HTS 强场磁体的产业化与失超保护：造得出来，还得救得回来

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前面写过这个领域的两篇：一篇讲高温超导磁体的整体图景，一篇讲中子把带材打坏之后性能怎么退化。这一篇不重复那两篇，只盯两个最工程、也最容易被讲玄的问题——

第一，这根带子怎么从实验室的样品变成每年上万公里的工业品，钱和产能卡在哪里。

第二，带子绕成磁体之后，怎么保证它不会在某一次放电里把自己烧出一个洞。

这两件事听起来不搭，其实是同一个故事的两头。造得出来是产业化，敢不敢开机是失超保护。聚变磁体现在最贵的部分是前者，最没把握的部分是后者。

一、先从一次"故意的破坏"说起

2021 年秋天，麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（MIT PSFC）的测试大厅里，一块 2 米乘 3 米、重 10 吨的 D 形磁体被冷却到 20 K，通上 40.5 千安电流，在超导带材堆上压出了 20.1 特斯拉的峰值磁场。

这块磁体叫环向场模型线圈（TFMC，Toroidal Field Model Coil），是美国联邦聚变系统公司（CFS）和 MIT 为了 SPARC 托卡马克做的前置验证件。它的储能是 110 兆焦，机械结构承受了接近 1 吉帕的应力，15 个可拆卸的饼间接头在 20 K、最高 12 特斯拉下的电阻只有 0.5 到 2 纳欧（Hartwig 等，2024）。

然后，它被故意弄坏了。

测试的最后阶段做了一次"程序化开路"：在接近 SPARC 实际运行的工况下，模拟一个电路突然断开的故障。结果是，线圈内部出现了高度局部化的损伤。这件事写在正式的论文里（Whyte 等，2024），也写在 CFS 自己的新闻稿里——"这块磁体随后被破坏性测试，用来确认预测模型"。

为什么值得从这件事讲起？因为它同时暴露了这篇文章要讲的两件事的边界。TFMC 证明了高温超导磁体可以做到工业尺度、可以反复制造、可以承受聚变堆级别的力；它也证明了，做到这个尺度之后，磁体不再是"自己会保护自己"的小玩具。你必须在设计里认真安排"它失超了怎么办"。

二、HTS 失超为什么难救：热量跑不掉

先把物理讲清楚。

超导材料有一个临界面，由温度、磁场、电流密度三个量围成。只要工作点在这个面以内，电阻是零；一旦局部越界，那一小块就变成普通导体，电流从超导层挤到旁边的金属稳定层里，I²R 发热，温度继续升，正常区继续扩大——这就是失超（quench）。

低温超导和高温超导在这里的差别，不是"难不难失超"，而是"失超之后热往哪跑"。

正常区的传播速度（NZPV）差了两到三个数量级。铌钛合金（NbTi）里，正常区以每秒几米到几十米的速度跑；铌三锡（Nb₃Sn）慢一些，每秒一到几十米；REBCO 高温超导带材，实测下来是每秒几毫米到几厘米的量级——中科院等离子体物理研究所的陈斌等人在液氮里测一根 REBCO 电缆，得到的传播速度集中在 3 到 8 厘米每秒（Chen 等，2020）。EPFL 瑞士等离子体中心的 Ortino 等人（2024）在分析 EU-DEMO 环向场线圈时给的对比数字是：NI/PI 结构的 HTS 是每秒 1 到 100 厘米，Nb₃Sn 是每秒 1 到 50 米。

原因不神秘。REBCO 的临界温度高（90 开尔文以上），工作温度裕度大，热容也大。劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的马爾切夫斯基（Maxim Marchevsky）在 2021 年的综述里给了一个直观说法：HTS 导体的焓裕度比低温超导大两到三个数量级（Instruments 5(3), 27）。

这个性质是双刃的。

好的一面：一点点机械扰动、环氧开裂、导体微动，在低温超导里足以引发失超，在 HTS 里基本不会。所以 HTS 磁体平时极其稳定。

坏的一面：一旦局部真的越界了，热量几乎不往旁边扩散，全部堆在一个很小的体积里。低温超导失超时是整个线圈一起变热，能量摊得开；HTS 是"针尖上烧起来"，局部温度几分钟内就能冲到损伤值。所以保护设计的目标很朴素：在电流降到零之前，热点温度不要越过那条红线。

工程上判定这条线的办法是经典的绝热热点积分——把 J²(t) 对时间积分（业界叫 MIITS），看积分值对应的温升是多少。CEA 巴黎-萨克雷的 Zgour 等人（2026）在一个绝缘 REBCO 导体堆的建模工作里把这句话说得很直白：正常区传播慢、检测确认又需要延迟，两者叠加，热点温度就会升到危险水平。这决定了保护系统的全部设计压力都在"检测有多快、确认有多准"。

三、五件武器：从电压抽头到光纤

失超检测这件事，在低温超导时代只有一个办法：在线圈两端和分段上贴电压抽头，测到异常电压就跳闸。到了 HTS 这套办法不够用了——正常区传播慢，局部电压信号被巨大的感应电压噪声埋掉。于是这几十年发展出一整套工具箱。

第一件，还是电压，但要做电感补偿。 把线圈分成若干段，用拾波线圈或补偿绕组把感应分量抵消掉，剩下纯电阻性电压。这是最成熟、最便宜的办法，也是所有装置的基线。它的死穴是信噪比：托卡马克里磁体自己在快速变化，感应电压比失超信号大好几个数量级，补偿做不干净就会误报或漏报。

