美元。如果Helion能够稳定地以每千瓦时0.01美元的价格供应电力，其核聚变技术将为能源成本带来93.3%的大幅度降低。

Kirtley在2024年1月表示，长远来看，他希望未来会有许多核聚变公司，共同替代数百万吉瓦的化石燃料发电容量。他认为，针对不同客户的电力需求，例如大型工厂、数据中心或军事基地，将需要采用不同的反应堆设计和实施方案来满足这些特定需求。

2、市场规模

全球能源市场

全球人口每年增长约0.84%，尽管这一增速相比1960年代的2%以上有所下降，但人口的持续增长与不断上升的电力需求结合在一起，自2000年以来，全球能源消耗年均增长约2%。随着人类对科技的依赖加深，未来能源消耗将持续增加。

预计从2024年到2040年，全球电力需求将增长60%，从2024年的约30,000太瓦时（TWh）增长到2040年的约48,000太瓦时。以美国每千瓦时0.178美元的平均电价估算，到2040年，全球电力市场的价值将超过8.4万亿美元。

Helion在2014年8月的估算中指出，未来公司有能力每年渗透到新增电力产能的50%。基于其专利授权模式，假设电价为每千瓦时0.04至0.06美元，Helion的潜在市场规模每年可达520亿美元。

综合这些预测，Helion在全球能源市场中有望占据关键地位，特别是在全球电力需求快速增长的背景下，其提供的可持续且廉价的能源解决方案将具有巨大潜力。

可再生能源市场

2015年的《巴黎协定》成为推动全球能源生产、碳排放削减和野生动物保护的重要政策催化剂。这一政策，加上消费者对低排放能源的需求增长和投资者对气候技术公司的兴趣，给可再生能源市场注入了强劲的动力。

预计到2024年，全球可再生能源产量将突破80亿千瓦时，并在2029年增加到103亿千瓦时以上。然而，这一增长前景高度依赖于各国是否能履行减少非可再生燃料使用的承诺。目前，可再生能源在全球电力需求中的占比仍然较低，技术需要实现更大规模的应用。如果无法有效替代煤炭和石油，全球电网将面临崩溃的风险。尽管可再生能源在过去40年中取得了显著发展，但非可再生能源的增长速度依然更快，因此在全球范围内大规模替代传统能源的需求越来越迫切。

尽管可再生能源市场持续扩展，其他替代能源形式的技术进展也可能对Helion构成潜在威胁。如果太阳能和风能在大规模应用上变得更加经济和可行，消费者对核聚变反应堆的需求可能会减少。总体来说，核聚变市场的前景仍然充满不确定性，尤其是在核聚变尚未实现商业化生产的情况下。虽然有预测称核聚变市场到2030年将达到4720亿美元，但关于何时能真正实现商业化仍无定论。

四、竞争对手

1、核聚变领域

General Fusion

成立于2002年，位于加拿大温哥华。General Fusion采用磁化靶聚变技术，在这一过程中，等离子体被注入旋转的液态金属中并发生聚变，产生的热量用于加热蒸汽并推动涡轮机发电。预计该公司的聚变反应堆将在2027年投入使用，目标是达到1亿摄氏度的聚变温度，这一门槛Helion已在2021年实现。截至2024年9月，General Fusion已筹集超过3.7亿美元，并与英国原子能管理局（UKAEA）和加拿大粒子加速器中心（TRIUMF）合作开发其反应堆。

Commonwealth Fusion Systems (CFS) 

成立于2018年，位于美国马萨诸塞州剑桥市，源自麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心。CFS开发的SPARC托卡马克反应堆利用强大的磁场控制环形等离子体，预计将于2025年完工。一旦SPARC成功展示净能量生产，CFS将继续建造ARC反应堆，以实现商业化的核聚变发电。尽管SPARC距离注入等离子体并产生能量还有几年时间，CFS是核聚变领域发展最快的公司之一，计划在2030年代实现商业发电。2024年3月，该公司宣布其磁体测试成功，证明其技术符合紧凑型聚变电厂的要求。自2018年成立以来，CFS已筹集了20亿美元的资金，其技术进展与Helion非常接近，有望成为Helion最强劲的竞争对手之一。

