摘要：基于磁约束原理的托卡马克装置，是目前最为主流的可控核聚变装置。磁约束是通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得燃料完全电离形成等离子体，然后采用特殊结构的磁场形式把燃料离子和大量自由电子组成的处于热核反应状态的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控
磁体是磁约束聚变装置的核心部件，在托卡马克装置中成本占比较高
基于磁约束原理的托卡马克装置，是目前最为主流的可控核聚变装置。磁约束是通过加热等外部手段将燃料温度提升，极高的温度使得燃料完全电离形成等离子体，然后采用特殊结构的磁场形式把燃料离子和大量自由电子组成的处于热核反应状态的高温等离子体约束在有限的体积内，使之受到控制地发生核聚变反应，并在此过程中释放出能量。
基于磁约束的基本原理，发展出了托卡马克、磁镜、仿星器、球形托卡马克、直线箍缩、环箍缩等多种类型磁约束核聚变装置，其中托卡马克装置因其具有高效的等离子体约束和稳定的平衡能力，并且工程上设计建造相对简单、运行维护方便，经过多年研究发展技术成熟且有多次成功的实验验证，再加上广泛的国际合作和强大的研究基础，逐步成为目前主流的核聚变装置。根据 IAEA 的统计，截至 2024 年 11 月，全球共有 159 个核聚变项目，其中托卡马克装置有 79 个，占比接近 50%。
磁体系统是整个磁约束聚变装置的核心。在磁约束可控核聚变装置中，产生约束磁场的磁体系统扮演着核心角色，其磁场强度与均匀性对于整个装置的性能与效率均有着重要影响。托卡马克装置的磁体系统通常由多个线圈组成，最主要的线圈包括环向磁场(Toroidal Field，TF)线圈、极向磁场(Poloidal Field，PF)线圈和中心螺线管(Central Solenoid，CS)线圈，其中中心螺线管线圈用于产生激发等离子体，纵向场线圈用以约束高温等离子体，极向场线圈保证等离子体电流正常稳定运行，另外部分托卡马克装置还拥有校正场线圈（Correction Coil, CC）用以提高等离子体的稳定性。
ITER 磁体系统及功能
从全球主要的几个托卡马克装置的设计来看，根据装置的大小和不同的设计需要，各个托卡马克装置的线圈的种类和数量不尽相同，以 ITER 项目为例，其磁体系统包括 18 个 TF 线圈、6 个 PF 线圈、1 个包含 6 个独立绕包模块的 CS 线圈以及 18 个 CC 线圈。
作为托卡马克装置最核心的部件，磁体成本占比较高。根据 Neil Mitchell 等对 ITER 装置和核聚变发电厂 DEMO 的成本拆分来看，磁体系统作为托卡马克装置的核心部件，是 ITER 装置的最大成本项，成本占比达到 28.0%；在聚变电厂 DEMO 中，尽管增加了电厂的配套设施，磁体系统的成本仍然占比达到 12.0%。
磁体制造价格较高。从合肥等离子物理研究所近两年的公开招标和中标信息来看，磁体相关的制造和部件价值量较高，单个磁体线圈的价格均在百万级别以上。
磁体材料主要有铜导体和超导体，高温超导助力聚变商业化加速实现
较为早期的托卡马克装置采用的磁体材料为铜导体。由于磁约束聚变主要靠磁场来约束高温等离子体，因此在高温、高压的极端环境中，磁体材料的性能尤为重要。
较为早期的托卡马克装置采用的铜导体作为磁体材料，例如前苏联 T-3 托卡马克装置、美国 TFTR 装置、欧洲联合环（Joint EuropeanTorus, JET）装置、日本 JT-60 装置、中国环流三号装置等。铜导体在强大的电流下不可避免地存在发热问题，导致能量耗散严重，使得消耗的能量将超过核聚变产生的能量，而且要把铜线圈产生的热量及时带走，需要过于庞大的冷却系统，因此限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行，因而无法满足未来商用聚变堆的安全性、高效性和经济性要求。