第二件，光纤温度测量。 这是过去十年进展最大的一支。原理是把光纤布拉格光栅（FBG）刻进光纤里，光栅反射的波长随温度和应变漂移，于是每一段光栅就是一个温度计；如果把光栅做得极密，或者干脆用瑞利散射做分布式测量，整根光纤就变成一条连续的温度曲线。

2021 年，MIT 的萨拉查（Erica Salazar，当时是核科学与工程系的博士生）牵头，联合 MIT PSFC、CFS、欧洲核子研究中心（CERN）和新西兰惠灵顿维多利亚大学罗宾逊研究所，把 FBG 和超长 FBG（ULFBG）埋进两根 VIPER 高温超导电缆里，放到瑞士的 SULTAN 测试装置上做高保真测试。结果写在《超导科学与技术》上（Salazar 等，2021）：信噪比 4 到 32，能测到个位数开尔文的温度变化，响应时间从近乎瞬时到几秒，取决于工况。对那种慢慢爬的失超，光纤比电压抽头能早几十秒发现。

罗宾逊研究所的黄熙勇（Xiyong Huang）等人继续往前推了一步，2023 年在《光波技术杂志》上报了一种 10 米长的超长光栅方案：用"谱强变化"算法，在 80 K 下能对 30 到 40 毫米大小的热点、5 开尔文的温升做出响应（Huang 等，2023）。这个尺度已经很接近真实线圈里的早期热点了。

第三件，声学和射频。 导体局部发热会产生声发射，也会有微弱的电磁辐射。LBNL 的团队这几年一直在做声波导、声反射、超声波检测，配套的还有用飞行时间定位的尝试（Marchevsky 的综述和后续论文里都有）。

第四件，主动诱导失超。 与其等它自己烧，不如在检测到异常后主动把整个线圈快速"点着"，让能量均匀散开。这个思路在低温超导里最成熟的做法叫 CLIQ（耦合损耗诱导失超），由 CERN 的拉瓦约利（E. Ravaioli）、韦尔韦伊（A. Verweij）等人在 2014 年提出并验证：用一个电容组向线圈放电，让传输电流振荡，磁场快速变化激发出耦合损耗，把大片线圈同时推过临界温度（IEEE Trans. Appl. Supercond. 24(3), 0500905）。他们的另一篇论文证明 CLIQ 配合传统失超加热器效果更好（Supercond. Sci. Technol. 27, 044023）。这套东西最初是给高场加速器磁体做的，但同样适用于高储能 HTS 磁体。

第五件，让导体自己扛。 加铜稳定层、加铝层、改进带材和稳定层之间的界面电阻来提高正常区传播速度，都是这个思路。Marchevsky 的综述里提到，有人提出用界面电阻来加速传播——让电流更快地从超导层扩散到稳定层，等效于把热扩散长度换成电流扩散长度，速度可以做到接近低温超导的水平。代价是稳定性裕度下降，对带材的均匀性要求反而更高。

这里面还有一个观念上的转折，值得单独说。LBNL 的 Marchevsky 和普雷斯特蒙（Soren Prestemon）2024 年在《超导科学与技术》上提出：HTS 在真正崩掉之前，可以在"磁通流动"的耗散态下稳定运行相当长一段；既然这样，就不必等失超了再救，而是设定一个温度窗口，只要检测到某处逼近窗口上沿，就主动把电流降下来（37, 035012）。他们把这个叫"避免失超的保护范式"，用 Bi-2223 带材样品做了实验验证。同一年，他们又发了一篇用低温 MOSFET 实时调控电缆内部电流分配的论文（37, 085026），算是给这个范式配了个执行机构。

一句话总结这一节：HTS 的保护不是"怎么在失超后活下来"，而是"怎么比失超更早一步发现异常"。

四、"无绝缘磁体自己会保护自己"——一个被尺度推翻的经验

高温超导磁体圈子里流传一个说法：无绝缘（NI）线圈是自保护的。

道理讲得通。NI 线圈的匝与匝之间不做绝缘，只有金属接触。一旦某处失超，电流可以横着"抄近路"绕过那一块，不非得挤在超导层里，于是局部发热被摊薄。这个现象在 2010 年代由韩国首尔大学的韩承龙（Seungyong Hahn）等人做小线圈时反复验证过，也是后来一大批 NI/MI 线圈的立论基础。

2024 年 IEEE 应用超导会议上有一个专题会场，题目就叫"无绝缘 REBCO 磁体真的自保护吗"，专门讨论 CFS/MIT 那条 NI 磁体研发路线给出的证据。把三个尺度放在一起看，结论就很清楚了：

• 20 匝双饼小线圈，10 千安、12 开尔文，储能不到 4 千焦——自保护，是研究 NI 失超动力学的好平台；
• 16 匝 D 形单饼（1.4 米乘 0.7 米孔径），12 千安、液氮浸泡，储能 50 千焦——仍然自保护；
• 到了 TFMC：16 个饼、256 匝、40 千安、20 开尔文、储能 110 兆焦——明确不再自保护。

为什么会翻车？CFS 团队对那次 31 千安开路故障做了仿真，把账算得很清楚：开路时电流通过匝间接触电阻横向流动，发热确实很均匀，但功率密度只有每米约 10 瓦，L/R 衰减时间长达约 3 个小时。问题在于，线圈在这么长的时间里慢慢升温，总有一段会先越过临界温度；一旦越界，正常区里的局部发热远远超过每米 10 瓦，于是从"均匀的慢热"突变成"局部的热失控和烧穿"。

