世界观点：科学家成立高温超导创业公司，全力冲刺聚变梦想

在国内高温超导领域中，由上海交通大学教授领导的高温超导课题组，早已成为一支明星团队。

【资料图】

图 | 金之俭（来源：）

上海交大高温超导团队始建于 2010 年，多位成员来自于英国剑桥大学、美国麻省理工学院、哈佛大学、休斯顿大学、丹麦科技大学以及清华大学、上海交大等海内外名校。

同样在 2010 年，高温超导技术被上海市列为战略前沿重点培育方向。正是在这样的环境之下，课题组开始迅速成长。

从高温超导材料到应用该团队进行了全产业链布局，经过 10 年的努力，其所研发的高温超导材料已由上海超导公司实现产业化。

上海超导公司也由此迅速成长为全球范围内颇具竞争力的高温超导材料供应商，目前该公司正在筹备 IPO。

在超导的应用上，团队在超导电力、超导节能、超导磁悬浮等领域也取得了一系列成果。前不久，超导感应加热和超导磁悬浮列车实验线的成果一经面世，还得到了 CCTV 的报道。

近期，课题组的研发工作，集中在磁悬浮和聚变磁体两大方向。在超导磁体领域中，这两个方向也是最具难度的。

就磁悬浮来说，高速磁悬浮列车磁体是一个动态磁体，需要应对极高的加速度，机械增强和制冷设计是主要的难关。经过努力，该团队已经完成国内首个高温超导磁悬浮磁体。

图 | 磁悬浮磁体（来源：资料图）

就聚变磁体来说，高场强是其主要特点，需要面对超大电流、超高磁场和超大口径带来的一系列挑战。

说：“我们团队近年来在这两个高难度超导磁体研究方向上取得了很多成果，也积累了丰富的工程经验，为团队后续超导应用的拓展奠定了重要基础”。，是该课题组打造的一家新公司，其核心产品是聚变强场磁体。

：围绕聚变强场磁体开展重点攻关

相较于低温超导材料，高温超导材料强场特性优势巨大，一旦聚变强场磁体取得突破，磁约束聚变装置的小型化将成为可能，这不仅能大幅降低装置的成本，更是可以大大加快研发的迭代速度，从而让核聚变更快迎来新的曙光。

基于这样的认识，团队的研发方向逐步聚焦于聚变强场磁体。

由于运行在非常极端的环境之下，高温超导聚变强场磁体需要面对大电流、强磁场、高应力、极低温等考验，难度远超一般的中低场超导磁体。

考虑到快速控制等离子体位形的需要，聚变强场磁体需要采用大电流集束缆线绕制，缆线设计目标参数高达 100kA/20T，这需要上百根超导带材堆叠绞制成缆，而高温超导带材存在一定的脆性，弯折和受力时都受到很大限制，因此集束缆线是一道摆在面前的难关。

作为的联合创始人，上海交大的副教授曾在斯洛伐克国家科学院参与聚变用集束缆线的研究。回国之后，他在团队的支持下建起了缆线实验产线，借此在缆线结构、损伤机理、低阻接头等基础研究领域取得了一系列成果。

经过不断迭代和改造升级，该公司已经建成一条集束缆线自动化生产线，并已经开始为中科院等离子所、清华大学、南方电网等供应定制化的缆线产品。

目前，正在进一步提高缆线的电气和机械性能，以期为聚变强场磁体研发奠定基础。

图 | 集束缆线生产线（来源：资料图）

高温超导材料是一种陶瓷材料，其传热特性相对较差，失超传播特性与传统的低温超导材料完全不同。一直以来，业内始终缺失完善的高温超导失超检测方案和保护工程解决方案。

利用其在“超导材料——集束缆线——强场磁体全链条布局”的优势，将光纤与超导带材（集束缆线）进行集成封装，采用分布式光纤传感系统实现了失超检测，在时间分辨率和空间分辨率指标上均达到国际领先水平，借此为聚变磁体失超保护奠定了重要基础。

图 | 光纤与超导带材集成封装（来源：资料图）

提高磁体鲁棒性是保证磁体安全的重要手段。无绝缘线圈概念由麻省理工学院团队最先提出，由于取消了超导带材外层包覆的绝缘层，一旦发生失超，电流可以通过相邻带材分流绕过失超点，这极大提高了超导磁体的鲁棒性。

但是对于没有绝缘层的超导磁体来说，其磁体内部电流通道大幅增加，分布规律十分复杂，如果不能对其进行仿真分析就无法进行设计和应用。

作为的联合创始人之一，上海交大副教授曾首次建立了无绝缘线圈的仿真分析模型，实现了对于无绝缘线圈暂态电流分布的分析，该项成果极大地推动了无绝缘线圈技术的工程应用，让超导磁体的鲁棒性得以大幅提升。借助这项技术，的高温超导磁体连续创下多个世界纪录，也借此获得了欧洲玛丽居里奖。

要想实现聚变强场磁体的突破，需要将超导材料、集束缆线和强场磁体的电磁、机械性能向上提升一个台阶，这必须有坚实的基础研究支撑、以及丰富的工程经验积累作保障。

仅仅单个聚变磁体的成本就超过亿元，这让进入该赛道的研发队伍极为有限，而兼具坚实研究基础和丰富工程经验的团队更是难得。

依托麻省理工学院团队在高温超导技术领域的多年技术积累，美国 公司领跑全球，并已完成 20T 聚变强场磁体样机。截至目前，依然没有见到其他团队研发完成同类产品的报道，聚变强场磁体难度由此可见一斑。

对于而言，聚变强场磁体同样是一则高难度挑战。如前所述，过去十年间针对聚变强场磁体，该团队在“超导材料——集束缆线——强场磁体”这一研究主线上，积累了一系列基础研究成果，也收获了不少工程经验。

