导语
超导磁体系统
托卡马克是当前最具商业化前景的磁约束核聚变装置，其核心挑战在于产生并维持足以约束上亿摄氏度高温等离子体的强磁场。超导磁体系统作为实现该目标的关键工程，涵盖了超导材料制备、导体设计、线圈绕制等一系列复杂技术环节。
本文系统梳理了托卡马克超导磁体系统的关键线圈类型、材料演进路径、核心工程技术挑战及当前代表性应用进展，旨在为理解聚变能源的技术发展路径与未来趋势提供参考。
下文从三部分解析托卡马克超导磁体：
一、托卡马克磁体系统的关键线圈结构
二、托卡马克磁体系统线圈材料的演进之路
三、托卡马克超导磁体工程：从超导材料到磁体线圈的集成挑战
一、托卡马克磁体系统的关键线圈结构
托卡马克磁体系统是其实现等离子体磁约束的核心部件，磁体系统的各类线圈通过协同工作产生特定形态的磁场，共同维持等离子体的稳定运行。
磁体系统的主要线圈类型及功能可概括如下：
环向磁场线圈(toroidal field coil, TF线圈)：TF线圈产生强大的环向磁场，用于约束等离子体，使其绕环运行，防止等离子体与真空室壁接触。该磁场构成了托卡马克中最基本和主要的约束场。
极向磁场线圈(poloidal field coil, PF线圈)：PF线圈产生极向磁场，与等离子体自身电流产生的磁场叠加，共同用于控制等离子体的形状、位置和稳定性(如拉长截面、控制位移等)。
中心螺管线圈(central solenoid coil, CS线圈；也称Ohmic heating coil, OH线圈，变流器线圈)：CS线圈本质上是一个大型变压器(原边线圈)，其变化的电流在真空室中感应出强大的环向电场，用于击穿气体形成等离子体并驱动和维持等离子体电流，同时也对等离子体进行欧姆加热。
此外还有辅助性线圈，例如，校正场线圈(Correction Coil, CC)，校正场线圈主要用于补偿由于制造公差、安装误差或周围铁磁物质等引起的误差磁场。这些微小的误差磁场可能破坏磁面的对称性，引发等离子体不稳定性。校正线圈(通常分布在顶部、底部、侧面等不同位置)通过主动产生补偿磁场，以极高精度维持等离子体的稳定性和位置控制。
这些线圈并非独立工作，而是作为一个集成的磁体系统协同运行。例如，在ITER装置中，就包含了18个TF线圈、6个PF线圈、1个CS线圈（由多个模块组成）和18个CC线圈。
图片来源：公开资料
为了提高等离子体的性能参数，产生并维持强磁场是必不可少的条件，而这通常需要通过增大线圈电流来实现。
对于采用常规导体的线圈而言，电流增大将导致焦耳热损耗显著增加。若线圈因焦耳热消耗的能量超过核聚变反应所产生的能量，则整个系统将无法实现净能量增益，失去作为能源装置的意义。此外，常规导体存在电流密度的上限，继续提高电流往往需扩大线圈截面积或体积，这将显著增加聚变装置的尺寸、复杂性和工程难度。
相比之下，超导线圈在超导态下直流电阻为零，可承载极高的电流密度而几乎不产生焦耳热。因此，在托卡马克装置中采用超导磁体是突破常规导体限制、实现高强度磁场和高能量约束效率的关键技术路径，对未来聚变堆的工程可行性和经济性具有重要意义。
二、托卡马克磁体系统线圈材料的演进之路
托卡马克装置对于磁场强度和经济性的追求，驱动着超导材料本身的不断发展。其演进历程清晰地反映了从科学探索到工程应用的轨迹：
1. 低温超导(LTS)时代：以NbTi和Nb₃Sn为代表的材料体系率先成熟，支撑了包括ITER在内的大型项目。它们证明了超导磁体在聚变中应用的可行性，但其临界磁场存在上限，若要获得更高的聚变功率，往往需建造更庞大的装置，推高了建设成本。
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2. 高温超导(HTS)革命：以REBCO(稀土钡铜氧) 和 BSCCO(铋锶钙铜氧)为代表的材料，其临界温度和临界磁场远高于低温超导材料。这使得建造更紧凑、更强磁场、更高效率的托卡马克成为可能，彻底改变了聚变能源的经济性模型，催生了SPARC、CFEDR等新一代小型化装置设计。
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三、托卡马克超导磁体工程：
从材料到线圈的集成挑战
超导体的发现始于上世纪初，距今已有百余年的历史。而托卡马克装置的磁体系统是一个极其复杂的系统工程。其性能不仅取决于超导材料本身的特性，更取决于如何将这些材料工程化为适用的导体形态(线材或带材)，并最终设计、制造和集成成功能各异的线圈。