所以自保护不是一个性质，是尺度的函数。小线圈靠金属接触分掉的能量占比很高，到了 110 兆焦这个量级，横着走的那点电流完全兜不住。

CFS 给 SPARC 环向场磁体准备的四条补救措施也列在这个报告里：提高匝间电阻、把超导临界温度沿着导体"铺平"让整圈同时越界、装外部加热器在方位角上均匀点火、以及触发挥匝传导的感应级联让线圈整体失超。这几条不是理论，TFMC 那次破坏性试验就是为了验证这一类模型。

顺便纠正一个容易混的地方：SPARC 的环向场（TF）线圈用的是无绝缘的 NINT（Non-Insulated, Non-Twisted）架构，因为它要长时间稳态运行；而脉冲工作的中心螺线管（CS）和极向场（PF）线圈用的是另一套叫 VIPER 的电缆架构。两套东西经常被写成同一个词，实际上从导体到保护策略都不一样。

五、产业化第一关：带子从哪来

现在换到另一条线。

REBCO 带材是一层一层"镀"出来的。下面是哈氏合金基带，上面依次铺氧化铝、氧化钇、氧化镁、镧锰氧化物、二氧化铈等缓冲层，再上面是大约 1 微米厚的 REBCO 超导层，最后两面镀银、镀铜保护层。缓冲层负责给出双轴织构取向——REBCO 只有在特定晶格取向下才超导；超导层负责载流。

工艺路线的分岔在最核心的两处。缓冲层主流是离子束辅助沉积（IBAD），早年还有人走倾斜基板沉积（ISD）和轧制辅助双轴织构（RABiTS），现在 IBAD 是主流。超导层则有四条路：脉冲激光沉积（PLD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、金属有机沉积（MOD）、反应共蒸发（RCE）。

企业按路线站队的样子大致是这样——

日本。 藤仓（Fujikura）走 IBAD 加 PLD，最拿手的是热壁 PLD 带来的均匀温控，曾做出 4 毫米宽、1.4 公里长的单根带材且电流分布均匀。2026 年 2 月 9 日公司官方公告说，在前一年已经投入约 60 亿日元的基础上，再追加 56 亿日元扩产，目标是把 HTS 产能做到原来的三到四倍（到 2027 财年），这笔追加投资再让它翻约一倍。藤仓同时投了日本的京都聚变工程公司（Kyoto Fusioneering）和美国的 CFS，还入选了英国工业聚变解决方案公司（UKIFS）的框架协议。

日本另一家是 Faraday Factory Japan（FFJ），走 PLD，在座间市的工厂连续运转，产能约 1,000 公里每年（12 毫米宽度折算），是全世界最早跑通连续化生产的厂家之一。

中国。 上海超导（SST）走 PLD。这家公司的公开履历很清楚：2011 年上海交大做出中国第一根百米级带材，同年公司成立；带材产量 2016 年 10 公里、2017 年 17 公里、2018 年 43 公里、2020 年跃到 200 公里；2022 年下半年启动"十倍扩产"，到 2024 年年中跑通第一个 2,000 公里产能；到 2025 年，张江老厂房已经基本具备年产 4,000 公里的能力。2025 年 6 月 29 日，产能不低于 15,000 公里的新工厂在张江开工（上海市政府网站，2025 年 7 月 21 日）。

上海超导在这条供应链里的位置很特别。它是目前全世界仅有的两家年产能过千公里的 REBCO 带材厂商之一（另一家是日本 FFJ），而且已经进了 CFS、Tokamak Energy、能量奇点、星环聚能这几家的供应链。它给 CFS 累计供应了 100 多公里采用 30 微米超薄基带的 ST-04-E 高性能带材，用于聚变导体和磁体研制；2017 到 2020 年分批给 Tokamak Energy 供过宽幅带材；能量奇点那台"洪荒 70"（2024 年 6 月首次放电，号称全球首台全高温超导磁约束聚变装置）和 2025 年 3 月做到 21.7 特斯拉的"经天"磁体，带材也全部来自上海超导。

另一家是东部超导（苏州，永鼎股份旗下），走 MOCVD 路线，2025 年推出面向核聚变的 HF1200 高性能带材。

美国。 SuperPower（藤仓的美国子公司，MOCVD 路线，纽约州）是老牌大厂，2 到 12 毫米宽的各种规格都有。MetOx 走 MOCVD，做 Xeus 品牌带材，拿到美国能源部约 8,000 万美元拨款，正在北卡罗来纳州 Chatham 县建新厂。AMSC 走 MOD。还有 High Temperature Superconductors 等小厂。

韩国。 SuNAM 走反应共蒸发（RCE），优势是高温自场下临界电流高，但在磁场下性能偏弱，后来引入 PLD 生长种子层来补。

欧洲。 德国 THEVA 走倾斜基板沉积（ISD），产能约百公里级。俄罗斯有 SuperOx（S-Innovations）。

一个可以量化的尺度感来自华泰证券 2025 年 4 月的行业测算：把各家产能统一折算到 4 毫米幅宽，2023 年底全球 REBCO 带材产能不足 1 万公里，其中 FFJ、上海超导、东部超导分别约 3,000、2,500、900 公里；到 2024 年底全球接近 1.5 万公里，上海超导和东部超导分别约 6,000 和 2,000 公里。同一份测算给出的另一个数字更值得记住：CFS 的 ARC 商业堆环向场线圈全部用 REBCO，预计需要 12 毫米幅宽带材 5,730 公里，折成 4 毫米标准幅宽是 1.72 万公里——比 2024 年全球产能还多。

