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可控核聚變裝置是超導材料的重要應用方向。實現核聚變反應，需要同時滿足足夠高的溫度、一定的等離子體密度和一定的能量約束時間，三者的乘積為聚變三重積。只有大于一定值，才能產生有效的聚變功率輸出。磁約束利用磁場約束等離子體運動，防止外泄，目前被認為是最有可能實現可控核聚變的途徑，也是我國主要采用的技術路線。磁約束核聚變裝置主要有托卡馬克、仿星器等，托卡馬克為核聚變裝置的主流路線。

托卡馬克主要由環形真空室、磁體和其他輔助設施組成，具有結構簡單、造價低，生產周期短，裝置迭代快，以及加熱成本低等優勢，是目前各國投入最大、最接近可控核聚變條件、技術發展最成熟的途徑，約占全球核聚變裝置的50%。磁體由制冷機、低溫恒溫器、圓筒骨架、超導線圖、失超保護模塊、超導開關、磁屏蔽鐵軛等構成。超導磁體的制備需要將超導帶材繞成線圈，并且控制絕緣、應力、傳熱、冷卻，做成磁體。根據《Superconductors for fusion:a roadmap》（Neil Mitchell et al），ITER與DEMO項目的成本分布：

ITER實驗堆階段：磁體系統（28%）是最大成本項，低溫超導材料（Nb3Sn/NbTi）的高成本凸顯了超導技術的關鍵地位，但其局限性（如液氦依賴、磁場強度上限）亟待突破；真空容器（8%）和土建廠房（14%）的高占比則反映了實驗裝置對極端工程條件（超高真空、抗輻照）的重度依賴，而分散的輔助系統（如功率供應8%、儀器控制6%）則揭示了復雜系統集成的技術挑戰。

DEMO示范堆階段：產業鏈重心顯著向商業化落地傾斜，高溫超導（如REBCO）的緊湊化設計有望大幅降低磁體成本，真空容器成本銳減至2%（得益于3D打印鎢基復合材料和模塊化工藝），而核聚變電站的平衡系統躍升為最大成本項（25%）。

在可控核聚變應用領域，低溫和高溫超導磁體也有不同的性能表現，低溫超導磁體穩定運行最高磁場強度在15T左右，高溫超導磁體可達到45.5T。更強的磁場可以延長等離子體約束時間，減少能量損失。同時，磁場越強，允許的等離子體密度越高，從而提升聚變反應率。隨著高溫超導技術的不斷成熟，帶材價格在不斷下降。根據全球高溫超導材料龍頭FFJ官網，近五年來，高溫超導線材的價格已經下降了一半，未來高溫超導磁體有望成為可控核聚變裝置的未來發展趨勢。

1、低溫超導材料的應用：ITER

ITER磁體系統由四個主要子系統組成，其中包括：18個環向場線圈（Toroidal Field Coil,簡稱TFC）；6個極向場線圈（Poloidal Field coil,簡稱PFC）；18個校正線圈（Correction coil,簡稱CC）以及中心

螺線管（Central Solenoid,簡稱CS）。其周邊連接關系為：放置在18個重力支撐（GravitySupport，簡稱GS）上的TFC通過6組極向場線圈支撐（PFCS）支持6個PFC；同時通過3組校正場線圈支撐（CCS）支持CC。TFC通過其自身的結構和支撐對CS提供支持。

超導材料：超導導體是用于繞制ITER超導線圈的重要材料，根據不同線圈的作用和要求，ITER有不同規格的超導導體。中心螺管、縱場線圈采用（鈮三錫）Nb3Sn超導材料，極向場（PF）、校正場線圈(CC)采用鈮鈦（NbTi）低溫超導材料。

環向場線圈：它由18個TF線圈構成，每個TF線圈由7根完整連續的基于Nb3Sn超導線的鎧裝導體（CICC）繞制而成?？偟膩碚f，制造18個TF線圈總共需要126根單元導體。ITER裝置運行時，TF導體內流動著4.2K（-269℃）的超流態液氦，每根導體額定電流68kA，承受的磁場強度最高達12T，約為地球磁場的20萬倍。2008年6月16日，中國與ITER組織簽署《環向場導體采購安排協議》，根據協議規定，中國承擔11根TF導體制造任務，約占全部TF導體制造任務的7.51%。

極向場（PF）線圈：它的主要作用是在等離子體的產生、上升、成形和平頂各個階段提供歐姆加熱和控制等離子體位形。PF線圈系統由6個不同尺寸的獨立線圈組成，自上而下分別為PF1、PF2、PF3、PF4、PF5、PF6。與環向場線圈導體類似，PF線圈導體為NbTi基超導鎧裝導體。運行時，PF導體內通有4.2K（-269℃）的液氦，電流45kA，磁場強度最高可達5T。2008年10月10日，中方與ITER組織簽署極向場線圈導體采購安排協議，中方負責制造PF2至PF5共60根PF導體，約占全部PF導體的65%。

校正場超導磁體系統（CC）：這是ITER超導托卡馬克裝置中重要的部件之一，主要用來補償環向場和極向場系統由于制造與安裝過程帶來的不可消除的磁場誤差。ITER裝置共有18個校正場線圈，其中底部、側線圈和頂部線圈各6個。ITER校正場線圈是由NbTi超導導體繞制而成，匝工作電流10kA，

最高磁場約5T。中方承擔ITER裝置所有18個校正場線圈的制造。自2010年中方與ITER國際組織簽署采購安排協議以來，經國內多年聯合攻關，先后完成了線圈繞制、氦冷卻管焊接、真空壓力浸漬、線圈盒封焊等多項關鍵技術認證。系列生產制造已于2017年正式開展。

