前海吉安核聚变建设热带火高温超导

前海吉安

由于当前国内外可控核聚变装置差异较大，装置内的磁体无法通用，因此磁体厂商有极强的工艺壁垒。不过，随着高温超导材料产业链的成熟前海吉安，未来高温超导磁体的市场空间也将逐步打开。

作者：潘俊田

封图：图虫创意

7月22日，中国聚变能源有限公司挂牌成立大会在上海举行，并一举完成115亿元的融资。大会提出，聚变能源作为前沿科技与未来产业培育的重点方向，将先导布局高温超导等关键核心技术攻关，引育高水平创新主体和优秀人才团队。

高温超导材料是指在温度高于40K（约零下233度）时，能够实现零电阻且可承载电流密度近百倍于传统铜导的材料。利用高温超导材料，可以有效降低长距离输电带来的电损耗。

比如，为满足上海世博园区供电需求，需要铺设一条从浦东穿越黄浦江至浦西的50万伏超高压电缆，体积相当于一条单向地铁通道；而如果使用超导材料，体积可缩减至1/3到1/4。

二十多年前前海吉安，上海为解决用电密度高、建设用地紧张的问题，立项了高温超导技术项目。该项目相继孵化了上海超导、上创超导两家公司。二十多年后，在可控核聚变产业热潮初起之际，高温超导技术已成为上海这座城市发展可控核聚变产业的重要起点。

近年来，上海已投运或在建多台可控核聚变装置。8月1日，上海诺瓦聚变宣布获得5亿元天使轮投资，搭建新的可控核聚变装置。

“最早投资高温超导行业主要考虑的是电网相关应用，包括高温超导电缆、电机等。随着高温超导技术的成熟、带材性能及产能的提升，2018年后，高温超导开始逐步应用于核聚变领域，由于高温超导强磁场的特性，小型商业化核聚变成为可能”，一位长期投资材料行业的投资人告诉记者，她曾参与上海高温超导项目早期的相关投资。

可控核聚变行业看重的是超导材料的另一特性：能够通过传输大量电流形成强磁场。

根据物理学中的“劳森判据”，核聚变点火条件需满足三个新材料——核聚变燃料的温度、密度和约束时间，三者的乘积需大于某一个特定值。对可控核聚变装置而言，磁场强度越高，越能实现更高的等离子体密度、温度和约束时间。

前述投资人说，目前采用高温超导材料的可控核聚变装置，磁场强度能达到20t（特斯拉，磁场强度单位），上限能达到45t（特斯拉），而主要使用低温超导材料核聚变装置，磁场强度仅能达到3t左右，上限为15t。

高温超导材料的需求，源于磁约束装置（如托卡马克、球形环等）的建设热潮。这类磁约束装置成本较低且易于实现小型化，更适合商用，因此迎来了广泛的投资建设。目前国内运行或在建核聚变装置，大多为磁约束装置。

2021年9月前海吉安，核聚变初创公司CFS与麻省理工学院合作，成功研制出世界第一个可用于核聚变的20t高温超导磁体。“这证实了能够在较小的尺寸内获得较高的磁场，进而降低成本、缩短设备建造时间，让我们能够快速经济地实现聚变。”星环聚能CEO陈锐曾在接受采访时表示。上海超导就是CFS其中的一家供应商。

目前国内已运行或在建的可控核聚变装置包括：中国科学院合肥研究院等离子体所的中国聚变实验堆EAST及后续BEST以及CFERT、中核集团的星火一号、西南物理研究院的环流三号等。每个可控核聚变装置都需要巨额投资，其中BEST项目总投资达到85亿元。

根据美国聚变点火研究试验数据，在一个核聚变装置（托卡马克型）的近百亿元总投资中，主体结构占比约29%、辅助系统约15%、电力系统约18%、场地与设施约15%，其余占比较小的部分包括仪器和控制系统、诊断系统、组装和远程维护等。而在主体结构的投资中，约 55%用于磁场线圈——仅一台可控核聚变装置，就需要超过10亿元的超导材料。

在上海超导、上创超导和西部超导等国内厂商突破高温超导材料产业化之前，国内可控核聚变装置所需的高温超导材料长期处于紧缺状态。前述投资人称，在2018年以前，高温超导材料主要供给电网示范性项目使用，全球年产量可能不足1000公里；2018年之后，随着高温超导材料逐步满足可控核聚变的需求，产量才逐渐提升。