单台装置吃掉全球产能，这是过去几年这条供应链最真实的状态。

六、带材的价格、良率和接头

价格这件事，市面上的数字互相打架，先解释清楚单位再谈。

带材按米卖，也按"每千安米"（每 kA·m）卖。kA·m 是这么定义的：一段导线能承载 1,000 安培的电流、长度 1 米，就是 1 千安米。一根 4 毫米宽的带子在 77 开尔文自场下能扛 100 到 250 安培（取决于牌号），在 20 开尔文、20 特斯拉下能扛的电流要大得多。所以"每米多少钱"换算成"每千安米多少钱"，结果完全取决于按哪个工况算——这就是为什么你能同时看到 15 到 30 美元一米、和 30 到 150 美元每千安米这两组看起来差很远的报价。

按可核实的数据看：

• 上海超导的第二代带材单位生产成本，从 2022 年的 262 元人民币每米降到 2024 年的约 93 元每米，降幅约 65%（新浪财经 2026 年 2 月引用其招股书）。
• 2025 年 10 月一项针对 PLD 路线的行业研究给的市场报价是每米 15 到 30 美元，短期成本目标是每千安米 50 美元，长期目标 10 到 20 美元。
• 同一年的一项行业报告把 2G 带材售价的多年趋势描述为"从 2018 年约 200 美元每千安米降到 2025 年 80 美元以下，2030 年前看向 40 到 50 美元"。

三组数字口径不同，但趋势一致：现在比五年前便宜了一半以上，距离聚变堆算得过账还有一段。

良率和长度是另一道坎。带材要在一根几十微米厚的柔性金属基带上连续镀出十几层纳米级薄膜，中间任何一层出现局部缺陷、临界电流掉下来，整段就报废。目前主流厂商的单根长度在 100 米到 1 公里之间，能做到千米级稳定出货的厂家不多。长度不够就要接——而接头是失超的经典诱因：接头电阻发热，局部一热就是热点。

接头能做到多好？有几个可比的数字：上海超导的公开参数里，接头电阻率是 20 到 50 纳欧平方厘米；CFS 的 TFMC 上 15 个可拆卸饼间接头，20 开尔文、最高 12 特斯拉下是 0.5 到 2 纳欧；新一代 PIT VIPER 电缆做出来是 15 纳欧。看起来都是很小的数，但在 40 千安这个量级上，纳欧级电阻乘以电流平方就是实打实的功率。

七、产业化第二关：一盘带子怎么变成一块磁体

把带材绕成磁体，中间要过一道"导体化"的坎。原因很简单：一根 4 毫米宽的带子载流只有几百安，而 SPARC 级磁体要 40 千安，如果直接把带子一圈圈绕，匝数会多到不可接受，电感太大，磁体的时间常数跟聚变运行完全对不上。所以必须先把几十根带子做成一根能扛几千安的电缆，再用它绕磁体。

CFS 和 MIT 在这条路上做出了两套并行的架构，正好对应两类不同的磁体。

VIPER（以及它的升级版 PIT VIPER）——给脉冲磁体用。 把铜做成几片"花瓣"形状，拼成一个圆环，每片花瓣里嵌一组带材叠层，花瓣之间绝缘以降低交流损耗；外面套一层不锈钢护套，既当结构件又当焊接浸渍的容器；中间留一根管子走冷却剂。名字本身就是缩写：Vacuum Pressure Impregnated, Insulated, Partially transposed, Extruded, Roll-formed。最关键的工艺突破是把带材焊死成一个整体——"所有东西在热学上连成一体"（CFS 的 Sorbom 的原话），于是任何一根带子有缺陷，电流可以从邻居那里借道。

2020 年那篇 VIPER 论文给出的成绩是：超过 50 千安、超过 10 特斯拉，上千次通断循环后性能几乎不退化（Hartwig 等，2020）。升级版 PIT VIPER 在 2024 年的论文里（Sanabria 等，64 位作者）把指标又推了一截：5 特斯拉每秒的交流损耗比上一代低 15 倍；在每米 850 千牛的电磁载荷下临界电流退化不超过 2%；电缆单元的横向压缩承受 600 兆帕（论文摘要另处写 350 兆帕，不同测试对象）仍无临界电流退化；端到端制造的临界电流与模型预测偏差在 7% 以内。

注意这里有个细节：PIT VIPER 带材叠层下面埋了光纤，用来做失超检测——这一条直接接上了前面第三节讲的光纤方案。

NINT（无绝缘、无扭转）——给稳态磁体用。 把带材叠层直接塞进金属板上铣出来的槽里，槽就是一圈匝，匝间不做绝缘。结构简单、结实、能扛巨大的 J×B 力，适合长时间稳态运行的环向场线圈。TFMC 和 SPARC 的 TF 都走这条路。

这套架构的第一个全尺度验证就是前面反复提到的 TFMC：2 米乘 3 米、16 个饼 256 匝、40.5 千安、20.1 特斯拉、每米 815 千牛的洛伦兹载荷、结构件承受接近 1 吉帕的应力、储能 110 兆焦、用了 270 公里 REBCO 带材、总重 10,058 公斤。给它配的测试设施本身也是一件大工程：能提供 20 开尔文、20 巴、约 600 瓦制冷功率的超临界氦闭式循环，一台 50 千安、正负 10 伏的电源，还有大约 650 路输入输出信号的测控系统（Golfinopoulos 等，2024）。

从 TFMC 到 SPARC，规模要再翻一截：18 个 D 形环向场磁体，每个约 24 吨，等离子体中心 12 特斯拉，单线圈上峰值场 22 到 23 特斯拉，整个 TF 系统的储能超过 2 吉焦（美国国家科学院 2024 年报告）；整台装置大约需要 10,000 公里、4 毫米宽的 REBCO 带材（Senatore 等，2024）。

