如果您对文章有更深入的见解与想法，可以联系本文作者：南京市创新投资集团产业研究中心 罗焱曦luoyx@njicg.com
人类对能源的需求无穷无尽，聚变能源已被视为人类未来终极能源的核心方案之一。目前磁约束聚变（托卡马克）是实现可控聚变的主要途径，而超导磁体是实现托卡马克长脉冲/稳态运行与高能量增益的必然选择。
01 磁约束的基本原理
磁约束的基本原理是利用磁场来控制高温等离子体，防止其与容器壁面接触而冷却。由于等离子体由带电粒子组成，磁场会对这些运动电荷产生洛伦兹力，使其围绕磁力线做螺旋运动，从而将等离子体约束在磁场设计的区域之内。
最常见的磁约束装置是托卡马克，它通过环形磁场（由外部线圈产生）和极向磁场（由等离子体电流产生）组合，形成螺旋形的闭合磁力线，将等离子体约束在环形真空室中。这种约束是为了维持等离子体足够高的温度和密度，以实现可控核聚变反应。
图表1 托卡马克装置典型结构示意图
02 为什么磁约束必须使用超导磁体
可控核聚变磁约束路线必须使用超导磁体而非普通导体的原因主要包括以下三点：1）超导磁体零电阻，理论上在通过巨大电流时不会有焦耳热损耗，从而可实现稳态运行（无限长时间通电）；2）超导磁体能承载更高的电流密度，从而产生更强的磁场，提升聚变反应的功率并缩小装置规模；3）主要能耗来自维持低温的制冷系统，但相比产生磁场的收益，净效率极高，从而可提升聚变装置的Q值。
03 托卡马克三大磁体系统的功能分解与协同
为了完成对高温高压等离子体的有效约束，托卡马克装置需要构建一个平衡、稳定且有足够约束力的磁场位型。为完成这一目标，一个典型的托卡马克装置中的超导磁体包括中心螺线管、环向场线圈、极向场线圈三大部分，并配有低温恒温器、电流引线、支撑结构、失超保护系统等子系统。具体来看，环向场线圈产生强大的环向主约束磁场，将高温等离子体束缚在环形真空室中；极向场线圈通过多个线圈电流独立、精确编程控制，主动塑造和调节等离子体的截面形状（如D形）、空间位置和平衡；中心螺线管通过大脉冲电流在等离子体中产生巨大的感应电流，进而加热等离子体并通过电流感应产生磁场，以协助约束等离子体。
图表2 托卡马克装置中超导磁体及磁场示意图
04 超导磁体的关键技术体系
超导材料具有零电阻、完全抗磁性等宏观特性，是超导磁体的核心材料。超导材料的“临界性”是指其从超导态转变为正常态的极限条件，核心参数为临界温度Tc、临界电流Jc与临界磁场Hc。临界温度是指材料由正常态转变为超导态时的温度；临界电流是指电流在超导体中传输时，使超导体由超导态转变到正常态时的电流值；临界磁场是指当对超导体施加磁场时，使超导态转变为正常态的磁场强度。要保证一个超导体处于超导状态就必须同时满足三个条件，即所处温度低于Tc，所通过的电流密度小于其所处温度下的Jc，以及所处的磁场小于其在该温度下的Hc。超导体的Tc、Jc 和Hc是互相影响、相互关联的，三个基本参数构成了超导体的三维临界曲面。只有当超导体处于三维曲面内部的状态时，才展现出超导态，反之则处于正常态。
此外，超导磁体关键技术体系还包括磁体设计与制造、低温与制冷系统、电流引线与馈线系统、失超检测与保护系统等。
图表3 超导材料的临界性
05 超导材料的发展历程与代际划分