超导现象最早于1911年发现，超导体分为临界磁场相对较小的第一类超导体和临界磁场较大的第二类超导体。
实用超导材料多为第二类超导体，它们不仅具有直流电阻为零的完全导电性，还展现出迈斯纳效应(完全抗磁性)，能将磁力线排斥出体外。
图片来源：公开资料
超导状态由电流密度(J)、温度(T)、磁场(B) 共同决定，任一参数超越其临界值(Jc, Tc, Bc)都会导致超导态瓦解，回归常导态。一旦运行条件超出临界边界，便会引发失超(Quench)——整个超导导体不可逆地转变为正常态，这是工程设计中必须严防的核心问题。
下图：决定超导状态的三个临界值的示意图
内容来源：公开资料
基于上述超导特性与临界参数的约束，目前已发展出多条技术路线，致力于将不同类型的超导材料工程化为适用于强场磁体的线材或带材。
截至目前，人类已经发现的具有超导电性的物质有上万种，包括元素单质、合金、化合物以及有机物等。但基于载流性能、热稳定性、成材能力等综合性能的筛选，具有实用化前景的超导材料并不是很多。
主要的超导材料如下图所示。其中，Bc2表示超出该值后超导体将完全变为常导体所对应的磁场强度。
下图：主要超导材料分类
内容来源：根据公开资料整理
NbTi延展性优异，易于加工，是目前最成熟、应用最广泛的低温超导材料。
化合物系与合金系相比，临界温度更高。
铋系氧化物有Bi2Sr2CaCu2Ox、Bi2Sr2CaCu3Oy分别用Bi -2212、Bi-2223表示。
钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O₇，简写为YBCO或Y-123)是REBCO(稀土钡铜氧)高温超导材料家族的原型代表，属于铜氧化物高温超导体。它是历史上首个临界温度(Tc)突破液氮沸点(77K)的超导材料，最高超导转变温度可达约92-93K，这使得其冷却成本显著降低。
从超导线材制成超导导线时，需要考虑以下几点：
磁滞损失：超导体在交变磁场中，为了消除磁场的侵入会产生超导电流。因交变磁场增大和减小时超导电流的方向不同，磁化程度不同导致磁滞的产生。因此，超导体受到交变磁场时，会产生磁滞损失。
稳定化材料：超导体受到电磁力而运动时会因摩擦产生热量。极低温下金属的比热也极其微小，很小的热扰动也会使温度大幅上升而超过临界温度。超导体在临界温度以上会因电阻而产生大量的焦耳热，超出冷却能力而发生失超。为了防止上述情况发生，将超导体埋入电阻小的稳定化材料中，例如铜，这样在超导体发生变化时，电流能流经稳定化材料而产生较少的焦耳热，进而回避失超。
扭绞：即使缩短超导体之间的间距，单个超导体也有数百米长。交变磁场下的一对超导体会形成大回路，在磁通变化的诱导下产生电流(结合电流)。即使超导体制成细丝状，这个电流也会像在粗大超导体中那样变得很大。为了避免这种效应，将超导体(细丝、股线)扭绞组合起来，这样当股线间电流产生时，股线间的大的电阻可抑制该电流。
冷却性能：为了得到较高的冷却性能，需要将超导体与冷却剂的接触面积增大。有必要确保冷却剂通道有能力实现足够的冷却。
超导材料从线材(wire)向带材(tape)的结构演进，主要源于可控核聚变装置等对更高磁场强度与更高工程电流密度的迫切需求。
传统低温超导线材(如NbTi和Nb₃Sn)虽已在液氦温区实现规模化商业应用，但其临界磁场(Bc₂)和临界温度(Tc)存在理论上限，例如Nb₃Sn的临界磁场通常在20–30T范围内，难以满足下一代聚变装置对磁场强度超过15T乃至20T以上的要求。
相比之下，高温超导带材(如REBCO，即稀土钡铜氧)因其更高的临界温度和极强的临界磁场，表现出更优越的高场载流性能与热稳定性。REBCO带材还具有较高的不可逆场和较低的磁场各向异性，使其能够在强磁场下保持高临界电流密度(Jc)，因此被认为是未来托卡马克装置磁体系统的必然选择。
▌第二代主流超导带材 REBCO
REBa₂Cu₃Ox (简称RE123，其中RE为钇、钆等稀土元素)高温超导涂层导体，通常被称为第二代高温超导(2G-HTS)带材。这类材料以REBCO (REBa₂Cu₃Oₓ，其中RE代表钇或其他稀土元素)超导薄膜为核心，采用涂层导体技术，在金属基带上沉积超导层。
与第一代高温超导带材相比，2G-HTS不仅具有更高的不可逆场和临界电流密度，尤其在强磁场下性能优异，同时减少了贵金属银的依赖，成本可控且更具应用前景。因此非常适用于磁分离器磁体、磁能存储系统、电动机、发电机、磁共振成像(MRI)、核磁共振(NMR)及粒子加速器等电磁线圈类应用场景。