10,000 公里是什么概念？接近北京到纽约的往返距离。

八、卖磁体这件事：CFS 与 Tokamak Energy 的生意

有意思的是，磁体技术本身已经先于聚变发电变成了生意。

CFS 除了自用，还在把磁体平台对外供货和授权：和 Realta Fusion 签了长期 HTS 磁体供货协议，把电缆技术授权给仿星器公司 Type One Energy，给威斯康星大学的 WHAM 装置交付了一对 17 特斯拉的暖孔径磁体（这对磁体在报告时已经稳定运行将近一年，只跟着系统维护停机）。

Tokamak Energy 走得更彻底。它在 2024 年专门成立了 TE Magnetics 事业部，把高温超导磁体做成对外产品线，客户包括聚变、电力传输、推进、电机、生命科学，2026 年还加上了数据中心配电。它的履历表上有两组数字：2019 年做出 20 开尔文下 24 特斯拉的世界纪录磁场；2025 年 Demo4 成为首个达到聚变相关磁场的 HTS 磁体系统，做到 11.8 特斯拉、700 万安匝；2021 年就完成了"稳健、可规模化、带失超保护"的磁体技术验证。2025 年它还收购了有百年历史的精密绕线设备商 Ridgway Machines，2026 年推出能同时处理 20 路带材的绕线机。

2026 年 4 月 14 日，Tokamak Energy 被选为英国政府 STEP 原型聚变电厂的磁体系统伙伴，合同 7,000 万英镑、到 2029 年 3 月，包含 8 个工作包。这条新闻里有个数字值得记住：STEP 的磁体系统预计需要大约 30,000 公里的 HTS 带材——是 SPARC 的三倍。公司累计融资 3.35 亿美元（其中 2.75 亿私人、6,000 万来自英美政府）。

也就是说，在聚变还没发出第一度电的时候，磁体这条供应链已经先有了客户、订单和产能竞赛。

九、中国这条线：CFETR 中心螺线管，和它给的教训

中国的对照案例有点特别，因为 CFETR 的中心螺线管模型线圈（CSMC）用的不是高温超导，是低温超导——一个内铌三锡线圈、一个外铌三锡线圈、三个铌钛线圈，全部用管内电缆导体（CICC）绕制。

但它给出的三个数字仍然值得放在这篇文章里，因为失超保护的基本功是共通的。

这台模型线圈直径 4.3 米、高 5.1 米、重约 140 吨，设计电流 47.65 千安，设计峰值场 12 特斯拉、场变化率 1.5 特斯拉每秒，储能 407.6 兆焦、电感 0.36 亨利。测试设施 2023 年建成，线圈 2024 年装配完成，2024 年 12 月 29 日第一轮测试，2025 年 9 月 10 日第二轮测试完成。稳态运行电流达到 48 千安，超过了设计值（Guan 等，《核聚变》66(7), 076025, 2026）。

在失超保护这一侧，中科院等离子体物理研究所的桑爱果（Aiguo Sang）等人在 2024 年做过 CSMC 的失超仿真：分别假设失超在峰值磁场区和最低磁场区起始，再叠加不同尺度的扰动（0.01 米长度、3 毫秒；1 米长度、3 毫秒；6 米长度、100 毫秒），检查设计的热点温度和最大氦压是否达标（IEEE Trans. Appl. Supercond. 34(5), 2024）。

为什么要把一个低温超导装置写进一篇讲 HTS 的文章？因为它标出了规模这条线。HTS 的失超保护和低温超导是两套完全不同的难题——后者是"传播太快，要拦住"；前者是"传播太慢，要发现"——但到了 400 兆焦、2 吉焦这个储能量级，两者的共同点变成了：都不能靠导体自己扛，都必须有主动保护系统，都必须先想清楚"最坏情况下热点在哪里、多久能确认、多久能放电"。

十、五盆冷水

讲了这么多进展，最后按惯例泼几盆冷水。

第一盆，保护策略在聚变尺度上还没有定论。 "避免失超"的范式很漂亮，但它依赖在整个线圈上做分布式温度测量，采样密度、标定精度、长期可靠性都还没在真机上验证过。TFMC 的破坏性试验说明了旧的"自保护"假设在 110 兆焦就不成立；而 SPARC 的 TF 储能超过 2 吉焦，是 TFMC 的 18 倍。这个尺度上的保护系统，人类还没有运行经验。

第二盆，检测速度和误报率是一对矛盾。 HTS 需要几十秒量级的判据窗口来区分"真的在升温"和"只是噪声"，但聚变磁体本身就在快速充放电，感应电压巨大；误报一次就放电，代价是几个小时重新冷却和恢复。这个矛盾最终要靠算法和传感器冗余来解决，而这两样都还在开发中。

第三盆，光纤的工程化问题没有全部解决。 Salazar 那批实验里有一个很实在的发现：在 SULTAN 能达到的工况下，光纤的应变灵敏度压过了温度灵敏度。也就是说，光纤测到的信号里混着机械变形，怎么把温度和应变分开，是通往全尺寸磁体的必修课。粘贴材料、低温循环下的长期稳定性、辐照环境下的漂移，都还要逐项验证。

第四盆，供应链的瓶颈是结构性的，不是钱能立刻解决的。 单台 ARC 就要 1.72 万公里（4 毫米折算）带材，比 2024 年全球产能还多；而整个行业不到 15 家能做批量稳定长带，头部集中度很高。上游还有稀土前驱体、高纯靶材、大功率准分子激光器这些环节。地缘政治因素也在加进来：稀土出口管制、各国对高端前驱体的出口许可，都在给这条链加不确定性。

