超导是什么？
根据导电性的不同，日常材料可分为绝缘体、半导体和导体。但是有一种特殊的导体，当处于“超导状态”时，我们将其称为“超导体”，而“超导状态”描述的是某些材料在特定低温条件下，电阻降至零并同时展现出完全抗磁性的状态，即超导体必须同时具备零电阻效应和迈斯纳效应。
什么是超导体的“零电阻效应”
1911年，超导现象由荷兰物理学家海克·卡梅林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现，他成功制备了纯度极高的汞，并将其冷却至接近绝对零度（-273.15℃），当他对汞的电阻进行测量时，他惊奇地发现在温度降至4.2K（-268.95℃）以下时汞的电阻竟突然消失，呈现出几乎完美的导电性能。他将这种现象命名为“超导”（superconductivity），因为这次革命性的发现，他获得了1913年的诺贝尔物理学奖，
荷兰物理学家海克·卡梅林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）
什么是超导体的“迈斯纳效应”
1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。人们将这种超导体从一般状态变至超导状态过程中对磁场的排斥现象称为“迈斯纳效应”（Meissner Effect）。
迈斯纳效应的示意图。在低于临界温度时，由箭嘴代表的磁场线会被超导体所排斥
高温超导
超导材料广泛存在于金属/非金属单质、合金、金属间化合物、过渡金属氧化物、硫化物、硒化物，以及部分有机导体、石墨烯、C60结构材料等等。目前发现的超导材料已达数万种以上，绝大部分已发现的超导体的临界温度都低于40 K （K代表绝对温标开尔文），这意味着它们通常需要在比液氮的沸点（77 K）更低的温度下才能表现出超导性质，因此，这些超导体在实际应用中往往需要使用液氦作为冷却剂。
为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程。1987年，来自台湾的美国物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）被突破了。2019年，美德两国科学家组成的研究小组证实，高压下（至少150GPa，也就是约150万标准大气压）的氢化镧在250K（约为-23℃）下中具有超导性，这是迄今为止超导材料中已证实的最高临界温度。
高温超导材料的发现是超导研究领域的一个重大突破，因为它们可以在更高、更经济的温度下工作，从而拓宽了超导技术的应用范围。
超导技术在托卡马克中的应用
为什么要把超导技术引入托卡马克
磁体是托卡马克装置的主体工程，早期托卡马克的磁体体积很大，一个重要原因是当时的磁体线圈都是铜制的。为了保证足够大的电流和磁场强度，就必须缠得特别粗，而且大部分能量都被转化成热能浪费掉了，长时间运行甚至会烧毁线圈。
为了降低磁体的功耗，维持长时间稳态运行，科学家将超导技术引入到了托卡马克线圈上，将铜制线圈替换为电阻几乎为0的超导线圈。导体没有了电阻，电流流经超导线圈时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。
早期超导托卡马克
最初的超导托卡马克都只是在极向磁场线圈部分运用了超导。苏联于1979年建造的T-7是世界首个超导托卡马克装置，其纵场磁体系统由48 个超导线圈组成，它在工程上验证了超导磁体能够在托卡马克上实现连续稳态运行。
T-7也是后来的中国首个超导托卡马克 HT-7 前身，HT-7拥有24 个线圈组成的超导纵场磁体系统并安装了真空室主动水冷内衬，是一个可产生长脉冲高温等离子体的中型托卡马克研究装置。
然而，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。
HT-7 装置主机，橘红色部分为超导纵场磁体系统
全超导托卡马克
2006年，世界上首个全超导非圆截面托卡马克实验装置EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)在中国成功建成，开启了磁约束聚变应用超导技术的全新探索之路。EAST的结构原理和常规托卡马克相同，但超导磁体技术是我们通常认为EAST区别于常规托卡马克的最关键技术。
EAST 实验系统由装置主机和辅助系统组成，中间是一个高 11 m、直径 8 m 的圆柱形主机，主机部分由一个直径约 5 m 的环形内真空室、超导磁体、内外冷屏和杜瓦组成，主机周围则布满了各辅助加热、真空抽气、低温分配、物理诊断等系统[6]。EAST超导磁体系统包括：16 个 D 形纵场超导磁体、6 个中心螺管超导磁体和 8 个极向场超导磁体，超导磁体系统的储能超过 300 MJ[7] ，其中纵场超导磁体产生的环向磁场与等离子体电流产生极向磁场叠加，最终形成螺旋磁场，从而对等离子体起到约束作用；中心螺管和极向场超导磁体用以击穿、加热、成形与控制等离子体。
EAST 超导磁体系统
全高温超导托卡马克
无论是EAST还是KSTAR，它们所使用的超导材料（铌钛和铌锡超导合金）都属于低温超导材料。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。
洪荒70作为全球首台全高温超导托卡马克装置，其关键系统为磁体系统，主要包括环向场（TF）线圈、极向场（PF）线圈和中心螺线管（CS）线圈，均采用高温超导材料，其中磁体系统共由26个高温超导磁体构成12个环向场（TF）磁体、6个极向场（PF）磁体和8个中心螺线管（CS）磁体，中心场强达到0.6特斯拉，大半径0.75米。
“洪荒70”成功放电
作为全球聚变能源研发的焦点，高温超导托卡马克的研发已成为吸引全球市场化资金最多的方向之一。中国的这一成就不仅提升了其在国际舞台上的科技地位，也为全球能源的可持续发展提供了新的动力。
参考链接：
- http://www.hmfl.cas.cn/kxcb/zsbk/202101/t20210116_618044.html
- https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%88%E6%96%AF%E7%BA%B3%E6%95%88%E5%BA%94/1071368
- https://baike.baidu.com/item/%E8%B6%85%E5%AF%BC/433497
- https://baike.baidu.com/item/%E9%AB%98%E6%B8%A9%E8%B6%85%E5%AF%BC/10701721
- https://www.cas.cn/kj/201905/t20190524_4693079.shtml https://www.energychina.press/cn/article/doi/10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2022.04.014
- https://www.startorus.cn/fusion-industry/109.html
- https://new.qq.com/rain/a/20240620A09G2100