近年来，美国、韩国、日本和德国等技术先进国家已相继突破了第二代高温超导带材的长尺度制备工艺瓶颈。例如，美国的Super Power公司作为全球首家成功制备出千米级超导带材的企业，其在IBAD-MgO/哈氏合金基底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，制备出了临界电流(Ic)达到300A/cm的千米级带材。此外，休斯顿大学的Selvamanickam团队通过改进的MOCVD工艺，制备出了在77K自场条件下单位宽度临界电流(Ic/w)高达1342.5A/cm-w(w代表带材宽度)的高性能带材。
国内在第二代高温超导带材领域的产业化进程也与世界保持同步。上海上创超导科技有限公司、上海超导科技股份有限公司以及苏州新材料研究所等单位，分别采用金属有机物沉积(MOD)、脉冲激光沉积(PLD)和MOCVD等不同技术路线，成功实现了百米至千米级RE123超导带材的制备，推动了我国第二代高温超导材料的产业化和应用发展。
下图：上创超导生产的第二代高温超导带材产品结构图
图片来源：公开资料
下图：上海超导第二代高温超导带材产品规格
图片来源：公开资料
除了上创超导和上海超导外，国内还有诸多企业在第二代高温超导带材领域实现了突破。
例如，甚磁科技作为上海交通大学科技成果转化的衍生企业，以及曦合超导（由合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）孵化成立），均在高温超导材料研发与产业化方面取得了重要突破。
超导体要冷却到极低温度才会显示出超导特性。确保超导线圈的冷却是重要且必要的。
超导线圈的冷却方式有沉浸冷却方式(pool boiling)和迫流冷却方式(force flow)。各冷却方式的主要特点如下表所示。
关于冷却介质的选择，常见的有常流体液氦(He‑I)、超流体液氦(He‑II)以及超临界压力氦(supercritical helium)等。
常压下的液氦(He‑I)沸点为4.2K，若通过减压降低其饱和蒸气压至约49.8hPa，温度可进一步降至2.17K左右，此时发生“λ相变”，He‑I转变为 He‑II，即超流氦。超流氦具有极低粘度和极高热导率。
超临界压力氦则通过将氦加压至临界压力(约0.227MPa)的数倍以上获得，使其处于既高于临界压力也高于临界温度的状态。该状态下氦兼具气体般的低粘性、高流动性和液体级别的高比热容与高热输运能力，因此能高效地带走大量热量，同时也避免了气液相变引起的热阻和不稳定性，非常适用于大型超导磁体等需要高强度冷却的场景。
▌ 线圈结构
线圈的主要结构形式包括螺旋型、环绕型和板条型。
螺旋型线圈的导体沿圆柱体轴线方向缠绕而成；
环绕型线圈则包含单环绕及多环绕(如二重环绕)等叠加缠绕形式。
导体金属外壳的厚度需通过应力分析计算确定：当应力处于金属外壳可承受范围内时，可选用螺旋型或环绕型结构；若应力超出外壳单独支撑能力，则需采用板条型结构，将导体嵌入板条中，以显著增强整体机械强度。
下图：ITER极向线圈
图片来源：公开资料
▌线圈支持部件的材料
托卡马克装置运行时处于强磁场环境中，随着线圈电流升高，所产生的电磁力显著增大，导致支撑线圈的结构部件所承受的机械负荷也相应增加。这些支撑结构通常采用液氦(约4K)进行冷却，因此必须选用在极低温环境下仍具备优异力学性能的结构材料。
在材料选择过程中，需首先通过应力分析评估线圈结构件及其外壳中的应力分布，并依据材料的屈服强度、抗拉强度及延伸率等性能指标的要求进行选材。此外，为预防脆性断裂和失稳破坏，结构材料还需具备足够的断裂韧性。
目前可供选择的支持结构材料主要包括：奥氏体不锈钢、高铬氮强化钢(如JN1、JKA1)、高锰钢(如JJ1、JN2、JK2)，以及控氮型奥氏体不锈钢(如304LN、316LN)等。
参考阅读 📚
《二代高温超导材料的应用技术与发展综述》
《实用化超导线带材简介︱超导材料及其应用》
《高温超导线材及其强电应用研发与产业发展状况》
http://samri.org.cn/news_1.aspx?cateid=103&newsid=22
https://wuli.iphy.ac.cn/en/article/pdf/preview/10.7693/wl20201103.pdf
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