超导技术的应用，进一步加速了全人类对于聚变领域的探索进度。20 世纪后期，科学家们开始把超导技术用于托卡马克装置，由于其具有零电阻效应，且承载电流密度更高有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行，大大提升聚变能源的转化效率与能源输出。
1979年苏联建造了世界上第一台低温超导托卡马克 T-7 装置，将超导磁体技术引入聚变领域，其纵场磁体系统由 48 个超导线圈组成，为后续聚变装置的设计和运行提供了重要支持和创新。以 T-7 为原型设计制造的我国首个超导托卡马克装置 HT-7，从 1994 年建成运行到 2012 年最后一轮实验，HT-7等离子体放电次数突破 14 万次，虽然 HT-7 装置只有纵场磁体采用超导体绕制，用以激发等离子体的中心螺管磁体和用以控制等离子体的极向场磁体仍采用铜导体绕制，但是仍然在 2008 年连续重复实现长达 400 s 的 1200 万℃高温等离子体运行，创造了当时最长放电时长记录，证明了超导材料在磁约束托卡马克装置中应用的先进性。
随后，全球各国开始积极谋划全超导托卡马克装置，2006 年中国等离子体物理研究所自主研制并建成世界上第一个全超导托卡马克实验装置 EAST，标志着聚变能发展步入全超导托卡马克时代。
低温超导线圈的磁场强度限制，使得 ITER 等装置不得不设计的庞大且昂贵。根据托卡马克聚变堆功率的相关公式，其单位体积的聚变功率密度正比于磁场强度的 4 次方：
如果磁场强度上不去，就只能通过提高体积的方式来获得所需的聚变功率，可见提高磁场强度 B 是缩小托卡马克聚变堆尺寸的关键。但是超导临界电流密度的限制使得低温超导线圈所能达到的最高磁场强度非常有限，低温超导体如 NbTi 和 Nb3Sn，当电流密度超过一定的值就会失去超导态，这使得 NbTi 和 Nb3Sn 磁体分别最高只能达到 8T 和 13.5T。
ITER 采用 Nb3Sn 超导磁体，等离子体中心最高磁场强度只能达到 5.3T，这时线圈的高场侧达到 13T,因此要达到 500MW 聚变功率的目标，便不得不将 ITER 设计得很大，等离子体大半径 6.2m，造成 ITER 的成本居高不下。因为 ITER 采用了低温超导线圈，才如此庞大和昂贵，要降低成本，减小装置尺寸，最有效的办法就是增强磁场。
高温超导材料的出现，让聚变商业化出现曙光。近年来，以稀土钡铜氧 (Rare Earth Barium CopperOxide，REBCO)为代表的高温超导材料，在工业化生产能力和性能方面均获得显著提升，推动了其在磁体领域的应用。与传统低温超导材料相比，REBCO 材料具有更高的临界温度和热稳定性，并且在高磁场下仍能保持出色的载流能力，使得其在聚变领域中具有巨大的应用潜力。
将 REBCO 材料引入聚变装置中，不仅能够显著提升其磁场强度和聚变性能，还能大幅缩减磁体尺寸，降低托卡马克装置的研发成本和技术难度，进而使聚变装置在设计上更加紧凑和高效，推动其商业化进程。美国麻省理工学院研究人员在《IEEE 应用超导汇刊》上发表 6 篇论文，宣布通过他们所研发的新型高温超导磁体，能够将可控核聚变装置托卡马克的体积和成本压缩至目前的 1/40，并成功通过了严格的科学测试和论证。
国内外同步进行高温超导材料在核聚变应用中的探索。基于二代高温超导带状导线 REBCO，小型聚变实验堆 SPARC 的设计聚变功率 P>50MW、聚变增益 Q>2、设计磁场 12T，等离子体大半径却只有 1.65m，等离子体体积只有 11m3，与 EAST 差不多，是 ITER 的 1/80。2024 年 6 月 18日，位于上海的聚变能源商业公司能量奇点宣布，由能量奇点设计、研发和建造的洪荒 70 装置成功实现等离子体放电，这是全球首台全高温超导托卡马克装置，也是全球首台由商业公司研发建设的超导托卡马克装置，这一装置的运行标志着我国在全球范围内率先完成了高温超导托卡马克的工程可行性验证。
从我们统计的部分托卡马克装置的磁体材料情况来看，磁体材料确实经历了从铜导体到超导的转变。进入 21 世纪之后，建成的托卡马克装置基本上磁体材料都是以超导体为主，而后续正在建设或者规划的托卡马克装置，采用 REBCO 高温超导带材的比例大大增加。
来源：科学大家议