Marvel Fusion

2019年成立于德国慕尼黑，利用高功率激光创造受控核聚变反应，旨在开发清洁能源。完成6280万美元的融资，投资方为HV Capital、b2venture、BayernKapital、德意志电信、SPRIND和Tenglemann Ventures。累计融资6280万美元。Marvel Fusion 是致力于惯性约束核聚变的几家公司之一。这与美国能源部实验室国家点火设施 (NIF) 使用的基本方法相同，该实验室于 2022 年证明，受控聚变反应可以产生比点燃它们所需的更多的能量。

Xcimer Energy

2011年成立于美国丹佛，开发基于激光的核聚变技术。完成1亿美元A轮融资，投资方为Hedosophia、Breakthrough Energy Ventures、Lowercarbon Capital、Prelude Ventures、Emerson Collective、Leitmotif、Gigascale Capital和Starlight Ventures等。

nT-Tao

2019年成立于以色列，旨在开发一种紧凑且可扩展的核聚变能反应堆。获得2200万美元融资，三井住友保险风险投资公司领投。今年2月获得A轮融资，由Delek US（一家财富500强的下游能源公司）、Next Gear Ventures和Mayer Cars & Trucks Group领投，还有本田、格兰瑟姆基金会（公司种子轮的主要投资者）、J-IMPACT、East Innovate（东方阿尔法的风投部门）和OurCrowd等机构参与。

目前，所有这些核聚变反应堆以及其他类似技术都使用氚作为托卡马克反应堆的燃料。与Helion的技术不同，这些技术无法直接捕获电能，因为它们的聚变能量主要以热量的形式存在，必须通过传统的方式转化为电能。

2、可再生能源领域

全球约90%的二氧化碳排放源自煤炭、石油和汽油等化石燃料的使用。然而，早在核聚变成为可行能源之前，全球就已经开启了向清洁能源的转型。2014年至2023年间，全球电力产能中来自可再生能源的比例从28.2%上升到43%。相比每年1.8%的全球能源消费增长率，2022年至2023年间，可再生能源的增长率达到了14%。

推动各国向可再生能源转型的主要原因包括对能源独立性的需求、降低成本、气候意识的提高，以及创造就业机会等。基于这些因素，各国正大力投资现有的可再生能源技术。未来，它们可能不愿意投入数万亿美元重新建设基础设施来用核聚变反应堆替代这些能源。

2023年，太阳能成为增长最快的替代能源之一。由于太阳聚变释放到地球表面的能量足以满足人类需求的1万倍，太阳能展示了巨大的发展潜力。除了太阳能，风能、水电、潮汐能、地热能和生物质能也吸引了大量投资，成为可再生能源市场的重要组成部分。

总的来说，尽管核聚变被视为终极能源解决方案，但当前可再生能源技术的迅速发展与应用使核聚变面临激烈的竞争。随着各国加快现有可再生能源的部署，可能更倾向于继续投资这些已成熟的清洁能源解决方案，而不是转向未来仍需大量投入的核聚变技术。

五、商业模式

Helion Energy目前仍处于研发阶段，计划在2028年上线其首座核聚变发电厂。

未来，Helion的商业模式将主要依赖于向电网出售能源，供住宅、商业和工业用户使用。除了美国和加拿大，超过80%的能源基础设施为私人所有之外，而在其他大多数国家，Helion将面对与国有电网系统合作的挑战。

Helion与微软和Nucor（美国钢铁上市公司）签订的首批商业协议为其早期业务模式奠定了基础。类似于许多可再生能源项目，Helion预计将通过购电协议（PPA）运营。在这种模式下，Helion将在固定期限内以固定价格向客户出售电力。电网运营商等客户可以根据需求上下调整购买的电量，同时还可能通过税收抵免进一步降低成本。由于大多数电网难以储存大量电力，传统化石燃料发电厂通常根据消费者需求调节电力生产，Helion的核聚变电厂也将遵循这一相同的原则。

基于这一模式，Helion的商业计划可能会分为两个主要阶段：

• 早期阶段：与数据中心和工厂等大客户合作，直接通过现场核聚变反应堆为其供电；

• 后期阶段：建设大型核聚变发电厂，为更广泛的电网提供能源。

Helion的长期目标是将电力价格降低至每千瓦时0.01美元。公司声称，通过直接从核聚变反应中回收电力，而无需依赖蒸汽涡轮机等传统发电方式，可以显著降低电力生产成本。

