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可控核聚变装置是超导材料的重要应用方向。实现核聚变反应，需要同时满足足够高的温度、一定的等离子体密度和一定的能量约束时间，三者的乘积为聚变三重积。只有大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。磁约束利用磁场约束等离子体运动，防止外泄，目前被认为是最有可能实现可控核聚变的途径，也是我国主要采用的技术路线。磁约束核聚变装置主要有托卡马克、仿星器等，托卡马克为核聚变装置的主流路线。

托卡马克主要由环形真空室、磁体和其他辅助设施组成，具有结构简单、造价低，生产周期短，装置迭代快，以及加热成本低等优势，是目前各国投入最大、最接近可控核聚变条件、技术发展最成熟的途径，约占全球核聚变装置的50%。磁体由制冷机、低温恒温器、圆筒骨架、超导线图、失超保护模块、超导开关、磁屏蔽铁轭等构成。超导磁体的制备需要将超导带材绕成线圈，并且控制绝缘、应力、传热、冷却，做成磁体。根据《Superconductors for fusion:a roadmap》（Neil Mitchell et al），ITER与DEMO项目的成本分布：

ITER实验堆阶段：磁体系统（28%）是最大成本项，低温超导材料（Nb3Sn/NbTi）的高成本凸显了超导技术的关键地位，但其局限性（如液氦依赖、磁场强度上限）亟待突破；真空容器（8%）和土建厂房（14%）的高占比则反映了实验装置对极端工程条件（超高真空、抗辐照）的重度依赖，而分散的辅助系统（如功率供应8%、仪器控制6%）则揭示了复杂系统集成的技术挑战。

DEMO示范堆阶段：产业链重心显著向商业化落地倾斜，高温超导（如REBCO）的紧凑化设计有望大幅降低磁体成本，真空容器成本锐减至2%（得益于3D打印钨基复合材料和模块化工艺），而核聚变电站的平衡系统跃升为最大成本项（25%）。

在可控核聚变应用领域，低温和高温超导磁体也有不同的性能表现，低温超导磁体稳定运行最高磁场强度在15T左右，高温超导磁体可达到45.5T。更强的磁场可以延长等离子体约束时间，减少能量损失。同时，磁场越强，允许的等离子体密度越高，从而提升聚变反应率。随着高温超导技术的不断成熟，带材价格在不断下降。根据全球高温超导材料龙头FFJ官网，近五年来，高温超导线材的价格已经下降了一半，未来高温超导磁体有望成为可控核聚变装置的未来发展趋势。

1、低温超导材料的应用：ITER

ITER磁体系统由四个主要子系统组成，其中包括：18个环向场线圈（Toroidal Field Coil,简称TFC）；6个极向场线圈（Poloidal Field coil,简称PFC）；18个校正线圈（Correction coil,简称CC）以及中心

螺线管（Central Solenoid,简称CS）。其周边连接关系为：放置在18个重力支撑（GravitySupport，简称GS）上的TFC通过6组极向场线圈支撑（PFCS）支持6个PFC；同时通过3组校正场线圈支撑（CCS）支持CC。TFC通过其自身的结构和支撑对CS提供支持。

超导材料：超导导体是用于绕制ITER超导线圈的重要材料，根据不同线圈的作用和要求，ITER有不同规格的超导导体。中心螺管、纵场线圈采用（铌三锡）Nb3Sn超导材料，极向场（PF）、校正场线圈(CC)采用铌钛（NbTi）低温超导材料。

环向场线圈：它由18个TF线圈构成，每个TF线圈由7根完整连续的基于Nb3Sn超导线的铠装导体（CICC）绕制而成。总的来说，制造18个TF线圈总共需要126根单元导体。ITER装置运行时，TF导体内流动着4.2K（-269℃）的超流态液氦，每根导体额定电流68kA，承受的磁场强度最高达12T，约为地球磁场的20万倍。2008年6月16日，中国与ITER组织签署《环向场导体采购安排协议》，根据协议规定，中国承担11根TF导体制造任务，约占全部TF导体制造任务的7.51%。

极向场（PF）线圈：它的主要作用是在等离子体的产生、上升、成形和平顶各个阶段提供欧姆加热和控制等离子体位形。PF线圈系统由6个不同尺寸的独立线圈组成，自上而下分别为PF1、PF2、PF3、PF4、PF5、PF6。与环向场线圈导体类似，PF线圈导体为NbTi基超导铠装导体。运行时，PF导体内通有4.2K（-269℃）的液氦，电流45kA，磁场强度最高可达5T。2008年10月10日，中方与ITER组织签署极向场线圈导体采购安排协议，中方负责制造PF2至PF5共60根PF导体，约占全部PF导体的65%。

校正场超导磁体系统（CC）：这是ITER超导托卡马克装置中重要的部件之一，主要用来补偿环向场和极向场系统由于制造与安装过程带来的不可消除的磁场误差。ITER装置共有18个校正场线圈，其中底部、侧线圈和顶部线圈各6个。ITER校正场线圈是由NbTi超导导体绕制而成，匝工作电流10kA，

最高磁场约5T。中方承担ITER装置所有18个校正场线圈的制造。自2010年中方与ITER国际组织签署采购安排协议以来，经国内多年联合攻关，先后完成了线圈绕制、氦冷却管焊接、真空压力浸渍、线圈盒封焊等多项关键技术认证。系列生产制造已于2017年正式开展。

