谁卡住了美国核聚变公司的脖子？是这家俄罗斯高温超导公司（托卡实验室元素）

编者按：2021年9月8日，由麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(PSFC)及其孵化企业CFS设计并制造的大口径、全尺寸高温超导磁体，展示了一个破纪录的20特斯拉磁场。随着这块世界上最强的聚变磁铁的诞生，一家俄罗斯高温超导初创企业浮出水面。这又是一个怎样的故事呢？

麻省理工学院研制成功核聚变高温超导D型磁铁

大事记

2019年：麻省理工学院等离子体与聚变中心主任丹尼斯怀特教授发表第二代高温超导用于小型托卡马克的论证论文

2020年9月：等离子体物理杂志(JPP)特刊发表了麻省理工学院6篇关于第二代高温超导用于小型托卡马克的全面研究论文，宣告了核聚变研究的新方向。

2020年10月：麻省理工学院教授Zach Hartwig发表论文“Viper：一种工业上可伸缩的高电流高温超导体电缆”，宣告研制成功可用于小型托卡马卡装置的高温超导电缆。

2021年1月：俄罗斯莫斯科初创公司SuperOX宣布为麻省理工学院成功量产高温超导电缆原料REBCO磁铁带。

2021年9月：麻省理工学院宣布研制成功小型托卡马克核聚变装置的D型磁铁。

麻省理工学院在JPP特刊发表6篇小型托卡马克SPARC的论文

第一章美国麻省理工学院发明小型核聚变超导磁铁专用的超导电缆

麻省理工学院2021年9月8日报道，这块全世界最强的高温超导聚变磁铁，峰值场为20特斯拉，比传统的磁共振成像强12倍，比地球磁场强40万倍，重量是9265公斤，用了267公里的REBCO磁带。

麻省理工学院官方报道

我在2020年10月麻省理工学院教授Zach Hartwig发表论文“Viper：一种工业上可伸缩的高电流高温超导体电缆”，看到了核聚变超导磁铁所用电缆的结构和制造方案。

麻省理工学院教授Zach Hartwig

文中如此描述性的超导电缆的设计故事：

高温超导体有望为风力发电机、直流电力电缆、粒子加速器和聚变能源设备等高功率应用带来革命性的变革。实用的高温超导电缆在严重的机械、电气和热条件下不得降解；具有简单、低电阻和可制造的电气接头；高热稳定性；以及快速检测热失控淬火事件。
麻省理工学院设计和制造的是符合真空压力浸渍，绝缘，部分转置，挤压，和辊成型(VIPER)多工艺要求的电缆。在极端的机电力水平下，VIPER电缆的临界电流稳定在数千个机械周期，多次低温热循环，以及数十个类似淬火的瞬态事件。VIPER电缆之间的电气接头简单，坚固，可拆卸。两种独立的、集成的光纤猝灭检测器的性能优于标准的猝灭检测方法.

麻省理工学院基于REBCO磁带制造的超导电缆

我们可以看到高温超导磁带HTS是通过堆叠成4个堆垛，在圆形的铜缆中拆绕成型。其中央是空心通道，可以携带低温冷却剂。这种芯是用连续挤压法制造的，这种方法价格低廉，一致性好，可扩展到几百米，具有严格的公差。挤压和高温超导堆被扭曲以：(1)消除高温超导在制造过程中的应变积累，特别是当电缆弯曲成线圈时；(2)通过部分移位高温超导带来减少运行过程中的瞬态热产生机制，从而在改变磁场条件下破坏高温超导堆中的磁通链。

因此麻省理工学院的小型核聚变超导磁铁工艺的核心材料，便是高温超导磁带，也就是我们此前多次聊过的REBCO（一种以稀土钡铜氧材料制造的磁带）。

第二章美国麻省理工学院的小型核聚变超导磁铁，为何需要俄罗斯初创企业的技术？

我此前介绍过美国的初创企业SuperPower的第二代高温超导磁带REBCO技术，并且介绍了由中国学者从SuperPower带到国内并开始商业化的上海超导，都曾经给麻省理工学院提供REBCO超导磁带。

麻省理工学院超导磁铁合作单位及目标

在麻省理工学院的一份资料里，我看到麻省理工的确和世界上的7家REBCO材料供应商有合作，并且测试了他们的产品，其中包括：美国SuperPower,韩国SuNAM,中国上海超导，俄罗斯SuperOX,美国AMSC，休斯敦大学等。

