高温超导磁铁：美国小型核聚变和中国600公里时速磁悬浮之芯

大事记：

1971年：美国通用电气公司分拆出超导研究企业Intermagnetics General Corp. (IGC)

1986年：美国IBM公司科学家创造了高温超导体的基本材料。

1988年：IGC成立高温超导体研发小组

2002年：IGC 的高温超导体团队转变为位于纽约州SuperPower公司

2004年：SuperPower 实现了第一条100米长的二代高温超导磁铁带

2007年：SuperPower 实现了 790米长的二代高温超导磁铁带

2011年：上海超导科技株式会社成立

2012年：SuperPower被日本Furukawa Electric集团收购

2013年：上海超导自主建成海内首条公里级二代高温超导磁铁带生产线

2017年：上海超导向国际核聚变运用小批量供货

2018年：SuperPower的二代高温超导磁铁实现了超过 40 特斯拉的创记录高场。

2020年： 上海超导向国际紧凑核聚变项目超导带材供货任务

媒介

2021年1月13日上午，由西南交通大学研发的高速磁悬浮工程样车在成都下线，这是中国研发的第二款高速磁悬浮列车，也是天下上首款采取高温超导技能的1:1磁浮工程样车。

西南交通大学研发的高速磁悬浮工程样车

2021年7月20日中国中车600公里高速磁悬浮交通系统在青岛成功下线，其采取的是低温超导技能。

第一章 紧凑型托卡马克的第一步：是否也是人类文明的一大步呢？

众所周知，核聚变的温度远远高于地球上任何一种物质，托卡马克是20世纪50年代苏联物理学家发明的装置：用看不见摸不着的磁场，来给核聚变中产生的等离子体编织一个逃不出去的笼子。

为了得到足够强大的磁场来约束等离子体，物理学家有两种办法：

一是建造足够大的磁体；

二是尽可能得到更大磁场强度的磁体。

第一种办法便是现在各国盛行的托卡马克装置。
个中最著名的便是国际热核聚变实验堆ITER。

2020年7月21日ITER在法国启动

第二种办法正是美国麻省理工团队研发的超强磁体紧凑型托卡马克装置。

麻省理工团队与其孵化企业美国公司Commonwealth Fusion Systems正在共同完成这个壮举：下图便是这个叫SPARC的紧凑型托卡马克预研装置示意图。

麻省理工团队的紧凑型托卡马克核聚变装置的研发方案是这样的：

第一步：大约2021年完成超级超导磁铁和等离子体物理研究；

第二步：2023-2024年完成预研紧凑型核聚变装置；

第三步：2030年旁边完成商用化紧凑型核聚变装置。

麻省理工紧凑型托卡马克装置研究韶光表

这张图是MIT团队的预研紧凑型托卡马克装置和ITER的大学托卡马克装置的比拟。

紧凑型托卡马克预研装置和国际热核聚变实验堆ITER的大型托卡马克装置的比拟

下图便是MIT团队这次宣布的用于紧凑型核聚变的高温超导磁铁示意图，大约和房间一样高。

MIT团队开拓的高温超导磁铁

由于ITER项目开始是，第二代高温超导磁铁技能还并未成熟，以是采取还是第一代超导磁铁。

而根据麻省理工团队的研究，采取了最新的第二代高温超导磁铁技能，从而使得紧凑型托卡马克核聚变装置要比ITER小很多。

这一重大打破，使得紧凑型核聚变有望领先于ITER二十年完成商用化核聚变的壮举。

第二章 环球首款：中国的时速600公里高温超导磁悬浮

2021年1月13日上午，由西南交通大学研发的高速磁悬浮工程样车在成都下线，这是中国研发的第二款高速磁悬浮列车，也是天下上首款采取高温超导技能的1:1磁浮工程样车。