第五盆，客户集中度本身就是风险。 上海超导在招股书里披露，2025 年上半年对单一客户的销售占比超过 60%。这在产业早期是正常的——买家就那么几家——但它意味着整条供应链跟着少数几个聚变项目的进度起落。SPARC 的磁体安装进度就能说明这种波动：2026 年 1 月在 CES 上装第一块，到 6 月底公开确认的只有第三块，原定"2026 年夏末装完 18 块"的目标没有兑现，首等离子体和 Q>1 的时间表仍然压在 2027 年。

十一、把两条线收在一起

回到开头那两个问题。

造得出来吗？基本可以了，但有代价。REBCO 带材从每年几十公里做到了每家几千公里，价格五年腰斩；导体架构从 VIPER 到 NINT 覆盖了脉冲和稳态两类磁体；TFMC 证明了 20 特斯拉、110 兆焦的磁体可以被设计、制造、冷却、通电、拆解。剩下的问题都是规模问题——产能、良率、成本、单一装置的用量——而不是原理问题。

救得回来吗？这个问题的答案目前是"设计上可以，实践中还没被验证过"。有一整套工具箱：光纤、声学、主动诱导、主动降温、匝间电阻工程。也有清晰的物理判据和越来越好的模型。但把 2 吉焦的能量在几十秒内安全地引导出去，这件事从来没有人在真机上做过。TFMC 那次故意烧坏的试验，某种意义上就是整个行业对这件事的敬畏——宁可先在小一号的样机上烧一个洞，也别在电站里烧。

聚变磁体是整台装置里最贵、最重、最难换的零件。它同时也是最"脆"的——不是因为材料弱，而是因为它储存的能量密度太高，容错窗口太窄。

产业化决定它造不造得起。失超保护决定它敢不敢开机。

参考文献

1. Z. S. Hartwig, R. F. Vieira, D. Dunn, T. Golfinopoulos, B. LaBombard, C. J. Lammi, P. C. Michael, 等（共 98 位作者），"The SPARC Toroidal Field Model Coil Program," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 34(2), 1-16 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2023.3332613. ——TFMC 总报告：20.1 特斯拉峰值场、40.5 千安端电流、每米 815 千牛洛伦兹载荷、接近 1 吉帕结构应力、15 个可拆卸饼间接头 0.5-2.0 纳欧（20 K、最高 12 特斯拉）。执行方为 MIT 等离子体科学与聚变中心与 CFS。

1. D. G. Whyte, B. LaBombard, J. Doody, T. Golfinopoulos, R. Granetz, C. Lammi, S. Lane-Walsh, P. Michael, 等（共 21 位作者），"Experimental Assessment and Model Validation of the SPARC Toroidal Field Model Coil," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 34(2), 1-18 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2023.3332823. ——NINT 架构在 20 特斯拉以上稳态运行的验证；程序化开路试验中发生高度局部化损伤的原始记录。

1. R. F. Vieira, D. Arsenault, R. Barnett, L. Bartoszek, W. Beck, S. Chamberlain, J. L. Cheng, E. Dombrowski, 等（共 53 位作者），"Design, Fabrication, and Assembly of the SPARC Toroidal Field Model Coil," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 34(2), 1-15 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2024.3356571. ——TFMC 设计、制造与装配；总重 10,058 公斤、用带 270 公里、堆叠板式无绝缘结构。

1. T. Golfinopoulos, P. C. Michael, E. Ihloff, A. Zhukovsky, D. Nash, V. Fry, J. P. Muncks, R. Barnett, 等（共 40 位作者），"Building the Runway: A New Superconducting Magnet Test Facility Made for the SPARC Toroidal Field Model Coil," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 34(2), 1-16 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2024.3352395. ——测试设施：20 K、约 20 巴、约 600 瓦超临界氦冷却，50 千安电源，约 650 路测控信号。

1. Z. S. Hartwig, R. F. Vieira, B. N. Sorbom, R. A. Badcock, M. Bajko, W. K. Beck, B. Castaldo, C. L. Craighill, 等（共 29 位作者），"VIPER: an industrially scalable high-current high-temperature superconductor cable," *Superconductor Science and Technology* 33(11), 11LT01 (2020). DOI: 10.1088/1361-6668/abb8c0. ——作者单位：MIT PSFC、CFS、CERN、新西兰罗宾逊研究所（惠灵顿维多利亚大学）。

1. C. Sanabria, A. Radovinsky, C. Craighill, K. Uppalapati, A. Warner, J. Colque, E. Allen, S. Evcimen, 等（共 64 位作者），"Development of a high current density, high temperature superconducting cable for pulsed magnets," *Superconductor Science and Technology* 37(11), 115010 (2024). DOI: 10.1088/1361-6668/ad7efc. ——PIT VIPER：交流损耗降 15 倍、850 千牛每米下 Ic 退化不超过 2%、接头电阻约 15 纳欧、带材叠层下埋光纤做失超检测。

1. E. E. Salazar, R. A. Badcock, M. Bajko, B. Castaldo, M. Davies, J. Estrada, V. Fry, J. T. Gonzales, P. C. Michael, M. Segal, R. F. Vieira, Z. S. Hartwig（共 12 位作者），"Fiber optic quench detection for large-scale HTS magnets demonstrated on VIPER cable during high-fidelity testing at the SULTAN facility," *Superconductor Science and Technology* 34(3), 035027 (2021). DOI: 10.1088/1361-6668/abdba8. ——单位：MIT PSFC、罗宾逊研究所、CERN、CFS；信噪比 4-32，单次温度变化检测到个位数开尔文；对慢速失超比电压抽头早几十秒。

