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HTS聚变磁体

2026-08-08

聚变圈正在悄悄换引擎。ITER那条路用了四十年的低温超导磁体——铌钛和铌三锡，泡在4.2开尔文的液氦里，峰值场约12特斯拉。它把托卡马克做得巨大无比，造价两百亿欧元起步。而新一代紧凑型聚变装置押注的是完全不同的东西：高温超导带材REBCO。它能在20开尔文甚至更高温度工作，峰值场能到20特斯拉以上。聚变功率密度随磁场四次方增长——场强翻倍，功率变成十六倍。这允许把反应堆做小、做便宜。2026年的此刻，全世界至少四台用HTS磁体的聚变装置正在互相追赶：美国的SPARC、中国的洪荒170、英国的STEP、韩国的CPD计划。

先厘清一个常被搞混的数字：32.4特斯拉。这是世界最高的全超导磁体纪录，由中科院合肥物质科学研究院（ASIPP）的团队在2024年实现，2024年10月发表在《超导科学与技术》（SuST 37, 125003）。结构是"混合超导"：低温超导外磁体提供背景场，内插一个20特斯拉的REBCO高温超导磁体。整个装置全超导——不含任何电阻线圈，和那种45特斯拉的"超导外包+水冷电阻内插"混合磁体不是一回事。测试中，HTS内插磁体以256安培稳定运行近18小时，系统保持32特斯拉以上2小时。更有意思的是最终那场失超：低温外磁体失超，触发内插HTS磁体跟着失超——但停机检查后，REBCO磁体还能在229安培下独立运行，证明它不是失超的起源。这条纪录链的完整顺序是：2016年日本RIKEN 27.6T，2017年美国NHMFL 32.0T，2019年中科院电工所32.35T，2024年ASIPP 32.4T，2025年ASIPP又推到35.1T，2026年初电工所再破35.6T。中美交替刷新。

但这里要做一个关键的澄清：32.4T是ASIPP主导的成果，论文第一作者是Zhang Xiaoyu等，核心研究者是刘芳（Liu Fang）——不是"刘方"。清华是正式合作方，但不是主责。而中科院电工所王秋良团队的纪录是32.35T——这两个数字经常被混引，一个属于合肥，一个属于北京。

接下来是本文真正的主角：猝灭保护。超导磁体"猝灭"是指局部失去超导性、电阻出现、焦耳热烧起来的过程。低温超导对此有一套成熟方案：它的正常区传播速度是每秒几米到几十米，一旦出事，电阻电压很快显现，检测器能抓住，加热器或断路器能及时把能量泻掉。HTS完全不是这样。REBCO的正常区传播速度只有每秒一到十几厘米——比LTS慢两到三个数量级。这意味着局部热点出现后，正常区几乎不扩散，热量集中在针尖大小的地方，一两秒内就能升到300开尔文。而它的储能又巨大：SPARC的模型线圈110兆焦耳，STEP的环向场线圈组约18吉焦耳。慢传播加高储能，等于把一颗炸弹的能量塞进一根头发丝。

这正是那句"猝灭保护尚未在聚变环境中验证"的来历。它不只是一个说法，有三份权威文献在支撑。美国IEEE 2024年的《聚变磁体基础计划R&D需求》（Zhai等）直说：HTS磁体"尚未证明猝灭韧性"，大尺度REBCO磁体中的猝灭仍是"最重大的技术挑战"。英国STEP项目的《磁笼》论文（Nasr等，2024）说：HTS环向场线圈的猝灭保护"尚未在聚变发电厂规模得到验证"。而最有力的证据来自SPARC自己的模型线圈——TFMC。

TFMC是MIT和Commonwealth Fusion Systems花了三年造的，2021年9月测到20.1特斯拉、110兆焦耳储能、40千安培、20开尔文、用了270公里REBCO带材。这是人类造过的最大的聚变级HTS磁体。但请注意：这篇成果发表在2024年3月的《IEEE应用超导汇刊》专题（6篇论文），不是在Nature上——大众媒体说的"Nature论文"是错的。更要紧的是那个没进新闻稿的细节：项目组随后做了故意的破坏性猝灭测试，在31.5千安培下让线圈开路。小线圈在这种测试里会靠匝间电流旁路自保，但110兆焦耳的TFMC没有。IEEE超导新闻论坛2024年10月的案例分析记载：第12个饼被烧穿，焊料熔化，第9饼温度超过460开尔文，仅百分之几的绕组体积吸收了超过一半的储能。CFS的公开叙事把它讲成"验证了模型"，社区的技术叙事却明确写"非自保护、已受损"。两种说法都对——程序目标确实达成，但也确实暴露了HTS在聚变规模的猝灭问题上没有捷径。