西南交通大学研发的高速磁悬浮工程样车

西南交通大学研发的高速磁悬浮采取的高温超导磁铁是这种宽只有几个毫米，类似透明胶带一样的卷装材料。

西南交通大学研发的高速磁悬浮采取的高温超导磁铁构造如下图所示：实际上是一个非常繁芜的多层带，个中的核心便是一个薄薄的高温超导材料层。

西南交通大学技能资料中的Superpower公司代号为SCS4050的高温超导磁铁

我在西南交通大学牵引动力国家重点实验室的大量高温超导磁铁研究论文里，反复地看到一个公司的名字：SuperPower，以及其代号为SCS4050的高温超导磁铁。

这家SuperPower公司便是高温超导磁铁领域的最早商业化企业之一。

难道我们这么重大的项目，其核心材料又要入口了吗？

西南交通大学关于高温超导材料的研究论文

第三章 Superpower:高温超导磁铁商业化的赢家？

根据物理学家的分类，按照转变温度范围，可以将超导体分为低温超导体（超导临界温度一样平常低 于约 25 K 的一类超导体，一样平常事情温度为液氦温度即 4.2 K）和高温超导体（超导临界温度一样平常高于约 25 K 的一类超导体）。

低温超导材料紧张有NbTi 和 Nb3Sn 材料；高温超导材料紧张有Bi-Sr-Ca-Cu-O（BSCCO）和Y-Ba-Cu-O（YBCO）材料、MgB2超导材 料、铁基超导材料。
下图个中的赤色折线代表的便是REBCO系列高温超导材料的临界转变温度提升的发展进度。

超导磁体的分类，个中的赤色折线代表的便是REBCO系列高温超导材料

本文开头大略先容了，1988年，从美国通用孵化出的高温超导体研发小组IGC开始高温超导材料开拓。
该团队2002年转变为SuperPower,并在2004年量产了第一条100米长的二代高温超导磁铁带。

SuperPower公司主页

下图是Bi系列第一代高温超导磁铁和REBCO第二代高温超导磁铁的比拟，可以看到其内部构造是完备不一样的。

Bi系列第一代高温超导磁铁和REBCO第二代高温超导磁体

下图是SuperPower公司最近表露的REBCO的性能，可以看到其比传统的Bi系列第一代高温超导磁体在电流载流密度和磁场强度上大幅提升。

SuperPower的REBCO技能参数

我在一份资料中找到了SuperPower公司的照片，很难想象，天下上最前辈的高温超导磁体公司，目前只有30个员工。

SuperPower公司所在地

这里有一张是SuperPower的生产线先容，有兴趣的朋友可以自行研究。
如果有兴趣参与类似项目，可以互换详细资料。

SuperPower的生产设备先容

这里有两张是SuperPower的生产车间了。
看上去不错。

那么SuperPower的技能到底如何呢？

请看下图，这是一个在77K低温下，对约630米长、4毫米宽的REBCO高温超导磁带进行的载流传输测试。
大家可以看到，这个数据是非常稳定的。

在 77K低温下对约 630 m 长、4 mm 宽的REBCO磁带进行传输 Ic 丈量。

SuperPower除了给核聚变、超导磁悬浮列车供应超导材料，其产品也被广泛用于MRI和NMR等大型科学仪器和医疗装备。
这方面的商业剖析我会在另一个专题里再做解读。

第四章 上海超导：中国高温超导磁铁的新标杆

美国创立的公司，生产线和技能都在美国，技能早于中国20年开拓，那么中国就没有机会了吗？

虽然美国公司2004年就量产了百米级别的REBCO，而上海超导2011年才成立。
但是孵化出上海超导的上海交通大学在这个领域深耕多年。
此项第二代高温超导带材关键装备技能及家当化项目曾经得到国家科技进步技能发明二等奖。

我惊异地看到上海超导中他们的客户资料：

客户：美国Commonwealth Fusion Systems公司

项目：超导可控核聚变

上海超导为该项目批量供应高温超导带材，目前CFS公司正在绕制20T的强磁场磁体，运用于研制核聚变磁体。

SPARC

这不便是麻省理工的团队在开拓的SPARC吗？

原来，上海超导已经在给美国核聚变研究供应最前辈的高温超导磁铁。

不仅如此，我还看到上海超导为中国航天科工集团的“高温”翱翔列车”供应高温超导带材！

客户：中国航天科工集团

项目：“高速翱翔列车”工程

上海超导为该项目供应ST-4.8-L型高温超导带材。
该项目致力于开展“高速翱翔列车”的研究论证，以实现“近地翱翔”。

中国航天科工集团项目：“高速翱翔列车”工程

中国航天科工集团项目：“高速翱翔列车”工程

以是，我们大概不须要为西南交通大学的高温磁悬浮列车的高温超导磁铁担心卡脖子了，大概做研究的时候，我们的国产高温超导磁铁并没有生产出来，但是目前看，已经取得量产打破。