1. X. Huang, M. Davies, D. A. Moseley, B. M. Ludbrook, E. E. Salazar, R. A. Badcock, "Localized Hotspot Detection for Quench Prevention in HTS Magnets Using Distributed Fiber Bragg Gratings," *Journal of Lightwave Technology* 41(22), 7045-7053 (2023). DOI: 10.1109/JLT.2023.3294468. ——单位：新西兰罗宾逊研究所等。

1. B. Chen, J. Li, Y. Hu, H. Ma, T. Wang, C. Zhou, H. Liu, "Distributed optical fiber sensor for investigation of normal zone propagation and hot spot location in REBCO cables," *Fusion Engineering and Design* 156, 111569 (2020). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.111569. ——中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）与中国科学技术大学；液氮下正常区传播速度实测 3-8 厘米每秒，光纤空间分辨率 5 毫米。

1. M. Marchevsky, "Quench Detection and Protection for High-Temperature Superconductor Accelerator Magnets," *Instruments* 5(3), 27 (2021). DOI: 10.3390/instruments5030027. ——劳伦斯伯克利国家实验室；HTS 焓裕度比低温超导大两到三个数量级、n 值、非电压式检测方法综述。

1. M. Marchevsky, S. Prestemon, "Thermal runaway criterion as a basis for the protection of high-temperature superconductor magnets," *Superconductor Science and Technology* 37(3), 035012 (2024). DOI: 10.1088/1361-6668/ad20fe. ——劳伦斯伯克利国家实验室；提出"避免失超"的保护范式与热失控判据，用 Bi-2223 带材实验验证。

1. M. Marchevsky, S. Prestemon, "Quench protection for high-temperature superconductor cables using active control of current distribution," *Superconductor Science and Technology* 37(8), 085026 (2024). DOI: 10.1088/1361-6668/ad6216. ——用低温 MOSFET 实时调控电缆内部电流分配。

1. E. Ravaioli, V. I. Datskov, C. Giloux, G. Kirby, H. H. J. ten Kate, A. P. Verweij, "New, Coupling Loss Induced, Quench Protection System for Superconducting Accelerator Magnets," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 24(3), 0500905 (2014). DOI: 10.1109/TASC.2013.2281223. ——单位：CERN 与荷兰特文特大学；CLIQ 首次提出与在 MQXC 四极磁体上的验证。

1. E. Ravaioli, V. I. Datskov, G. Kirby, H. H. J. ten Kate, A. P. Verweij, "A new hybrid protection system for high-field superconducting magnets," *Superconductor Science and Technology* 27(4), 044023 (2014). DOI: 10.1088/0953-2048/27/4/044023. ——CLIQ 与传统失超加热器的混合方案。

1. T. Salmi, A. Bersani, L. Bottura, B. Caiffi, S. Farinon, S. Mariotto, D. Novelli, "Analytical Estimation of Quench Protection Limits in Insulated, Non-Insulated, and Metal-Insulated ReBCO Accelerator Dipoles and Quadrupoles," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 35(5), 1-5 (2025). DOI: 10.1109/TASC.2025.3540791. ——坦佩雷大学与 CERN 等；比较绝缘、无绝缘、金属绝缘三类绕组的保护极限。

1. A. Blondelle, E. Benoist, A. Caunes, P. Fazilleau, C. Genot, G. Lenoir, T. Lécrevisse, P. Tixador, "Racetrack-Shaped HTS Coils With Metal-as-Insulation: Transient Behavior Model and Experimental Validation Status," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 35(5), 1-7 (2025). DOI: 10.1109/TASC.2025.3542344. ——法国原子能委员会（CEA）；MI 绕组暂态行为的 PEEC 模型与液氮实验。

1. H. Zgour, W. Abdel Maksoud, B. Baudouy, A. Guinet, "Quench Protection in Insulated REBCO Conductors: Design Optimization and Fast Detection via REBCO SQD," arXiv:2603.15244 (2026). ——CEA 巴黎-萨克雷，法国 2030/PEPR SupraFusion 项目；共绕超导失超探测器（SQD）与 THEA 建模。

1. M. Ortino, N. Bykovskiy, X. Sarasola, P. Bruzzone, K. Sedlak, "Numerical analysis of non-insulated DEMO TF coils," arXiv:2409.19630 (2024). ——EPFL 瑞士等离子体中心；EUROfusion DEMO 环向场线圈的无绝缘/部分绝缘三维电热耦合模型。

1. A. J. Creely, M. J. Greenwald, S. B. Ballinger, D. Brunner, J. Canik, J. Doody, T. Fülöp, D. T. Garnier, 等（共 46 位作者），"Overview of the SPARC tokamak," *Journal of Plasma Physics* 86(5), 865860502 (2020). DOI: 10.1017/S0022377820001257. ——SPARC 设计总览。

1. C. Senatore, M. Bonura, T. Bagni, "REBCO tapes for applications in ultra-high fields: critical current surface and scaling relations," *Superconductor Science and Technology* 37(11), 115013 (2024). DOI: 10.1088/1361-6668/ad7f95. ——单位：瑞士日内瓦大学；文中给出 SPARC 约需 10,000 公里、4 毫米宽 REBCO 带材的口径。

1. B. N. Sorbom, J. Ball, T. R. Palmer, F. J. Mangiarotti, J. M. Sierchio, P. Bonoli, C. Kasten, D. A. Sutherland, 等（共 13 位作者），"ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets," *Fusion Engineering and Design* 100, 378-405 (2015). DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.07.008. ——全 MIT 作者团队；ARC 概念与可拆卸磁体。