超导现象发现于1911年，超导机理研究的突破性进展则始于1957年，由巴丁、库珀与施里弗提出的BCS理论系统揭示了超导现象的量子本质，大大加速了超导材料的开发应用。20世纪60年代，低温超导材料率先实现工程化突破，铌钛（NbTi）合金、铌三锡（Nb3Sn）等材料率先在核磁共振成像（MRI）、大型强子对撞机（LHC）等领域实现应用。这一阶段的低温超导技术虽依赖液氦冷却，却为后续发展奠定了材料制备与磁体设计的技术基础。1986年铜氧化物高温超导体的发现彻底改变了超导应用的格局，中美团队迅速将临界温度提升到液氮温区（90K以上）。进入21世纪，超导材料家族持续扩容，二硼化镁、铁基超导体等材料相继被开发。如今尽管室温超导探索尚未跨越应用门槛，但超导材料发展始终以“提升温度阈值、降低系统成本”为主线，等待下一次颠覆性突破的到来。
图表4 超导材料临界温度的发展历史
图表5 超导材料代际划分与技术迭代逻辑
06 超导磁体现阶段应用的主流超导材料
目前可控核聚变装置的超导磁体主要应用第一代低温材料，而第二代高温超导材料正处于工程验证和未来堆型设计的关键阶段。
第一代低温材料Nb3Sn因为具有较高的临界磁场（约20T以上），被用作国际大型聚变项目（如ITER）环向场磁体的核心材料；NbTi的临界磁场较低（约10T），但工艺更成熟、成本更低、韧性更好，常被用作极向场磁体。综合来看，第一代低温超导材料经过数十年发展已非常成熟，性能稳定可靠，是现阶段大规模、强磁场、稳态运行超导磁体最务实的选择。
第二代高温超导材料以稀土钡铜氧（REBCO）涂层导体为代表，其优势包括更高的临界温度（可在液氮温区工作，大幅降低冷却成本和复杂度）、高临界磁场、高电流密度等。这些特性使得建设“紧凑型强场聚变堆”成为可能，用更小体积和更强磁场实现聚变条件，能显著降低未来商业聚变电站的规模和成本。目前全球多个聚变项目（包括中国的CFTER、HL-4等大型托卡马克装置）正全力研发基于REBCO带材的超导磁体，这将是下一代聚变装置磁体的明确发展方向。
图表6 第二代REBCO高温超导带材结构示意图
07 超导磁体面临的核心挑战与关键技术瓶颈
从装置层面来看，超导磁体面临失超保护与稳定性、交流损耗与热管理、巨型构件精密加工与装配、多系统复杂耦合与控制、全生命周期可靠性与维护等挑战。
从带材层面来看，超导带材一方面需要突破材料性能瓶颈，包括机械强度与韧性、各向异性与磁通钉扎、临界电流均匀性等问题；另一方面需要突破制备工艺瓶颈，包括基带国产化与高性能化、缓冲层织构控制、超导层高速沉积等挑战。此外，第二代超导带材REBCO还面临与低温超导材料成本竞争压力以及工程可靠性验证需求等问题。
08 超导磁体孕育的投资机会
超导磁体产业链的上游材料环节是产业链中技术壁垒最高、价值量最大的核心环节。现阶段材料研发重点为高温超导（REBCO）带材的规模化、低成本制备，我国在高温超导带材制备领域已经涌现了一批领军企业，如上海超导、东部超导、上创超导等。具体来看，超导带材中超导层沉积技术路线包括PLD（脉冲激光沉积）、MOCVD（金属有机化学气相沉积）、MOD（金属有机沉降法）、RCE（反应共蒸发）四条路线，国内已形成多条技术路线并行的发展格局，实现了从跟跑到并跑的跨越。
图表7 超导带材超导层沉积技术路线
中游磁体制造与集成环节同样具有较高的技术壁垒与价值量，涉及电磁设计、低温冷却、失超保护、精密制造等复杂技术，代表企业如高温超导磁体上市公司联创光电、高温超导磁体初创公司羲和超导、翌曦科技、超磁新能等。
关键子系统配套方面，可关注为超导磁体提供并维持极低温工作环境的低温制冷系统方案及设备商，如杭氧集团、紫明低温等；为超导线圈提供高真空绝热环境的真空与杜瓦系统的合锻智能、国光电气等；为超导磁体励磁、等离子体加热提供大功率特种电源的英杰电气、爱科赛博等；提供失超保护与综合控制系统的旭光电子等。
来源：产业研究中心 罗焱曦
审核：薛瑶
发布：尤异
