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超導(dǎo)的重要性

對于托卡馬克以及所有磁約束可控核聚變來說，超導(dǎo)非常重要。有三個(gè)原因：第一是磁場強(qiáng)度，第二是焦耳熱問題，第三是體積管理。

首先是磁場強(qiáng)度，我們都知道磁約束的原理是用強(qiáng)磁場約束等離子體進(jìn)行反應(yīng)，而且由于環(huán)向磁場主要由外加線圈提供；極向磁場主要由等離子體電流并輔以外部線圈產(chǎn)生。這一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)讓外部磁場對托卡馬克性能影響顯著。

在托卡馬克裝置中，磁場強(qiáng)度增強(qiáng)既有利于增加粒子約束能力，又能降低回旋半徑；另一方面強(qiáng)磁場能夠減少粒子的徑向擴(kuò)散。在實(shí)驗(yàn)中，我們可以大致定性得出結(jié)論，磁場強(qiáng)度的平方與有效約束時(shí)間成正比。同時(shí)經(jīng)過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在至關(guān)重要的聚變功率方面，我們也得到一個(gè)結(jié)論：托卡馬克裝置單位體積的聚變功率密度正比于磁場強(qiáng)度的4次方。

這使得無論是Q值還是托卡馬克裝置的最終功率和體積，磁場強(qiáng)度都至關(guān)重要。

在托卡馬克裝置中被約束的等離子體

那什么樣的材料能實(shí)現(xiàn)較高的磁場強(qiáng)度呢？這里需要分類討論。從維持較長時(shí)間的核聚變反應(yīng)的角度看，超導(dǎo)在持續(xù)強(qiáng)磁場方面相對銅材具有壓倒性優(yōu)勢。

但由于短時(shí)間電磁場做功后，微觀粒子相互作用會(huì)產(chǎn)生無序熱運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致在強(qiáng)磁場下，局部電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。如果電磁能轉(zhuǎn)化過快，當(dāng)局部溫度快速突破臨界值時(shí)，超導(dǎo)材料會(huì)出現(xiàn)失超現(xiàn)象。

這使得相對臨界溫度更低的低溫超導(dǎo)在等離子體內(nèi)部峰值磁場強(qiáng)度方面不僅會(huì)低于高溫超導(dǎo)一個(gè)數(shù)量級乃至更多，甚至?xí)诿爰壋叨壬系陀阢~材料所能提供的峰值磁場強(qiáng)度。這也使得在原型階段，沖擊高參數(shù)的HL-3出于需要頻繁改動(dòng)、試驗(yàn)不同磁場波形的需求以及磁場強(qiáng)度需求，選擇銅導(dǎo)體而非如EAST采用全低溫超導(dǎo)。

基于上述討論，我們就可以談?wù)劤瑢?dǎo)對于熱管理和體積管理的影響了。

初中我們就學(xué)習(xí)了焦耳定律，也即電流通過導(dǎo)體時(shí)電能轉(zhuǎn)化為熱能Q=I^2Rt。而在托卡馬克中，環(huán)向磁場的強(qiáng)度和外部線圈電流成正比。這使得在大電流情況下，必須要盡可能降低電阻才能有利于長時(shí)間的穩(wěn)定工作。所以為了解決這個(gè)問題，高溫超導(dǎo)（及未來可能實(shí)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)）對實(shí)現(xiàn)可控核聚變的商用化至關(guān)重要。

而且考慮到托卡馬克裝置單位體積的聚變功率密度理想狀態(tài)下正比于磁場強(qiáng)度的4次方，理論上來說，僅就功率而言，提升一倍的磁場可以讓聚變的功率密度提升16倍，這將顯著降低未來可控核聚變的體積，提高反應(yīng)堆參數(shù)。

所以，在HL-3帶領(lǐng)我們跨過第三階段，也即開展燃燒實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)、獲得聚變功率階段后。進(jìn)入第四階段（實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)）后，預(yù)計(jì)將陸續(xù)啟動(dòng)多項(xiàng)全超導(dǎo)，尤其是采用高溫超導(dǎo)的托卡馬克堆項(xiàng)目。