1. 美国国家科学院、工程院与医学院，《The Current Status and Future Direction of High-Magnetic-Field Science and Technology in the United States》第三章"Superconducting Magnet Technology for Fusion"（2024）。DOI: 10.17226/27830. ——SPARC 环向场线圈：等离子体中心 12 特斯拉、单线圈峰值 22-23 特斯拉、总储能超过 2 吉焦；TFMC 带材堆电流密度 750 安每平方毫米、绕组工程电流密度约 150 安每平方毫米。

1. X. Guan, S. Gao, L. Hu, L. Guo, Y. Hu, H. Liu, F. Liu, J. Qin, "Performance evaluation of the CFETR central solenoid model coil under operating conditions," *Nuclear Fusion* 66(7), 076025 (2026). DOI: 10.1088/1741-4326/ae738c. ——中国科学院等离子体物理研究所；CSMC 直径 4.3 米、高 5.1 米、约 140 吨、设计电流 47.65 千安、峰值场 12 特斯拉、储能 407.6 兆焦；2024-12-29 首轮测试、2025-09-10 第二轮完成，稳态电流达 48 千安。

1. A. Sang, J. Li, X. Wen, N. Qiu, L. Guo, Y. Hu, H. Liu, X. Gao, "Quench Simulation of the CFETR Central Solenoid Model Coil," *IEEE Transactions on Applied Superconductivity* 34(5), 1-7 (2024). DOI: 10.1109/TASC.2024.3390088. ——中科院等离子体物理研究所；不同起始位置与扰动尺度下的失超仿真与热点温度、氦压判据。

1. IEEE 应用超导会议（ASC 2024）联合专题"Are Non-insulated REBCO Magnets Really Self-protected?" 会议摘要，IEEE 超导委员会网站。https://snf.ieeecsc.org/node/2706 ——4 千焦、50 千焦、110 兆焦三个尺度的自保护对比；31 千安开路故障下径向电流发热约每米 10 瓦、L/R 时间约 3 小时；SPARC 环向场磁体的四条保护补救措施。

1. 藤仓株式会社新闻稿，"Expansion of Production Capacity for High Temperature Superconducting Tapes through Increased Capital Investment"，2026 年 2 月 9 日。https://www.fujikura.co.jp/news/pressrelease/20260209post_110.html ——追加 56 亿日元投资；2024 财年已投约 60 亿日元；目标 2027 财年产能达原来三到四倍，本次投资再翻约一倍；投资京都聚变工程公司与 CFS；入选 UKIFS 框架协议。

1. 上海市政府网站，《上海超导让全球企业"敢"上大项目 产能不低于 1.5 万公里的新工厂正式开建》，2025 年 7 月 21 日。https://www.shanghai.gov.cn/nw4411/20250721/c53fe0b7a2a74564a6e4c0081bfbf7f6.html ——上海超导产能爬坡履历、张江新厂 1.5 万公里、全球仅两家过千公里、给 CFS 供货 100 余公里 30 微米基带带材。

1. 华泰证券研究报告，《"夸父"追"日"，可控核聚变离我们还有多远？》，2025 年 4 月 24 日（新浪财经转载）。https://finance.sina.com.cn/stock/hyyj/2025-04-24/doc-ineufnmc3713711.shtml ——全球 REBCO 带材产能测算（2023 年底不足 1 万公里、2024 年底近 1.5 万公里）、各家扩产目标、ARC 需 12 毫米带宽带材 5,730 公里（折 4 毫米 1.72 万公里）、带材约占磁体成本三分之一。

1. SpaceDaily，"Compact fusion boom propels PLD REBCO tape production while spotlighting cost and stability hurdles"，2025 年 10 月 10 日（转述研究报告《Commercial compact fusion triggered REBCO tape industry: Pulsed laser deposition technology opportunities and challenges》）。https://spacedaily.com/compact-fusion-boom-propels-pld-rebco-tape-production-while-spotlighting-cost-and-stability-hurdles-999/ ——顶级 PLD 厂家年产能超过 3,000 公里（12 毫米）、占全球 HTS 线材产量一半以上；20 K/20 T 下 Je 超过 1,000 安每平方毫米；市场报价每米 15-30 美元；成本目标每千安米 50 美元（短期）与 10-20 美元（长期）。

1. Tokamak Energy 公司官网"About us / From fusion innovation to commercial impact"与公司里程碑页面（2026 年 9 月访问）。https://tokamakenergy.com/ ——TE Magnetics 于 2024 年成立；2025 年 Demo4 实现 11.8 特斯拉、700 万安匝；2019 年 24 特斯拉、20 开尔文纪录；2026 年 4 月 14 日成为 STEP 磁体系统伙伴，合同 7,000 万英镑至 2029 年 3 月；累计融资 3.35 亿美元。

1. 新浪财经，《能源"终结者"！可控核聚变，要起飞？》，2026 年 2 月 10 日。https://finance.sina.cn/2026-02-10/detail-inhmitae1260931.d.html ——上海超导第二代带材单位生产成本从 2022 年 262 元每米降至 2024 年约 93 元每米；招股书披露 2025 年上半年对单一客户销售占比超过 60%。

1. Commonwealth Fusion Systems 官方新闻，"CFS-MIT High-Field Magnet Technology for Commercial Fusion Experimentally Validated"与"US Department of Energy Validates CFS' Successful Completion of Magnet Technology Performance Test"（2025 年 9 月 30 日）。https://cfs.energy/news-and-media/ ——六篇 IEEE 应用超导论文组成的 TFMC 论文专辑；磁体随后被破坏性测试；DOE 里程碑计划拨付 800 万美元。