我在上海超导官网上看到了一些先容：

公司是国际上能够批量产出并发卖百公里/年以上高温超导带材的六家生产商之一；

也是国际上唯一一家能够实现高温超导全套生产装备和工艺交钥匙工程的公司；

公司带材产品性能指标均排名环球前20%，性价比远高于国外同类企业产品。

这是上海超导的高温超导磁铁的产品线，我们可以看到险些和SuperPower是类似的。

上海超导的高温超导磁铁的产品，不仅仅可以用于核聚变和磁悬浮，在其他很多领域都有广泛的运用。

磁不离电，电不离磁。
电有多少运用处景，高温超导谅解就有多少运用处景：

上海超导在这一前辈材料领域商用化的打破真是一场畅快淋漓的及时雨呀！

第五章 高温超导磁铁商用化：一场触目惊心的刀光剑影

这是上海超导的宣扬海报：

美国CFS紧凑型超导可控核聚变：利用上海超导 4mm 镀铜高温超导带材

不过可以理解，SuperPower公司也贴出来海报：

麻省理工大学紧凑型可控核聚变采取我们的高温超导磁体。

并且SuperPower也给出了一些高磁场测试数据。

在SuperPower也给出了一些高磁场测试数据比拟图中，我们可以看到：

图中绿色是上海超导，图中赤色是SuperPower，从整体指标上来看，已经比较靠近，SuperPower只是领先一个身位。

当然，我们可以理解MIT本周才宣告高温超导磁体的研制成功，以是采购环球不同厂家的技能进行预研，这是很正常的事情。

很高兴看到，中国已经在参与直接的竞争，即便是我们掉队半个身位，一方面在同美国的互助中得到更多的运用真个资料，另一方面也可以得到更多的和国外前辈产品进行技能比拟的直接数据，这对付作为追赶者的我们，是非常有代价的事情！

结语

上海超导科技株式会社成立于2011年，注册资金5.17亿元公民币，总部坐落于上海市张江高科技园区。
公司集研发、设计、发卖为一体，10年来，上海超导凭借研发能力和成熟的技能，始终致力于高温超导带材、运用领域及装备的破冰崛起和创新推进。

这是中国高温超导材料商业化的巨大进步！

也是中国根本材料领域商业化的一个成功的样板！

而在高温超导材料领域的根本研究方面，中国也一贯是领跑者。
最著名的便是我们的第三代铁基超导体研究。
这项研究曾经得到中国2013年国家自然科学一等奖。

中国铁基超导体研究环球领先

下面这张照片，请大家记住：SuperPower厂房外的这30人的团队，将是中国在高温超导磁铁领域的直接对手。

是危急，也是机会。
中国刚刚亮剑，鹿去世谁手，尚未分晓。

我们下次见！

注：本文所引来源于网络公开资料，如有误解或解读缺点，敬请示正。

参考

http://www.xincailiao.com/uploads/soft/140820/15-140R0012156.pdf

https://www.cauc.edu.cn/wl_syzx/upfiles/201510/20151010144716550.pdf

https://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/~qiss/pdf/20190309_qiss_ishiyama.pdf

http://shsctec.com/

http://shsctec.com/file/d/shouyeanner/20210413/%E5%B8%A6%E6%9D%90%E4%BB%8B%E7%BB%8D%EF%BC%88%E4%B8%AD%E6%96%87%EF%BC%89.pdf

https://superpower-inc.com/

http://ias.usthk.cn/program/shared_doc/2018/201801hep/program/acc/HEP_20180118_1430_Yifei_Zhang.pdf

https://dwwl.ustc.edu.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20171006&year_id=2019&quarter_id=5&falg=1