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

　　编者按：据媒体报道，比尔·盖茨和杰夫·贝索斯等投资的美国新能源初创公司CFS和麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）近日完成了一项技术测试：其为小型托卡马克核聚变装置制造的高温超导磁铁的磁感应强度达到了20特斯拉，其强度是国际热核聚变实验堆（ITER）的1.5倍。随着这项关键技术的成功测试，核聚变从实验室走向商业可行性的过程中迈出了关键的一步。
　　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公司科学家发现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 ：上海超导科技股份有限公司成立
　　2012年 ：SuperPower被日本Furukawa Electric集团收购
　　2013年 ：上海超导自主建成国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应用小批量供货
　　2018年 ：SuperPower的二代高温超导磁铁实现了超过 40 特斯拉的创纪录高场。
　　2020年：  上海超导向国际紧凑核聚变项目超导带材供货任务
　　序言
　　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，也是世界上首款采用高温超导技术的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，其采用的是低温超导技术。
　　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。
　　为了获得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；
　　二是尽可能获得更大磁场强度的磁体。
　　第一种方式便是现在各国流行的托卡马克装置。其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
　　第二种方式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：下图就是这个叫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规划是这样的：
　　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年左右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时间表
　　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对比。
　　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对比
　　下图就是MIT团队这次报道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团队开发的高温超导磁铁
　　由于ITER项目开始是，第二代高温超导磁铁技术还并未成熟，所以采用还是第一代超导磁铁。
　　而根据麻省理工团队的研究，采用了最新的第二代高温超导磁铁技术，从而使得紧凑型托卡马克核聚变装置要比ITER小很多。
　　这一重大突破，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 全球首款：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，也是世界上首款采用高温超导技术的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用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用的高温超导磁铁结构如下图所示：实际上是一个非常复杂的多层带，其中的核心便是一个薄薄的高温超导材料层。
　　西南交通大学技术资料中的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，其核心材料又要进口了吗？
　　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（超导临界温度一般低 于约 25 K 的一类超导体，一般工作温度为液氦温度即 4.2 K）和高温超导体（超导临界温度一般高于约 25 K 的一类超导体）。
　　低温超导材料主要有NbTi 和 Nb3Sn 材料；高温超导材料主要有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。下图其中的红色折线代表的便是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，其中的红色折线代表的便是REBCO系列高温超导材料
　　本文开头简单介绍了，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发。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对比，可以看到其内部结构是完全不一样的。
　　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公司最近披露的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技术参数
　　我在一份资料中找到了SuperPower公司的照片，很难想象，世界上最先进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的生产线介绍，有兴趣的朋友可以自行研究。如果有兴趣参与类似项目，可以交流详细资料。
　　SuperPower的生产设备介绍
　　这里有两张是SuperPower的生产车间了。看上去不错。
　　那么SuperPower的技术到底如何呢？
　　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 测量。
　　SuperPower除了给核聚变、超导磁悬浮列车提供超导材料，其产品也被广泛用于MRI和NMR等大型科学仪器和医疗装备。这方面的商业分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，生产线和技术都在美国，技术早于中国20年开发，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术及产业化项目曾经获得国家科技进步技术发明二等奖。
　　我惊讶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提供高温超导带材，目前CFS公司正在绕制20T的强磁场磁体，应用于研制核聚变磁体。
　　SPARC
　　这不就是麻省理工的团队在开发的SPARC吗？
　　原来，上海超导已经在给美国核聚变研究提供最先进的高温超导磁铁。
　　不仅如此，我还看到上海超导为中国航天科工集团的＂高温＂飞行列车＂提供高温超导带材！客户：中国航天科工集团
　　项目：＂高速飞行列车＂工程
　　上海超导为该项目提供ST-4.8-L型高温超导带材。该项目致力于开展＂高速飞行列车＂的研究论证，以实现＂近地飞行＂。
　　中国航天科工集团项目：＂高速飞行列车＂工程
　　中国航天科工集团项目：＂高速飞行列车＂工程
　　所以，我们也许不需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 ，也许做研究的时候，我们的国产高温超导磁铁并没有生产出来，但是目前看，已经取得量产突破。
　　我在上海超导官网上看到了一些介绍： 公司是国际上能够批量产出并销售百公里/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全球前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，我们可以看到几乎和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应用。
　　磁不离电，电不离磁。电有多少应用场景，高温超导体贴就有多少应用场景：
　　上海超导在这一先进材料领域商用化的突破真是一场酣畅淋漓的及时雨呀！
　　第五章 高温超导磁铁商用化：一场惊心动魄的刀光剑影
　　这是上海超导的宣传海报：
　　美国CFS紧凑型超导可控核聚变：使用上海超导 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用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对比图中，我们可以看到：
　　图中绿色是上海超导，图中红色是SuperPower，从整体指标上来看，已经比较接近，SuperPower只是领先一个身位。
　　当然，我们可以理解MIT本周才宣布高温超导磁体的研制成功，所以采购全球不同厂家的技术进行预研，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，即便是我们落后半个身位，一方面在同美国的合作中获得更多的应用端的资料，另一方面也可以获得更多的和国外先进产品进行技术对比的直接数据，这对于作为追赶者的我们，是非常有价值的事情！
　　结语
　　上海超导科技股份有限公司成立于2011年，注册资金5.17亿元人民币，总部坐落于上海市张江高科技园区。公司集研发、设计、销售为一体，10年来，上海超导凭借研发能力和成熟的技术，始终致力于高温超导带材、应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！
　　也是中国基础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基础研究方面，中国也一直是领跑者。最著名的便是我们的第三代铁基超导体研究。这项研究曾经获得中国2013年国家自然科学一等奖。
　　中国铁基超导体研究全球领先
　　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。
　　是危机，也是机会。中国刚刚亮剑，鹿死谁手，尚未分晓。
　　我们下次见！
　　注：本文所引来源于网络公开资料，如有误解或解读错误，敬请指正。
　　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