高溫超導 D 形磁體最高磁場：技術突破與歷史演進
在可控核聚變領域，磁場強度是衡量托卡馬克裝置性能的核心指標。
打破了美國麻省理工學院與 CFS 公司于 2021 年創(chuàng)造的 20.1 特斯拉紀錄，標志著高溫超導磁體技術邁入新的里程碑。
強度數(shù)據(jù)：21.7 特斯拉的突破
經(jīng)天磁體的設計目標是為下一代托卡馬克裝置 “洪荒 170” 驗證關鍵技術。其線性尺寸超過 “洪荒 170” 環(huán)向場磁體的 50%，通過高溫超導電流引線通入 24300 安培（單匝）電流，總安匝數(shù)達 926 萬安匝，繞組工程電流密度達 1.57 億安培 / 平方米。實驗中，該磁體不僅實現(xiàn)了 21.7 特斯拉的磁場強度，更成功應對了電磁力載荷導致的 950 兆帕應力，展現(xiàn)出卓越的工程可靠性。
加工完成待安裝的單餅線圈。能量奇點供圖
根據(jù)聚變學術界廣泛認可的 IPB98 定標率，磁場強度每提升一倍，托卡馬克裝置的線性尺寸可縮小至 1/3，體積縮小至 1/30。
這意味著更高的磁場強度將顯著降低裝置成本與建造周期，加速聚變能源商業(yè)化進程。
（經(jīng)天磁體及其運行測試系統(tǒng)）
經(jīng)天磁體的突破為 “洪荒 170” 實現(xiàn) 10 倍能量增益（Q≥10）奠定了基礎，其設計目標磁場強度達 25 特斯拉，若達成將使 “洪荒 170” 成為全球最小的 Q≥10 托卡馬克裝置。
溫度數(shù)據(jù)：高溫超導的臨界挑戰(zhàn)
（從左至右：單餅線圈、32餅堆疊繞組、繞組入盒后與團隊合影）
高溫超導技術的核心在于材料的臨界溫度（Tc）。傳統(tǒng)低溫超導體如鈮三鍺（Nb3Ge）的 Tc 僅為 23.2K，需依賴液氦維持低溫環(huán)境。
1986 年，氧化物超導體的發(fā)現(xiàn)開啟了高溫超導時代：瑞士科學家繆勒與貝德諾爾茨首次在 LaBaCuO 中觀測到 35K 的超導跡象；隨后，釔鋇銅氧（YBaCuO）將 Tc 提升至 93K，突破液氮溫度（77K）。
目前，常壓下臨界溫度最高的材料是汞鋇鈣銅氧（HgBaCaCuO），Tc 達 135K，高壓下更可升至 164K。
經(jīng)天磁體成功勵磁至 21.7 特斯拉
能量奇點的經(jīng)天磁體采用高溫超導材料，其工作溫度處于液氮溫區(qū)（77K），顯著降低了制冷成本與系統(tǒng)復雜度。這類材料的超導機制雖尚未完全明晰，但層狀 CuO 導電層與載流子庫層的協(xié)同作用被認為是關鍵。
例如，YBaCuO 的結構中，CuO 面通過 BaO-CuO-BaO 插入層實現(xiàn)載流子注入，形成 d 波對稱性的電子對。
歷史實驗：從實驗室到工程化
高溫超導磁體的發(fā)展經(jīng)歷了從基礎研究到工程驗證的漫長歷程。20 世紀 90 年代，科學家通過元素摻雜與結構優(yōu)化提升材料性能，但早期磁體受限于臨界電流密度與機械強度。2000 年后，非氧化物高溫超導體如 MgB?（Tc=39K）的發(fā)現(xiàn)進一步擴展了應用范圍。
進入 21 世紀，美國、中國等國家加速聚變磁體研發(fā)。2021 年，麻省理工學院與 CFS 公司聯(lián)合研制的 SPARC TFMC 磁體以 20.1 特斯拉刷新紀錄，其采用 Nb?Sn 低溫超導材料，驗證了高場磁體的可行性。然而，低溫系統(tǒng)的復雜性促使研究轉向高溫超導技術。能量奇點的 “經(jīng)天磁體” 不僅在磁場強度上實現(xiàn)反超，更通過大孔徑設計（長約 3 米、寬 1.4 米）驗證了工程化可行性，為未來氘 - 氘聚變堆磁體技術積累了關鍵數(shù)據(jù)。
高溫超導磁體的突破為聚變能源商業(yè)化注入新動力。能量奇點計劃通過 “洪荒 170” 裝置實現(xiàn)更高能量增益，其成功將依賴于磁場強度的進一步提升與材料性能的優(yōu)化。
當前，硫氫化物在高壓下的臨界溫度已達 190K（-83℃），雖尚未應用于實際磁體，但其潛力為超導技術開辟了新方向。未來，隨著材料科學與工程技術的協(xié)同發(fā)展，更高場強、更低成本的高溫超導磁體有望推動人類邁向 “人造太陽” 的終極目標。
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