可控核聚變專題分析：商業(yè)化加速，能源發(fā)展有望迎來新突破可控核聚變優(yōu)勢顯著，能源發(fā)展有望迎來新突破核聚變，即輕原子核結(jié)合成較重原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損并釋放巨大能量的過程。核聚變發(fā)電技術(shù)作為一種清潔能源，具有能量密度高、功率大、原料來源廣泛和安全性較裂變發(fā)電更高等優(yōu)勢，因此被廣泛認為是能源問題的最終答案，得到世界各國的重點關(guān)注和持續(xù)研究。氘-氚聚變實現(xiàn)難度相對最低，能量密度遠超現(xiàn)有能源形式能量密度遠超現(xiàn)有能源形式，但能量轉(zhuǎn)化效率或偏低。2克的氘和3克的氚可以產(chǎn)生約1.68萬億焦耳的能量，換算成電力單位即46.7萬kWh，約等效于73噸5500大卡煤炭燃燒或20克鈾235裂變產(chǎn)生的能量。不過，目前核能利用裝置為了兼顧經(jīng)濟性和安全性，反應(yīng)堆內(nèi)的壓力和溫度一般較低，能量轉(zhuǎn)化效率因此偏低。裂變堆核電機組的熱效率一般僅有30%左右，低于燃煤機組。核聚變領(lǐng)域有兩個重要的技術(shù)指標，一個是能量增益因子Q，指的是聚變反應(yīng)中輸出能量和輸入能量之比，一般認為商業(yè)聚變堆至少需要Q值達到10。由于核聚變的點火、維持強磁場和冷卻磁線圈等過程都需要大量的能量輸入，目前大部分實驗的能量增益因子均小于1，磁約束聚變的記錄是歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）裝置的0.67，此外日本的JT-60U的氘氘聚變實現(xiàn)了1.25的等效增益。美國國家點火裝置（NIF）分別于2022年12月和2023年8月的兩次點火實現(xiàn)了Q>1，即能量凈輸出，但由于慣性約束聚變與磁約束的能量平衡和系統(tǒng)運行方式不同，其公開的Q值與傳統(tǒng)定義有一定區(qū)別。另一個指標是用于判斷點火的聚變?nèi)朔e，根據(jù)勞森判據(jù)，當?shù)入x子體溫度、等離子體密度和約束時間這三個參數(shù)達到一定條件時，核聚變反應(yīng)的能量產(chǎn)出率將大于能量損耗率，并且有足夠能量使核聚變反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)，也就代表核聚變成功點火，一般將這三個參數(shù)的乘積作為判定聚變點火的指標。原料來源相對廣泛，安全性優(yōu)于裂變堆第一代聚變?nèi)剂习碗皟煞N氫元素同位素，第二代聚變?nèi)剂线€需要氦3。氘儲量豐富，提取技術(shù)成熟。氘在地球上的豐度為0.016%，大多以重水形式存在，海水中氘的濃度大約為30mg/L，地球海洋中的氘含量可能超過40萬億噸。相關(guān)報價顯示，每千克重水價格在數(shù)千到一萬元以上。氚增殖技術(shù)有待進一步突破。氚在地球上含量較少，且半衰期僅12.4年，因此聚變所使用的氚都是人工制備的。除裂變堆重水中可能含有少量氚外，主要通過熱中子轟擊鋰6，使其裂變成氚和氦4原子來獲取。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局的數(shù)據(jù)，目前全球已探明的鋰資源量8900萬噸，鋰資源儲量2200萬噸，其中鋰6的豐度約為7.5%。但目前氚的增殖技術(shù)依然有待突破，現(xiàn)有唯一的商業(yè)來源19座加拿大CANDU反應(yīng)堆，每座反應(yīng)堆每年可生產(chǎn)0.5kg氚，價格可達3萬美元/克。而按30%效率計算，聚變堆每生產(chǎn)1億kWh電力就需要消耗約2.1kg氚。除此之外，氘氚聚變產(chǎn)生的中子會攜帶大量能量，需要通過氚增殖吸收這部分能量以維持聚變的能量平衡。因此，如何船的增殖技術(shù)仍是聚變商業(yè)化需要解決的關(guān)鍵問題之一。月球土壤氦3含量遠超地球，或可超前開展第二代聚變技術(shù)研究。據(jù)相關(guān)探測結(jié)果，月球上的氦3儲量或超過一百萬噸，遠超地球儲量。2022年9月，我國科學家已首次成功獲得嫦娥五號月壤中氦3含量及其最優(yōu)提取參數(shù)。雖然第二代聚變的難度較大，但理論上仍有實現(xiàn)的可能性。在未來，或可通過提取月壤中的氦3為地球提供燃料，甚至直接為月球基地提供能源。得益于極高的能量密度，氘氚聚變度電燃料成本相對較低。