高温超导最强处，核聚变托卡马克D形磁场
高温超导最强处，核聚变托卡马克D形磁场
2025年3月，中国上海的能量奇点能源科技公司宣布，其自主研发的“经天磁体”在首轮通流实验中成功产生21.7特斯拉的磁场，打破了美国麻省理工学院与CFS公司于2021年创造的20.1特斯拉纪录，标志着高温超导磁体技术迈入新的里程碑。
高温超导D形磁体最高磁场：技术突破与历史演进
在可控核聚变领域，磁场强度是衡量托卡马克装置性能的核心指标。
2025年3月，中国上海的能量奇点能源科技公司宣布，其自主研发的“经天磁体”在首轮通流实验中成功产生21.7特斯拉的磁场，打破了美国麻省理工学院与CFS公司于2021年创造的20.1特斯拉纪录，标志着高温超导磁体技术迈入新的里程碑。
强度数据：21.7特斯拉的突破
经天磁体的设计目标是为下一代托卡马克装置“洪荒170”验证关键技术。其线性尺寸超过“洪荒170”环向场磁体的50%，通过高温超导电流引线通入24300安培（单匝）电流，总安匝数达926万安匝，绕组工程电流密度达1.57亿安培/平方米。实验中，该磁体不仅实现了21.7特斯拉的磁场强度，更成功应对了电磁力载荷导致的950兆帕应力，展现出卓越的工程可靠性。
加工完成待安装的单饼线圈。能量奇点供图
根据聚变学术界广泛认可的IPB98定标率，磁场强度每提升一倍，托卡马克装置的线性尺寸可缩小至1/3，体积缩小至1/30。这意味着更高的磁场强度将显著降低装置成本与建造周期，加速聚变能源商业化进程。
（经天磁体及其运行测试系统）
经天磁体的突破为“洪荒170”实现10倍能量增益（Q≥10）奠定了基础，其设计目标磁场强度达25特斯拉，若达成将使“洪荒170”成为全球最小的Q≥10托卡马克装置。
温度数据：高温超导的临界挑战
（从左至右：单饼线圈、32饼堆叠绕组、绕组入盒后与团队合影）
高温超导技术的核心在于材料的临界温度（Tc）。传统低温超导体如铌三锗（Nb3Ge）的Tc仅为23.2K，需依赖液氦维持低温环境。
1986年，氧化物超导体的发现开启了高温超导时代：瑞士科学家缪勒与贝德诺尔茨首次在LaBaCuO中观测到35K的超导迹象；随后，钇钡铜氧（YBaCuO）将Tc提升至93K，突破液氮温度（77K）。
目前，常压下临界温度最高的材料是汞钡钙铜氧（HgBaCaCuO），Tc达135K，高压下更可升至164K。
经天磁体成功励磁至21.7特斯拉
能量奇点的经天磁体采用高温超导材料，其工作温度处于液氮温区（77K），显著降低了制冷成本与系统复杂度。这类材料的超导机制虽尚未完全明晰，但层状CuO导电层与载流子库层的协同作用被认为是关键。
例如，YBaCuO的结构中，CuO面通过BaO-CuO-BaO插入层实现载流子注入，形成d波对称性的电子对。
历史实验：从实验室到工程化
高温超导磁体的发展经历了从基础研究到工程验证的漫长历程。20世纪90年代，科学家通过元素掺杂与结构优化提升材料性能，但早期磁体受限于临界电流密度与机械强度。2000年后，非氧化物高温超导体如MgB₂（Tc=39K）的发现进一步扩展了应用范围。
进入21世纪，美国、中国等国家加速聚变磁体研发。2021年，麻省理工学院与CFS公司联合研制的SPARC TFMC磁体以20.1特斯拉刷新纪录，其采用Nb₃Sn低温超导材料，验证了高场磁体的可行性。然而，低温系统的复杂性促使研究转向高温超导技术。能量奇点的“经天磁体”不仅在磁场强度上实现反超，更通过大孔径设计（长约3米、宽1.4米）验证了工程化可行性，为未来氘-氘聚变堆磁体技术积累了关键数据。
高温超导磁体的突破为聚变能源商业化注入新动力。能量奇点计划通过“洪荒170”装置实现更高能量增益，其成功将依赖于磁场强度的进一步提升与材料性能的优化。
当前，硫氢化物在高压下的临界温度已达190K（-83℃），虽尚未应用于实际磁体，但其潜力为超导技术开辟了新方向。未来，随着材料科学与工程技术的协同发展，更高场强、更低成本的高温超导磁体有望推动人类迈向“人造太阳”的终极目标。
本文原文来自网易新闻