高溫超導(dǎo) D 形磁體最高磁場(chǎng)：技術(shù)突破與歷史演進(jìn)
在可控核聚變領(lǐng)域，磁場(chǎng)強(qiáng)度是衡量托卡馬克裝置性能的核心指標(biāo)。
打破了美國(guó)麻省理工學(xué)院與 CFS 公司于 2021 年創(chuàng)造的 20.1 特斯拉紀(jì)錄，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)邁入新的里程碑。
強(qiáng)度數(shù)據(jù)：21.7 特斯拉的突破
經(jīng)天磁體的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為下一代托卡馬克裝置 “洪荒 170” 驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)。其線性尺寸超過(guò) “洪荒 170” 環(huán)向場(chǎng)磁體的 50%，通過(guò)高溫超導(dǎo)電流引線通入 24300 安培（單匝）電流，總安匝數(shù)達(dá) 926 萬(wàn)安匝，繞組工程電流密度達(dá) 1.57 億安培 / 平方米。實(shí)驗(yàn)中，該磁體不僅實(shí)現(xiàn)了 21.7 特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度，更成功應(yīng)對(duì)了電磁力載荷導(dǎo)致的 950 兆帕應(yīng)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(diǎn)供圖
根據(jù)聚變學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的 IPB98 定標(biāo)率，磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(jìn)程。
（經(jīng)天磁體及其運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)）
經(jīng)天磁體的突破為 “洪荒 170” 實(shí)現(xiàn) 10 倍能量增益（Q≥10）奠定了基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá) 25 特斯拉，若達(dá)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(dǎo)的臨界挑戰(zhàn)
（從左至右：?jiǎn)物灳€圈、32餅堆疊繞組、繞組入盒后與團(tuán)隊(duì)合影）
高溫超導(dǎo)技術(shù)的核心在于材料的臨界溫度（Tc）。傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)體如鈮三鍺（Nb3Ge）的 Tc 僅為 23.2K，需依賴(lài)液氦維持低溫環(huán)境。
1986 年，氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了高溫超導(dǎo)時(shí)代：瑞士科學(xué)家繆勒與貝德諾爾茨首次在 LaBaCuO 中觀測(cè)到 35K 的超導(dǎo)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(dá) 135K，高壓下更可升至 164K。
經(jīng)天磁體成功勵(lì)磁至 21.7 特斯拉
能量奇點(diǎn)的經(jīng)天磁體采用高溫超導(dǎo)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(fù)雜度。這類(lèi)材料的超導(dǎo)機(jī)制雖尚未完全明晰，但層狀 CuO 導(dǎo)電層與載流子庫(kù)層的協(xié)同作用被認(rèn)為是關(guān)鍵。
例如，YBaCuO 的結(jié)構(gòu)中，CuO 面通過(guò) BaO-CuO-BaO 插入層實(shí)現(xiàn)載流子注入，形成 d 波對(duì)稱(chēng)性的電子對(duì)。
歷史實(shí)驗(yàn)：從實(shí)驗(yàn)室到工程化
高溫超導(dǎo)磁體的發(fā)展經(jīng)歷了從基礎(chǔ)研究到工程驗(yàn)證的漫長(zhǎng)歷程。20 世紀(jì) 90 年代，科學(xué)家通過(guò)元素?fù)诫s與結(jié)構(gòu)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(jī)械強(qiáng)度。2000 年后，非氧化物高溫超導(dǎo)體如 MgB?（Tc=39K）的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。
進(jìn)入 21 世紀(jì)，美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家加速聚變磁體研發(fā)。2021 年，麻省理工學(xué)院與 CFS 公司聯(lián)合研制的 SPARC TFMC 磁體以 20.1 特斯拉刷新紀(jì)錄，其采用 Nb?Sn 低溫超導(dǎo)材料，驗(yàn)證了高場(chǎng)磁體的可行性。然而，低溫系統(tǒng)的復(fù)雜性促使研究轉(zhuǎn)向高溫超導(dǎo)技術(shù)。能量奇點(diǎn)的 “經(jīng)天磁體” 不僅在磁場(chǎng)強(qiáng)度上實(shí)現(xiàn)反超，更通過(guò)大孔徑設(shè)計(jì)（長(zhǎng)約 3 米、寬 1.4 米）驗(yàn)證了工程化可行性，為未來(lái)氘 - 氘聚變堆磁體技術(shù)積累了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
高溫超導(dǎo)磁體的突破為聚變能源商業(yè)化注入新動(dòng)力。能量奇點(diǎn)計(jì)劃通過(guò) “洪荒 170” 裝置實(shí)現(xiàn)更高能量增益，其成功將依賴(lài)于磁場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步提升與材料性能的優(yōu)化。
當(dāng)前，硫氫化物在高壓下的臨界溫度已達(dá) 190K（-83℃），雖尚未應(yīng)用于實(shí)際磁體，但其潛力為超導(dǎo)技術(shù)開(kāi)辟了新方向。未來(lái)，隨著材料科學(xué)與工程技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，更高場(chǎng)強(qiáng)、更低成本的高溫超導(dǎo)磁體有望推動(dòng)人類(lèi)邁向 “人造太陽(yáng)” 的終極目標(biāo)。
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