麻省理工学院超导磁铁合作单位包括中国上海超导

我在多篇资料中卡看到如下这张图：SuperOX的超导磁带遥遥领先于其他几个厂家。

美国实验室对全球各个厂家的超导磁带REBCO测试结果

我在2021年SuperOX和MIT共同发表的一篇论文中“用于聚变的极高电流密度 YBa2Cu3O7超导线的开发和大批量生产”，了解到，这是一家位于俄罗斯莫斯科的公司，

2021年SuperOX发表核聚变用超导线的量产

SuperOX已经为麻省理工学院实现9个月生产300公里REBCO磁带的订单。从而保证了麻省理工学院D型磁铁的如期成功。

第三章 SuperOX是谁？

SuperOX成立于2006年，由Andrey Vavlilov创立，技术起源于莫斯科大学化学系。目前有50名专业技术人员。

SuperOX主页

SuperOX莫斯科总部

SuperOX是最早从事REBCO磁带商业化的公司之一，总部位于莫斯科。2011年在日本东京成立分公司，并于2013年开始销售REBCO磁带。

SuperOX的长期商业化路程

我们从SuperOX的技术演化路线看，其早期采用的部分未成熟工艺被淘汰，部分工艺仍在研发中，而使用到目前产线的是已经成熟的工艺。多路线的技术研发规划，常常是原创者的标志，也是原创者的价值。

SuperOX前期的技术演化路线

2014年，SuperOX的REBCO磁带产能就已经达到9个月20千米。6年之后，在麻省理工学院的小型核聚变研究的催动之下，产能达到9个月300千米。当然，这不单单是产能的提升，也包含性能参数和可靠性的全面提升。

2014年SuperOX的产能

从这些资料来看，SuperOX是超导REBCO磁带行业深耕多年、实力雄厚的原创公司。

第四章 SuperOX：令人惊叹的顶级创新能力

在SuperOX的资料中，我看到SuperOX参与欧盟的先进超导发动机研制的项目，并且为空客提供超导发动机的超导磁铁原料--这是一个包括了Rolls-Royce、OSWALS、Cambrige、KIT等欧盟最顶尖的发动机研发机构的项目。

SuperOX参与欧盟超导发动机项目

这是一条300千米的超导磁带缓冲层生产线。

SuperOX生产线

这是一条50-60千米超导材料物理沉积生产线。

SuperOX生产线

这是SuperOX日本工厂100-120千米的超导材料物理沉积生产线。

SuperOX在日本的工厂生产线

第五章 SuperOX在核聚变超导磁带上的创新和实践

SuperOX在论文中指出，其核心技术参数超越了麻省理工学院的设定指标，并使得麻省理工学院大幅提升了其核聚变D型磁铁的设计指标：

1. SuperOX在商用电线中建立了创纪录的工程载流密度，在20K、20T时超过1000 A/mm2；并且在4.2K、20T时超过2000 A/mm2。
2. 这些值超过了麻省理工学院最初的目标：在 20K、20T时用于聚变磁体的700 A/ mm2；在 4.2K、20T时用于加速器磁体 1000 A/mm2。
3. 尤其重要的是，SuperOX不是在精选的冠军样品中获得的数据，而是在数百公里的常规生产线材中获得了这些极高的值。

SuperOX在9个月内，制造了超过 300 公里的 4 毫米宽 REBCO超导磁带，并将其中大部分交付给麻省理工学院。这是REBCO超导磁带行业历史上完成的最大订单。

值得一提的是，SuperOX在莫斯科和日本分公司的两条生产线生产的REBCO磁带的性能一致性非常高。

SuperOX的REBCO超导磁带生产线

SuperOX介绍了为麻省理工学院开发适用于大批量、低成本制造的高现场性能REBCO超导磁带的核心概念：

1. 选择钇（Y）作为稀土元素，替代REBCO超导磁带行业常用的钆（Gd）或铕（Eu）。选择钇的因为之一它的离子半径小，这导致超导 CuO2平面中更高的电荷载流子（空穴）密度。
2. 采用均匀分布的 Y2O3纳米粒子，YBCO原生，从而保持成分和微观结构简单，以促进可重复制造。
3. 与 Gd 和 Eu相比，Y具有的非常低的中子截面，这对于聚变反应堆中的应用尤为重要。
4. 使用薄基板并沉积厚YBCO薄膜，以进一步增加工程电流密度。