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导语
近日，美国费米国家加速器实验室（Fermilab）启动了测试平台MAGNES，该平台以超导电缆为主要测试对象——即未来聚变堆磁体中需要同时承受强磁场与大电流的导体。
平台将提供15特斯拉背景磁场与最高10万安培的测试电流，测试温度可低至比绝对零度高约2–4度。其低温模组已于2025年11月安装就位，首批电缆测试预计2028年夏季开始。
下图：MAGNES低温模组于2025年安装在高场垂直磁体测试设施
图片来源： Fermilab公开资料
一、从对撞机到聚变堆：
数十年磁体技术的新出口
超导磁体是费米实验室积累数十年的核心技术。数十年来，该实验室为粒子加速器设计并建造了世界上最强的一批超导磁体。
自建成Tevatron（一度是全球最先进的粒子对撞机）以来，费米实验室在先进超导材料、磁体原型、诊断与分析工具等方面形成了完整的技术积累。这些技术并不局限于粒子物理——医学成像所用的核磁共振（MRI）设备，同样源自这条技术路线。
如今，这套能力开始服务于聚变。
费米实验室正式启动MAGNet Environment Simulator（简称MAGNES），由美国能源部聚变能源科学办公室联合高能物理办公室、核物理办公室共同资助，目标是为未来聚变能源系统所需的强磁体提供测试支撑。
粒子物理和聚变的结合点在哪？
二、测试原理：强背景场与失超管理
某些材料在冷却到极低温度后会失去全部电阻，能够承载常规电磁铁无法企及的电流，从而产生极强的磁场。超导磁体由此成为高能物理与聚变研究共同的基础器件。
由超导材料制成的电缆，需要承载未来聚变反应堆内磁体所需的大电流。如果研究者能够用强磁场可靠地约束并维持聚变反应，就为一种近乎无限的能源形式奠定了基础——其原理与太阳内部的核过程相同。
MAGNES的定位是：建成后成为美国唯一能提供大体积高磁场空间、专用于此类反应堆超导电缆测试的设施。工程进展方面，MAGNES的低温模组已于2025年11月3日在费米实验室高场垂直磁体测试设施完成安装。
下图：MAGNES低温模组安装在费米实验室的高场垂直磁体测试设施
图片来源：Fermilab公开资料
安全也是平台设计的重点。
当超导电缆被推过其极限时，会发生"失超"（quench）——超导态突然消失，储存的能量在短时间内释放。在任何电缆设计装入聚变堆之前，安全地理解并管理这一过程是必要前提。该测试能力使研究人员能够把电缆推至性能极限，进而量化：在丧失超导特性之前，材料究竟能承受多大电流。
三、核心装置：一台15特斯拉二极磁体
MAGNES的核心，是一台由劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）设计制造的强磁体——即一台15特斯拉二极磁体，采用超大孔径设计，一方面容纳高电流电缆，另一方面也便于开展其他类型的实验。
作为参照，医院MRI设备通常产生1.5–3特斯拉的磁场。在15特斯拉下，MAGNES能够重现超导电缆在下一代聚变反应堆内部将经历的磁场环境——目前美国其他设施尚无法在同等规模上复现这一电缆测试条件。
四、低温系统与后续计划
MAGNES的低温恒温器将样品冷却至比绝对零度高约2–4度，由伊利诺伊州的一家厂商建造，费米实验室高级工程师Vlad Nikolic负责协调其设计与施工。
"这套独特系统在关键部位需要极精密的加工。低温恒温器——用来冷却磁体的——在超流氦与普通液氦相接的地方，需要一个特别精密的密封。这个密封在14英尺的周长范围内，平整度必须控制在千分之二英寸以内。
如今我们已小心地安装好低温恒温器，下一步是建造反低温恒温器，它能将测试样品的温度从低温一直控制到室温。"
—— Vlad Nikolic，费米实验室高级工程师
在不同温度下测试样品，使研究者能够绘制电缆性能随温度与磁场变化的完整曲线——这是聚变堆设计的关键数据。电缆温度升高时，载流能力下降，失超风险上升。只有精确标定这些阈值，才能判断某种电缆材料是否适配反应堆的运行工况，以及新型高温超导体能否最终替代成本更高、冷却更困难的材料方案。
目前MAGNES建设正在推进，首批电缆测试预计于2028年夏季开始。该设施产出的研究数据，将直接为下一代聚变装置的磁体设计提供依据，为政府实验室、高校与私营聚变企业从原型走向电站提供基础数据支撑。
参考阅读 📚
https://news.fnal.gov/2026/10/physics-and-fusion-research-advances-through-fermilabs-magnes/
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