中心螺管CS：穿过环的中心是一个巨大的超导线圈筒（中心螺管CS），在环向场线圈外侧还布有六个大型环向超导线圈，即极向场线圈。中心螺管和极向场线圈的作用是产生等离子体电流和控制等离子体位形。

2、高温超导材料的应用：国内外核聚变项目竞相突破

根据上海超导招股说明书，截至2024年，高温超导材料下游应用领域中，可控核聚变装置磁体占比38%，已经成为高温超导材料最大单一应用场景。

（1）SPARC：革命性高温超导磁体技术

高温超导材料：新一代核聚变装置（如美国CFS公司的SPARC托卡马克装置）正在考虑采用HTS材料，以利用其在更高温度下仍保持超导性的能力，从而降低运行成本和提高系统效率。据悉国内核聚变公司星环聚能和能量奇点的磁体系统均采用高温超导材料加工建造。

SPARC，全称是Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact，以最直接、简明的方式阐述了快速、体积小、私营资本主导、低成本、紧凑等特点。SPARC是CFS商业化聚变电厂ARC（Affordable Robust Compact）的前期验证装置，目前正在美国马萨诸塞州的Devens建设。

革命性高温超导磁体技术：SPARC的核心创新在于采用稀土钡铜氧化物（REBCO）高温超导材料制成的磁体。实验表明，其制造的基于REBCO磁体在液氦温度下可承受高达5000安培的电流，局部磁场强度达20T，远超ITER的5.3T，实现更高效的等离子体约束。

（2）能量奇点：25年创高温超导磁体新纪录

全球已建成超过百台托卡马克装置，但截至2024年底正运行的全超导装置仅4台。能量奇点自主研制的“洪荒70”，是其中唯一一台全高温超导材质建造的托卡马克。对低温超导托卡马克，全球已有20年研发经验，工艺相对成熟，但装置体型巨大。如在建的国际热核聚变实验堆（ITER），高30米，直径28米。能量奇点之所以绕行“低温”而取“高温”，旨在将托卡马克的体积、造价缩减约50倍，并大幅加快建设周期。“洪荒70”所有关键零部件都用高温超导材料建造，全世界仅此一台，每一步都是从0到1。其中，“洪荒70”由上海超导科技股份有限公司提供高性能超导磁体材料。

今年3月10日，能量奇点能源科技（上海）有限公司宣布，其自主研制的大孔径强场磁体“经天磁体”成功完成首轮通流实验，产生了高达21.7特斯拉的磁场，这一场强超过了美国麻省理工学院和CFS公司联合研制的SPARC TFMC磁体在2021年创造的20.1特斯拉的纪录，创下大孔径高温超导D形磁体最高磁场纪录，反超美国。

（3）BEST：紧凑型聚变实验装置高温超导材料大放异彩

BEST，全称Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，将在EAST装置的基础上首次演示聚变能发电，引领燃烧等离子物理研究，为中国聚变能的发展做出前瞻性和开创性贡献。2027年建成后将会成为世界首个紧凑型聚变能实验装置。BEST项目由聚变新能（安徽）有限公司（下

称“聚变新能”）负责运营，后者成立于2023年5月，初始注册资本50亿元，并在2024年6月增至145亿元，股东涵盖安徽省与合肥市国有平台、中央企业、中国科学院及社会资本。

BEST采用了新一代全超导托卡马克技术，其磁场强度相较于传统装置更高，但能耗却更低，核心的磁体运用高温超导材料。在极低温环境下能够实现“零电阻”，从而将等离子体牢牢地“锁定”在磁场之中，有效避免能量的逃逸。这一技术曾经助力我国HL-2M装置实现了1.5亿度高温等离子体运行，如今在BEST上又得到了进一步的优化，为稳定发电奠定了坚实的基础。

（4）星环聚能：高温超导磁体研发达到实用化要求

2024年星环聚能在高温超导磁体技术领域取得了显著成就，成功掌握了无绝缘线圈的设计和制造关键技术。公司还自主研发了一套高温超导磁体的运行监控与保护系统，确保了磁体在长时间运行中的稳定性。经过反复的冷热循环测试，多个高温超导磁体展现出了卓越的性能稳定性，满足了商业化应用的标准，已准备好供客户日常使用。

此外，星环聚能研发的SH-150亥姆霍兹磁体，能够提供直径为150毫米的均匀磁场，为公司在螺旋波等离子体源、高电流密度等离子体枪等先进技术的开发和测试提供了强有力的支持。

（5）星火一号：高温超导材料强势赋能裂变-聚变混合堆

2023年11月，江西省人民政府与中国核工业集团有限公司签订全面战略合作框架协议。江西联创光电超导应用有限公司和中核聚变（成都）设计研究院有限公司计划各自发挥技术优势，采用聚变裂变混合路线，拟在江西省联合建设可控核聚变项目，技术目标Q>30，实现连续发电功率100MW，工程总

投资预计超过200亿元人民币。2024年6月，联创光电与中核集团就共同推进“星火一号”聚变-裂变混合示范堆的建设达成了初步合作意向。

2025年3月28日，星火一号高温超导混合堆项目在成都顺利通过了项目需求（PR文件）的全面评审。这一重要成果标志着星火一号在高温超导混合堆领域迈出了坚实的一步，为未来可控核聚变技术的发展奠定了坚实基础，具有重要的里程碑意义。评审过后星火一号将进入更为关键的实施阶段，为我国能源可持续发展和全球核聚变事业做出更大贡献。