根據(jù)計(jì)劃，我國的BEST裝置雖然依然以Nb?Sn/NbTi低溫超導(dǎo)材料為主，但會(huì)在局部高磁場部件嘗試國產(chǎn)高溫超導(dǎo)。根據(jù)計(jì)劃，進(jìn)一步發(fā)展的CFETR雖然會(huì)在主回路磁體依舊延續(xù)ITER的技術(shù)路徑，以Nb?Sn/NbTi超導(dǎo)材料為核心，但是會(huì)加入更多的高溫超導(dǎo)材料。當(dāng)然我們不排除隨著以稀土鋇銅氧 （Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）為代表的高溫超導(dǎo)材料在工業(yè)化生產(chǎn)能力和性能均獲得顯著提升，相關(guān)計(jì)劃會(huì)提前的可能。

事實(shí)上，在私人投資領(lǐng)域，我國已經(jīng)有人進(jìn)軍全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置。上海初創(chuàng)公司能量奇點(diǎn)能源科技（上海）有限公司在2024年就宣布，從2022年3月開始設(shè)計(jì)工作，并于2024年2月安裝完工的全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒-70”（HH-70），已經(jīng)在2024年6月18日成功實(shí)現(xiàn)等離子體放電。

經(jīng)天磁體及其運(yùn)行測試系統(tǒng) 能量奇點(diǎn)

根據(jù)能量奇點(diǎn)的計(jì)劃，其將在2027年完成下一代強(qiáng)磁場高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置——“洪荒-170”（HH-170）的建設(shè)，并希望該裝置實(shí)現(xiàn)Q＞10的目標(biāo)。為支持“HH-170”的研發(fā)，能量奇點(diǎn)也在研發(fā)高溫超導(dǎo)D形磁體，內(nèi)部代號(hào)為“經(jīng)天”磁體。該磁體已經(jīng)在今年3月產(chǎn)生了高達(dá)21.7T的磁場，超越了美國麻省理工學(xué)院和CFS公司的世界紀(jì)錄。但是這還沒到達(dá)其設(shè)計(jì)目標(biāo)，據(jù)悉，該磁體的設(shè)計(jì)磁場強(qiáng)度高達(dá)25T，這一指標(biāo)將顯著高于ITER項(xiàng)目采用的磁鐵磁場強(qiáng)度。

值得注意的是，能量奇點(diǎn)公司曾于2022年和2023年分別進(jìn)行過天使輪和Pre-A輪融資，參投股東包括米哈游、蔚來等企業(yè)。而且這并不是中國范圍內(nèi)唯一的初創(chuàng)可控核聚變企業(yè)，未來隨著技術(shù)的突破以及中國商業(yè)資本越來越多地關(guān)注可控核聚變概念，更多的公司將會(huì)出現(xiàn)在我們眼前。

結(jié)語

隨著各國加大對于可控核聚變的投入，可控核聚變技術(shù)已從曾經(jīng)被視為工程上幾乎不可能的挑戰(zhàn)，逐步分解細(xì)化為一系列擁有明確路線圖和時(shí)間表的技術(shù)攻關(guān)任務(wù)。而且隨著材料學(xué)的進(jìn)步，以中國為代表的各國已經(jīng)相對清晰地畫出可控核聚變實(shí)現(xiàn)的路線圖和時(shí)間表。

根據(jù)我國路線圖，以CFETR為例，計(jì)劃于2035年左右建成該裝置并投入運(yùn)行，初期將實(shí)現(xiàn)100-200MW的聚變功率輸出；并計(jì)劃在21世紀(jì)40年代實(shí)現(xiàn)1GW的凈功率輸出，2050年前建成示范聚變電站并向電網(wǎng)供電。

今年3月27日，新華社就以“商業(yè)化競速：‘人造太陽’如何照進(jìn)現(xiàn)實(shí)？”為題報(bào)道了中國商業(yè)核聚變的發(fā)展情況。文中，中核集團(tuán)聚變領(lǐng)域首席科學(xué)家段旭如表示，“從全球發(fā)展看，聚變商用有望在2050年前后實(shí)現(xiàn)，但也不排除隨著高溫超導(dǎo)、人工智能、先進(jìn)材料等技術(shù)的突破，商業(yè)落地時(shí)間進(jìn)一步提前?！?

相信隨著我國相關(guān)計(jì)劃的推進(jìn)，中國可控核聚變乃至世界可控核聚變已經(jīng)從“永遠(yuǎn)的五十年”，逐漸變得觸手可及。

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