此前，国内已实现低温超导的产业化。2003年，中国正式决定加入ITER（国际热核聚变实验堆）计划时，因该项目采用磁约束技术路线需使用超导材料，超导有限（西部超导前身）应运而生，并于2012年开始向ITER批量供货。低温超导在技术上较易实现，其材料特性与高温超导一致，但仅能在温度低于40K（约零下233摄氏度）时呈现超导特性，因此必须在液氦环境下工作；而高温超导可以在液氮环境下工作，条件更易满足。

据前述投资人介绍，高温超导材料在发展初期的主要难点是产量不足、产品性能不够。在产品性能方面，可控核聚变厂商主要关注超导材料在不同温度及场强下的载流量，需要材料能通过更大电流且稳定性更高——由于超导材料是一种合成材料，电流传输过程中可能出现大幅波动。此外，材料的机械脆性、辐照耐受性、制备的均匀性和可靠性等也是关注重点。

解决了单块材料的内部问题后，还需攻克材料间的衔接难题。当一次性制备更长的高温超导带材时，材料“失超”风险会随之增加。“失超”指超导材料因温度、电流或磁场超过临界值而突然恢复电阻的现象。为减少这一问题，需要将不同的带材通过接头进行组装，但接头本身会产生电阻，因此也要平衡高温超导材料长度与接头数量。西部超导在2023年年报中提到，公司探索Bi-2223和Bi-2212的工程化制备技术，打通了适合于批量化生产的全流程工艺技术，制出长达百米量级的带材和线材。

经过持续投资建设，头部高温超导材料公司已初步具备产业化能力。目前上海超导产能约4000公里，同时正募集资金投建约6000公里产能。随着高温超导材料成本不断下降：2022年，上海超导每公里高温超导带材售价为360元/米，2024年售价已降至241元/米。

根据上海超导于今年6月份披露的招股书，2022年时其第二代高温超导带材销售量约69公里，营收约2472万元，到2024年迅速增长至955公里和2.3亿元。2024年上海超导净利润约7200万元，2022年净亏损2753万元。其2024年前五大客户分别为中国科学院、联创超导（与中核集团合作星火一号项目）、能量奇点、VEIR公司和南方电网。前两家采购金额即超过1亿元。

“目前投建的核聚变装置很多都是前几年设计的，那时候高温超导材料不成熟，装置里用量很少。据我统计，BEST项目中用的高温超导材料价值约为1亿至2亿元，而未来的核聚变装置中，高温超导的使用量会越来越多。”前述投资人向记者表示。

此外，其他领域对高温超导的需求也在增长。西部超导证券部相关负责人对经济观察报表示，目前其超导产品已应用于上海联影的核磁共振机中。同时，西部超导正推进超导材料在磁控直拉单晶硅、超导储能、质子重离子加速器、超导量子计算机等领域的应用。其中，西部超导正在使用高温超导材料研发10MJ/5MW高温超导储能设备。而位于合肥的EAST项目，采用的是西部超导供货的低温超导材料。

上述投资人正在关注磁体领域，因为高温超导带材需要卷绕成磁体后才能应用于可控核聚变装置。目前，国内大致有三类公司能够生产磁体：小型创业公司、可控核聚变装置设计建设公司，以及西部超导、上海超导等高温超导材料生产企业。

新奥集团研发建造了“玄龙-50U”球形环氢硼聚变装置，新奥聚变实验首席科学家石跃江向经济观察报介绍，新奥内部设有超导技术组，专门负责将带材卷绕成磁体。“我们的球形环装置中心柱非常细，只能使用高温超导形成的小体积磁体，同时可以满足球形环小环径的物理要求；而BEST装置是较大尺寸的大环径比装置，允许使用低温超导磁体。无论使用低温超导材料还是高温超导材料，磁约束装置的磁体线圈都需要自主绕制，以确保满足使用要求。”

上述投资人表示，由于当前国内外可控核聚变装置差异较大，装置内的磁体无法通用，因此磁体厂商有极强的工艺壁垒。不过，随着高温超导材料产业链的成熟，未来高温超导磁体的市场空间也将逐步打开。

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