对策在分两条路走。一条是主动保护：用光纤布拉格光栅、瑞利散射分布式测温、声学测温这些非电压手段去抓住慢速热点——因为传统电压检测在HTS上基本失效，正常区扩展只有零点几毫米、电阻电压只有约24毫伏，淹没在电磁噪声里。CLIQ（耦合损耗诱导猝灭）用电容放电快速触发整体猝灭，但大电感磁体受物理限制。STEP的最终方案是全绝缘线圈加储能驱动的内置积分加热器。另一条是被动保护：无绝缘（NI）线圈让匝间直接接触，电流径向旁路实现自保护；金属绝缘（MI）线圈用金属带共绕，抗中子辐照。小线圈确实自保护，但TFMC的教训摆在那里——自保护不随规模放大。

如果说猝灭是"怎么不出事"，那中子辐照就是"能撑多久"。这是2026年最让人警醒的新数据。牛津大学2026年在《超导科学与技术》上发表了首次原位测量：REBCO带材在14.1兆电子伏聚变谱中子、40开尔文、通电流的状态下被辐照，临界电流随注量线性下降，而退化开始的注量比此前用离位外推估计的低了数个数量级。换句话说，磁体的服役寿命可能远短于预期。好在室温退火能完全恢复性能——说明损伤是可逆的点缺陷。MIT的i3HTS装置还有个补充发现：低温（20到300开尔文）辐照下的退化速度比室温快约1.6倍，而此前的寿命评估大多基于室温辐照。另一个好消息是Fischer等2018年的工作确认：REBCO的临界电流在低注量下先升后降（辐照缺陷增强钉扎），热力学临界温度每10²²个中子每平方米退化约3%。还有Emhofer等2013年的提醒：含钆的带材对热中子极敏感——这解释了为什么14兆电子伏聚变谱（几乎没有热中子）和裂变堆谱的辐照结果不能直接互换。

成本是另一道坎。全球约15家带材厂商，年产能超5000公里（12毫米幅宽）。但SPARC一台装置就要约1万公里，ARC商业电站约2万公里——超过这种材料的历史累计产量。成本当前约每米15到30美元，行业目标是每千安培·米10美元（ARPA-E的GAMOW计划）。换算一下：在10美元每千安培·米的目标下，一台商业装置的带材成本约三四千万美元；在当前的200到300美元水平下，要六到八亿美元。这是决定性的差距。好消息是产能和成本在快速改善：上海超导的产能从2022年的257公里涨到2024年的1334公里，单位成本从每米262元降到93元。

中国的角色已经不可忽视。合肥的ASIPP在2026年6月宣布BEST项目的两套全国产核心磁体通过验收：世界最大的TF磁体，582吨、98千安培、120吉焦耳储能，体积是ITER同类磁体的1.3倍；HTS中心螺线管60千安培、接头电阻0.87纳欧姆。全程无一根进口线材。上海民企能量奇点的洪荒70是2024年6月点火的全球首台全HTS托卡马克；它的经天磁体2025年3月测到21.7特斯拉，反超了CFS的20.1特斯拉，是目前大孔径HTS D形磁体的世界纪录；洪荒170计划2027年建成，目标能量增益Q大于10——和SPARC的首等离子体（2027年）正好同台。新奥的氢硼路线绕开了中子辐照这个头号风险——因为p-11B反应几乎不产生中子。

2027年会是一个分水岭。SPARC和洪荒170，一个在美国、一个在中国，都瞄准这一年。但决定输赢的不是谁的峰值磁场更高——那种竞赛已经进入疲劳期。真正的裁决在另外两问：猝灭到底可不可控，辐照下的寿命到底成不成立。TFMC已经把第一问的答案画成了警示图，牛津的原位测量在第二问上投下了阴影。HTS磁体让紧凑聚变第一次在经济上值得想象，但把它从"能造出来"变成"能安全跑完堆的一生"，还欠着这两笔账。

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