超导的重要性

对于托卡马克以及所有磁约束可控核聚变来说，超导非常重要。有三个原因：第一是磁场强度，第二是焦耳热问题，第三是体积管理。

首先是磁场强度，我们都知道磁约束的原理是用强磁场约束等离子体进行反应，而且由于环向磁场主要由外加线圈提供；极向磁场主要由等离子体电流并辅以外部线圈产生。这一基础设计让外部磁场对托卡马克性能影响显著。

在托卡马克装置中，磁场强度增强既有利于增加粒子约束能力，又能降低回旋半径；另一方面强磁场能够减少粒子的径向扩散。在实验中，我们可以大致定性得出结论，磁场强度的平方与有效约束时间成正比。同时经过理论推导和实验验证，在至关重要的聚变功率方面，我们也得到一个结论：托卡马克装置单位体积的聚变功率密度正比于磁场强度的4次方。

这使得无论是Q值还是托卡马克装置的最终功率和体积，磁场强度都至关重要。

在托卡马克装置中被约束的等离子体

那什么样的材料能实现较高的磁场强度呢？这里需要分类讨论。从维持较长时间的核聚变反应的角度看，超导在持续强磁场方面相对铜材具有压倒性优势。

但由于短时间电磁场做功后，微观粒子相互作用会产生无序热运动，这会导致在强磁场下，局部电磁能转化为热能。如果电磁能转化过快，当局部温度快速突破临界值时，超导材料会出现失超现象。

这使得相对临界温度更低的低温超导在等离子体内部峰值磁场强度方面不仅会低于高温超导一个数量级乃至更多，甚至会在秒级尺度上低于铜材料所能提供的峰值磁场强度。这也使得在原型阶段，冲击高参数的HL-3出于需要频繁改动、试验不同磁场波形的需求以及磁场强度需求，选择铜导体而非如EAST采用全低温超导。

基于上述讨论，我们就可以谈谈超导对于热管理和体积管理的影响了。

初中我们就学习了焦耳定律，也即电流通过导体时电能转化为热能Q=I^2Rt。而在托卡马克中，环向磁场的强度和外部线圈电流成正比。这使得在大电流情况下，必须要尽可能降低电阻才能有利于长时间的稳定工作。所以为了解决这个问题，高温超导（及未来可能实现的室温超导）对实现可控核聚变的商用化至关重要。

而且考虑到托卡马克装置单位体积的聚变功率密度理想状态下正比于磁场强度的4次方，理论上来说，仅就功率而言，提升一倍的磁场可以让聚变的功率密度提升16倍，这将显著降低未来可控核聚变的体积，提高反应堆参数。

所以，在HL-3带领我们跨过第三阶段，也即开展燃烧实验，实现聚变反应、获得聚变功率阶段后。进入第四阶段（实验堆建设）后，预计将陆续启动多项全超导，尤其是采用高温超导的托卡马克堆项目。

根据计划，我国的BEST装置虽然依然以Nb₃Sn/NbTi低温超导材料为主，但会在局部高磁场部件尝试国产高温超导。根据计划，进一步发展的CFETR虽然会在主回路磁体依旧延续ITER的技术路径，以Nb₃Sn/NbTi超导材料为核心，但是会加入更多的高温超导材料。当然我们不排除随着以稀土钡铜氧 （Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）为代表的高温超导材料在工业化生产能力和性能均获得显著提升，相关计划会提前的可能。

事实上，在私人投资领域，我国已经有人进军全高温超导托卡马克装置。上海初创公司能量奇点能源科技（上海）有限公司在2024年就宣布，从2022年3月开始设计工作，并于2024年2月安装完工的全高温超导托卡马克装置“洪荒-70”（HH-70），已经在2024年6月18日成功实现等离子体放电。

经天磁体及其运行测试系统 能量奇点

根据能量奇点的计划，其将在2027年完成下一代强磁场高温超导托卡马克装置——“洪荒-170”（HH-170）的建设，并希望该装置实现Q＞10的目标。为支持“HH-170”的研发，能量奇点也在研发高温超导D形磁体，内部代号为“经天”磁体。该磁体已经在今年3月产生了高达21.7T的磁场，超越了美国麻省理工学院和CFS公司的世界纪录。但是这还没到达其设计目标，据悉，该磁体的设计磁场强度高达25T，这一指标将显著高于ITER项目采用的磁铁磁场强度。

值得注意的是，能量奇点公司曾于2022年和2023年分别进行过天使轮和Pre-A轮融资，参投股东包括米哈游、蔚来等企业。而且这并不是中国范围内唯一的初创可控核聚变企业，未来随着技术的突破以及中国商业资本越来越多地关注可控核聚变概念，更多的公司将会出现在我们眼前。

结语

随着各国加大对于可控核聚变的投入，可控核聚变技术已从曾经被视为工程上几乎不可能的挑战，逐步分解细化为一系列拥有明确路线图和时间表的技术攻关任务。而且随着材料学的进步，以中国为代表的各国已经相对清晰地画出可控核聚变实现的路线图和时间表。

根据我国路线图，以CFETR为例，计划于2035年左右建成该装置并投入运行，初期将实现100-200MW的聚变功率输出；并计划在21世纪40年代实现1GW的净功率输出，2050年前建成示范聚变电站并向电网供电。

今年3月27日，新华社就以“商业化竞速：‘人造太阳’如何照进现实？”为题报道了中国商业核聚变的发展情况。文中，中核集团聚变领域首席科学家段旭如表示，“从全球发展看，聚变商用有望在2050年前后实现，但也不排除随着高温超导、人工智能、先进材料等技术的突破，商业落地时间进一步提前。”

相信随着我国相关计划的推进，中国可控核聚变乃至世界可控核聚变已经从“永远的五十年”，逐渐变得触手可及。

参考文献：

Abu-Shawareb, H., et al. "Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment." Physical review letters 132.6 (2024): 065102.

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朱少平, and 罗民兴. "浅谈激光聚变." 物理 53.5 (2024): 287-299.

钟武律, et al. "磁约束核聚变托卡马克装置研究进展与展望." 原子能科学技术 58.S2 (2024): 296-307.

Wolfgang Picot, “用托卡马克和仿星器实现磁聚变约束”, 国际原子能机构通报. 5(2021):6-7‌‌

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