俄罗斯科学家测试出用于核聚变的破纪录高温超导线材

发布日期：2026-02-06 03:34    点击次数：160

在零下196摄氏度的液氮中，一根5米长的超导线材通过了65千安电流的考验。这听起来像是实验室里的常规测试，但对于俄罗斯国家原子能公司旗下的NIIEFA研究所来说，这标志着一个重要突破：他们成功测试了用于托卡马克反应堆的高温超导线材，性能参数达到了前所未有的水平。

这根线材由240条钇钡铜氧化物超导薄带组成，嵌入铜稳定基体，外包不锈钢壳，设计在18特斯拉磁场中工作。超导系统研究部门负责人安德烈·梅德尼科夫表示，这样的性能参数在之前的装置中从未实现过。

更引人注目的是线材的尺寸。NIIEFA为TRT托卡马克反应堆开发的超导线尺寸为26×26毫米，不到国际热核聚变实验堆ITER所用54×54毫米线材的一半。但这根更小的线材能够在高达20特斯拉的磁场中承载80千安电流，而ITER的线材工作磁场强度为8至13特斯拉，载流能力为48至68千安。用一半的体积实现双倍的磁场强度，这种性能飞跃源于材料技术的根本性变革。

从低温到高温超导的跨越

核聚变反应需要极强的磁场来约束上亿度的等离子体。传统托卡马克装置如ITER使用的是铌钛和铌锡超导线材，它们必须在4.5开尔文的极低温下工作，这相当于零下268.65摄氏度，仅比绝对零度高几度。维持这样的温度需要昂贵复杂的液氦制冷系统。

俄罗斯TRT项目选择了不同的技术路线：采用钇钡铜氧化物高温超导薄带。所谓"高温"是相对的，这种材料在5至20开尔文之间仍能保持超导特性，对应零下268至零下253摄氏度。虽然听起来依然寒冷刺骨，但这意味着可以使用液氢或氦气制冷，大大降低了系统复杂度。更重要的是，高温超导材料在强磁场下的性能远超传统超导体，这就是为什么更小的线材能产生更强磁场的关键。

测试过程采用了一个巧妙的策略。NIIEFA的工程师使用液氮将样品冷却至零下196摄氏度，这个温度虽然没有达到工作状态，但足以让线材进入超导态。在这个温度下进行测试，成本远低于使用液氦，而且能够快速验证设计。一旦线材通过液氮温度下的测试，就有信心在更低温度下达到设计性能。这种分阶段验证方法显著缩短了研发周期。

JSC NIIEFA 的专家利用反应堆技术，成功测试了用于托卡马克电磁系统的超导线。 NIIEFA/Telegram

这根5米长的测试线材内部包含了精心设计的制冷剂通道，未来在实际运行中将泵送温度介于5至20开尔文之间的冷却剂。测试台上的仪器持续监测线材在负载下的各项参数，确认它能在承受巨大电流的同时保持超导特性。NIIEFA在其Telegram频道上骄傲地宣布，这是俄罗斯首次制造并成功测试用于托卡马克电磁系统的全尺寸超导线材。

从实验室到反应堆的路线图

TRT托卡马克反应堆将建在莫斯科郊外的特罗伊茨克创新与热核研究所TRINITI，利用原TSP强场托卡马克装置的场地。这个设施不仅是一个研究平台，更是未来聚变电站的全尺寸原型。它将用于研究等离子体行为，测试氚增殖和处理技术，为俄罗斯的聚变能源发展提供关键数据。

项目的时间表紧凑而清晰。2026年，NIIEFA计划制造并测试两根长度超过60米的超导线材。2027年将是关键节点，届时将制作中央螺线管线圈的实物模型。这个直径一米的线圈由两层共40匝导线组成，总长度将达到数百米。一旦这个模型通过验证，就将为反应堆所需的数公里线材生产铺平道路。

中央螺线管是托卡马克的核心部件之一，它产生的脉冲磁场用于在环形真空室内诱导等离子体电流。这个线圈必须承受极大的电磁应力和热应力，同时保持稳定的超导性能。使用高温超导材料制造中央螺线管，可以在更紧凑的空间内产生更强的磁场，提高等离子体约束效率。

与国际项目相比，TRT的技术路线体现了后发优势。ITER项目启动于1985年，采用的是当时最成熟的低温超导技术。而TRT则充分利用了近年来高温超导材料制备工艺的进步，选择了更先进但也更具挑战性的技术方案。这种选择背后是对材料科学进步的信心，以及对未来聚变电站经济性的考量。

值得注意的是，全球多个聚变项目都在探索高温超导技术的应用。美国的Commonwealth Fusion Systems、英国的Tokamak Energy等私营企业正在建造采用高温超导磁体的紧凑型托卡马克。这些项目与TRT形成了某种竞赛，目标都是在2030年前后实现聚变能源的工程验证。俄罗斯此次测试的成功，表明他们在这场竞赛中保持着竞争力。

超导技术的进步正在重新定义聚变反应堆的可能性。更强的磁场意味着可以用更小的装置实现同样的等离子体约束，更紧凑的设计则降低了建造成本。从NIIEFA实验室里那根5米长的测试线材，到未来可能点亮城市的聚变电站，这条路还很长，但每一个技术突破都在缩短这段距离。