高温超导最强处，核聚变托卡马克D形磁场

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。