表示，随着研发资金的大幅增加，以及研发进度的不断加快，这些优势也将得到充分体现。

他认为如果用新能源汽车的产业链做类比，强场磁体之于核聚变，好比锂电池之于新能源车。

锂电池技术是推动新能源车发展的核心，很多汽车厂商也亲自下场参与电池研发。宁德时代选择专注于电池技术研发，其电池技术始终领先整个行业，为新能源汽车的发展做出了重要贡献。

同样的，也将聚焦聚变强场磁体研发，依托自身领先的核心技术，采取用户定制生产的形式与聚变装置用户联合生产磁体，同时通过强化研发保持领先的磁体研究水平。

说：“领先一步的基础研发将是公司行业地位的保证，这也是我们和上海交大等高校建设联合实验室的初衷。目前，在国内聚变强场磁体已经占据了领先地位，在国家聚变战略发展中应该承担重要责任。”

全球聚变技术发展之大变局

目前，美国和英国的聚变路线图都由 2050-2060 年聚变发电提前到了 2035-2040 年。中国高层也动作频频、积极谋划。

经过多年的发展，针对磁约束聚变的研究已经从理论实验转向工程应用。

在最初的理论实验中，聚变装置磁体均采用铜导体磁体，对于这些能耗极大的装置来说，其运行时间只能用秒来计时。要想进入工程应用，就必须采用超导磁体实现长时间运行。

20 世纪末，只有低温超导技术可以使用，当时人们构建的磁约束聚变的路线图只能采用低温超导磁体的方案。由于装置庞大且投资巨大，研发迭代速度非常缓慢，商业化目标一直遥遥无期。

21 世纪前叶，随着高温超导材料与磁体技术的不断成熟，磁约束聚变装置的技术路线发生了重大变化。

高温超导材料的强场特性远远高于低温超导材料，使用高温超导磁体，通过提高磁体场强可以大幅减小聚变装置的体积。小型化聚变装置不仅能大幅降低成本，更重要的是能大大缩短研发周期。

2021 年 9 月，由麻省理工学院团队孵化的 CFS（）公司，完成了 20T 聚变强场磁体工程样机，这是一个里程碑式的突破。同时， 计划于 2025 年完成聚变实验装置 SPARC（Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact），以及于 2030 年代初完成工程试验堆 ARC 从而实现聚变发电。

公司的突破性进展点燃了聚变领域风投的热情，大量私人资本的涌入进一步加快了聚变技术研发进程，并让原本 30 年预期的国际合作超级项目演变成为 10 年预期的风投热点。

根据国家统计局数据，2021 年中国石油对外依存度达 72%，天然气对外依存度达 46%，碳排放量占全球总排放量的 31%，能源安全形势严峻，“双碳”战略目标实施任务艰巨。

核聚变能源具有运行安全、燃料丰富、能量密度高、无核废料污染、不产生温室气体等特点，被视为是人类的终极清洁能源。尽管聚变技术难度极高，但其作为能源领域的一项颠覆性技术，自诞生以来一直受到高度重视。

中国作为一个高度工业化的国家，能源是国民经济稳定发展的基石。从能源安全和“双碳”目标的角度出发，中国的聚变能源不可或缺。

高温超导技术发展至今依旧不温不火，人们始终没能找到能被商业化推广的产品，究其原因不外乎成本高企、经济性缺乏等，从根本上来讲是缺乏一个能快速拉动需求的爆发点。

2021 年底，已被投运的上海 1.2 公里高温超导电缆示范工程，是国内最大的高温超导示范项目，超导带材的用量仅为 280 公里。可以说，采用高温超导技术路线的紧凑型聚变装置的兴起，将彻底改变高温超导材料的需求状态。

表示：“美国 公司的单个 SPARC 装置超导带材用量超过 1 万公里。面对这种巨大的需求，全球几乎所有具备量产能力的厂商都在巨幅扩产。”

目前，上海超导公司已经开始大规模扩产，计划从原来的年产 300 公里扩产至 3000 公里，这会让高温超导材料的价格得以快速下降，也让多个应用领域的经济性拐点逐渐逼近，高温超导产业正面临重大机遇。

十多年前，国际热核聚变反应堆计划（ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor）的启动，推动了低温超导产业的发展。

虽然 ITER 装置目前仍在建设中，但是巨量的需求已经带动了低温超导产业的兴起。当下，已经得到普及的核磁共振成像和诸多加速器、科学仪器的应用都得益于此。

高温超导材料的性能尤其是制冷成本优势相对更为突出，一旦达到爆发点，其应用前景远超想象。

而所谓磁约束聚变，是指用磁体组成的一个磁笼，把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、超过 1 亿摄氏度的等离子体约束在真空腔体里进行聚变反应，借此释放出能量。

高温超导材料的强场特性远超低温超导材料。简单来说，高温超导磁体可以产生更高的磁场。而磁体的场强越高，对等离子体的约束就越强，整个磁笼就可以做得更小，紧凑型聚变堆的梦想就能被实现。

图 | 金之俭（来源：）

表示，科学家都是有梦想的人，人的一生如果能干成一件大事就会活得很有意义。他说：“聚变是我年轻时代就有的梦想，也是人类的共同梦想。我研究高温超导已有 10 多年，在这个领域组建了国内最大的科研团队，不经意间我们已经看到了实现聚变梦想的希望。”

如今，已经成为一名企业家。他说：“作为创业者就更要有梦想，创办正是奔着这个梦想而去。成立至今，我们得到了各方面的大力支持，心怀感激的同时，也让我们有了更多动力，我也将携手业内的同仁们，希望能在有生之年实现这个梦想。”

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