这种商业模式结合了早期与大型客户合作以及后期向公共电网提供大规模能源供应的愿景，旨在实现高度的成本效益，并在全球能源市场中取得竞争优势。

六、重大进展

1、反应堆

Helion的反应堆开发取得了显著进展，自2014年以来几乎每年都会发布一个改进的原型。到2022年，Helion的第六代系统Trenta成为全球首个实现地球核聚变所需的1亿度关键门槛的私营公司反应堆。在16个月的测试期间，Trenta产生了近10,000次等离子体脉冲，不仅成功实现了氘-氦-3聚变，还展示了直接能量捕获的可行性，并在不需要蒸汽涡轮机的情况下回收电力。该原型于2023年初退役，Helion随后将重心转向第七代原型Polaris的开发。

Polaris计划于2024年开始运行。与Trenta相比，它将拥有更强的磁场强度和更高的脉冲频率。Polaris的目标是展示持续产生少量净电能的能力，这意味着Helion希望从聚变系统中回收的电磁能量超过为系统充电所需的能量。Polaris将是Helion计划中的最后一个原型，之后公司将开发一个试点反应堆，以满足与微软签订的2028年PPA（电力购买协议）。此外，Helion也在着手设计第八代系统——一台商业级反应堆，预计将在本世纪末向电网供电。

然而，Helion在实现商业电力生产的过程中还面临一些挑战，其中之一是关键组件的规模化。例如，在第七代原型中，Helion通常每10分钟产生一次聚变脉冲，而商业化电力生产则需要将这一频率提升到每几秒一次。确保系统在实现规模化情况下的稳定性将是一个关键问题。

2、客户

2023年5月，Helion宣布与微软签署了一份电力购买协议（PPA）。根据协议，Helion将在2028年前开发其首座50兆瓦的核聚变发电设施，微软将直接从该电厂购买电力，为其位于华盛顿的园区和数据中心提供基础负荷电力。此协议还规定若Helion未能履约将面临的巨额罚款。

2023年9月，Helion宣布与大型工业集团Nucor达成合作协议，双方将在2030年前于Nucor的一座钢厂开发一座500兆瓦的核聚变发电厂。Helion将拥有并运营该电厂，而Nucor将直接从Helion购买电力。同时，Helion还可将多余的电力回售给电网。这座电厂的发电能力将是Helion与微软合作开发电厂的十倍。根据协议，Nucor还向Helion直接投资了3500万美元，Nucor认为此合作将“为工业部门的全面脱碳铺平道路”。

2024年4月，Chelan Douglas地区港务局批准Helion在马拉加地区进行潜在电厂选址的可行性研究。协议中还包含长期租赁土地的选项。该电厂将从50兆瓦起步，最终扩展到250兆瓦，帮助Helion履行与微软签订的PPA协议。

七、公司估值

Helion在2021年成功完成了当年最大的融资轮次之一，引起了广泛关注。2020年9月完成4000万美元的D轮融资后，Helion的总融资额达到了7700万美元。2021年11月，Helion进行了规模达22亿美元的E轮融资，领投者是Sam Altman（OpenAI的创始人兼CEO），其他投资者包括Meta联合创始人Dustin Moskovitz、由Peter Thiel领导的Mithril Capital以及专注于可持续能源投资的Capricorn Investment Group。

这笔资金主要用于支持第八代核聚变反应堆Polaris的建设，其中5亿美元已完成融资，其余17亿美元将在Helion达到关键里程碑时解锁。在这轮融资时，Helion的投前估值为25亿美元。今天市场给出的估值达到100亿美金。

2023年9月，Helion宣布与Nucor达成合作协议，作为协议的一部分，Nucor在E轮融资的延展中额外投资了3500万美元。这一合作进一步巩固了Helion在核聚变领域的领先地位，并推动其向商业化电力生产的目标迈进。

八、全文总结

随着全球对清洁能源需求的日益增长，核能正重新受到重视。投资者和企业的目光已经开始从传统的能源转向核裂变和核聚变等领域。微软、亚马逊等科技巨头的参与，推动了核能在数据中心的应用，而Helion等公司的创新也让核聚变商业化的未来充满希望。尽管存在技术和商业化的不确定性，核能作为解决未来电力需求的潜力巨大，尤其是在AI等高耗能领域，核能的稳定和高效性将成为关键推动力。