中心螺管CS：穿過環的中心是一個巨大的超導線圈筒（中心螺管CS），在環向場線圈外側還布有六個大型環向超導線圈，即極向場線圈。中心螺管和極向場線圈的作用是產生等離子體電流和控制等離子體位形。

2、高溫超導材料的應用：國內外核聚變項目競相突破

根據上海超導招股說明書，截至2024年，高溫超導材料下游應用領域中，可控核聚變裝置磁體占比38%，已經成為高溫超導材料最大單一應用場景。

（1）SPARC：革命性高溫超導磁體技術

高溫超導材料：新一代核聚變裝置（如美國CFS公司的SPARC托卡馬克裝置）正在考慮采用HTS材料，以利用其在更高溫度下仍保持超導性的能力，從而降低運行成本和提高系統效率。據悉國內核聚變公司星環聚能和能量奇點的磁體系統均采用高溫超導材料加工建造。

SPARC，全稱是Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact，以最直接、簡明的方式闡述了快速、體積小、私營資本主導、低成本、緊湊等特點。SPARC是CFS商業化聚變電廠ARC（Affordable Robust Compact）的前期驗證裝置，目前正在美國馬薩諸塞州的Devens建設。

革命性高溫超導磁體技術：SPARC的核心創新在于采用稀土鋇銅氧化物（REBCO）高溫超導材料制成的磁體。實驗表明，其制造的基于REBCO磁體在液氦溫度下可承受高達5000安培的電流，局部磁場強度達20T，遠超ITER的5.3T，實現更高效的等離子體約束。

（2）能量奇點：25年創高溫超導磁體新紀錄

全球已建成超過百臺托卡馬克裝置，但截至2024年底正運行的全超導裝置僅4臺。能量奇點自主研制的“洪荒70”，是其中唯一一臺全高溫超導材質建造的托卡馬克。對低溫超導托卡馬克，全球已有20年研發經驗，工藝相對成熟，但裝置體型巨大。如在建的國際熱核聚變實驗堆（ITER），高30米，直徑28米。能量奇點之所以繞行“低溫”而取“高溫”，旨在將托卡馬克的體積、造價縮減約50倍，并大幅加快建設周期?！昂榛?0”所有關鍵零部件都用高溫超導材料建造，全世界僅此一臺，每一步都是從0到1。其中，“洪荒70”由上海超導科技股份有限公司提供高性能超導磁體材料。

今年3月10日，能量奇點能源科技（上海）有限公司宣布，其自主研制的大孔徑強場磁體“經天磁體”成功完成首輪通流實驗，產生了高達21.7特斯拉的磁場，這一場強超過了美國麻省理工學院和CFS公司聯合研制的SPARC TFMC磁體在2021年創造的20.1特斯拉的紀錄，創下大孔徑高溫超導D形磁體最高磁場紀錄，反超美國。

（3）BEST：緊湊型聚變實驗裝置高溫超導材料大放異彩

BEST，全稱Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，將在EAST裝置的基礎上首次演示聚變能發電，引領燃燒等離子物理研究，為中國聚變能的發展做出前瞻性和開創性貢獻。2027年建成后將會成為世界首個緊湊型聚變能實驗裝置。BEST項目由聚變新能（安徽）有限公司（下

稱“聚變新能”）負責運營，后者成立于2023年5月，初始注冊資本50億元，并在2024年6月增至145億元，股東涵蓋安徽省與合肥市國有平臺、中央企業、中國科學院及社會資本。

BEST采用了新一代全超導托卡馬克技術，其磁場強度相較于傳統裝置更高，但能耗卻更低，核心的磁體運用高溫超導材料。在極低溫環境下能夠實現“零電阻”，從而將等離子體牢牢地“鎖定”在磁場之中，有效避免能量的逃逸。這一技術曾經助力我國HL-2M裝置實現了1.5億度高溫等離子體運行，如今在BEST上又得到了進一步的優化，為穩定發電奠定了堅實的基礎。

（4）星環聚能：高溫超導磁體研發達到實用化要求

2024年星環聚能在高溫超導磁體技術領域取得了顯著成就，成功掌握了無絕緣線圈的設計和制造關鍵技術。公司還自主研發了一套高溫超導磁體的運行監控與保護系統，確保了磁體在長時間運行中的穩定性。經過反復的冷熱循環測試，多個高溫超導磁體展現出了卓越的性能穩定性，滿足了商業化應用的標準，已準備好供客戶日常使用。

此外，星環聚能研發的SH-150亥姆霍茲磁體，能夠提供直徑為150毫米的均勻磁場，為公司在螺旋波等離子體源、高電流密度等離子體槍等先進技術的開發和測試提供了強有力的支持。

（5）星火一號：高溫超導材料強勢賦能裂變-聚變混合堆

2023年11月，江西省人民政府與中國核工業集團有限公司簽訂全面戰略合作框架協議。江西聯創光電超導應用有限公司和中核聚變（成都）設計研究院有限公司計劃各自發揮技術優勢，采用聚變裂變混合路線，擬在江西省聯合建設可控核聚變項目，技術目標Q>30，實現連續發電功率100MW，工程總

投資預計超過200億元人民幣。2024年6月，聯創光電與中核集團就共同推進“星火一號”聚變-裂變混合示范堆的建設達成了初步合作意向。

2025年3月28日，星火一號高溫超導混合堆項目在成都順利通過了項目需求（PR文件）的全面評審。這一重要成果標志著星火一號在高溫超導混合堆領域邁出了堅實的一步，為未來可控核聚變技術的發展奠定了堅實基礎，具有重要的里程碑意義。評審過后星火一號將進入更為關鍵的實施階段，為我國能源可持續發展和全球核聚變事業做出更大貢獻。