我們對氘氚聚變的燃料成本進行測算，假設(shè)重水價格為10000元/kg，電解產(chǎn)生氘氣的用電成本忽略不計，則氘的單價約為5萬元/kg。氚則完全由鋰6轉(zhuǎn)換。上海鋼聯(lián)2023年8月11日數(shù)據(jù)顯示，電池級碳酸鋰報價24.55萬元/噸，按照鋰6豐度為7.5%的相對比例估算鋰6元素價格約為1600萬元/噸。1個鋰6原子可以產(chǎn)生1個氚原子，假設(shè)轉(zhuǎn)換率80%，由于氚增殖技術(shù)難度較大，假設(shè)氚的價格為理論計算的5倍，則氚的價格約為20萬元/kg。假設(shè)聚變機組的發(fā)電效率約為30%。測算得氘氚聚變的燃料成本約為0.0050元/kWh。氘氚聚變?nèi)剂铣杀倦S燃料單價的敏感性分析如上表所示，氚的單價在原始值的基礎(chǔ)上提高5萬元/kg，度電燃料成本較原始估值提升21.43%；氘的單價在原始值的基礎(chǔ)上提高1萬元/kg，度電燃料成本較原始估值提升2.86%。聚變安全性高，無熔毀風險。由于聚變對工作環(huán)境的要求非常苛刻和敏感，要求上億度高溫和極高的壓強；且聚變堆內(nèi)部只含有少量燃料，依賴燃料的連續(xù)輸入。因此聚變是一種“自限過程”，不會發(fā)生類似裂變堆的堆芯熔毀的事故，當環(huán)境變化、燃料停止供應(yīng)或無法控制反應(yīng)時聚變會迅速停止。產(chǎn)物放射性相對可控，不產(chǎn)生放射性乏燃料。氘-氚聚變的產(chǎn)物包括氦和中子，其中，中子的速度較高，可以轟擊裝置壁面內(nèi)襯的鋰6（一種鋰同位素）產(chǎn)生氚和氦并釋放大量能量，生成的氚可以繼續(xù)維持聚變反應(yīng)。雖然中子具有放射傳染性，氚也有一定的放射性危害，但相對可控，并不會像核裂變一樣產(chǎn)生包含高壽命、強衰變放射性的乏燃料，因此一般認為核聚變是一種清潔能源。約束方式主要分為磁約束和慣性約束，托卡馬克裝置成熟度最高由于核聚變要求上億度的高溫，目前沒有任何材料可以承載聚變反應(yīng)，因此只能采用特殊的方法來約束和控制。目前主要有三種約束方式：磁約束、慣性約束和重力約束。磁約束是指用磁場約束等離子體的運動，從而實現(xiàn)核聚變的方式。在聚變的超高溫環(huán)境下，所有燃料會電離并形成帶電的等離子體，通過使用封閉磁場形成的“磁籠”或“磁陷阱”來約束等離子體，使其與容器的器壁隔開，并通過電磁加熱等離子體。當?shù)入x子體被加熱到一定程度時，電阻會快速下降，此時再通過注入高能中性粒子束等方式進一步加熱等離子體至滿足點火條件，從而發(fā)生聚變。磁約束的裝置主要包括箍縮、磁鏡、托卡馬克和仿星器等，其中環(huán)形托卡馬克被普遍認為是最有希望實現(xiàn)可控核聚變的裝置，也是目前主流的研究方向。環(huán)形托卡馬克被認為是最有可能實現(xiàn)可控核聚變的裝置。環(huán)形托卡馬克裝置（又稱環(huán)流器），是一個環(huán)形真空室，環(huán)形中心是一個鐵芯變壓器，通過變壓器初級線圈電流的變化產(chǎn)生磁場，從而在環(huán)形真空室內(nèi)形成等離子體電流并加熱等離子體。真空室外有不同方向的線圈，分別產(chǎn)生環(huán)向和縱向的磁場，真空室內(nèi)形成的環(huán)形等離子體電流則會提供極向磁場，最終形成環(huán)形螺旋狀磁場，將等離子體約束在真空室中心。等離子體電流強度是托卡馬克裝置重要參數(shù)。根據(jù)聚變?nèi)朔e，托卡馬克要實現(xiàn)點火和穩(wěn)定運行，等離子體電流必須超過一定水平，此外聚變堆的聚變功率還與等離子體電流的平方成正比，因此等離子體電流也是重要的托卡馬克裝置技術(shù)指標。一般認為托卡馬克要實現(xiàn)穩(wěn)定運行，等離子體電流必須超過1兆安培。目前，我國東方超環(huán)（EAST）、環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）均已成功突破1兆安培目標。各種聚變路線中，環(huán)形托卡馬克技術(shù)成熟度最高。目前，由多國合力建設(shè)的國際熱核聚變實驗堆（ITER）、我國EAST、HL-2M和中國核聚變工程試驗堆（CFETR）等裝置均采用環(huán)形托卡馬克路線。其中，EAST已實現(xiàn)1兆安等離子體電流、1億度等離子體溫度和1000秒等離子體約束時間三大目標，并于2023年4月12日實現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行。等離子體控制仍有待突破，依賴超導(dǎo)技術(shù)突破提高磁場性能。托卡馬克發(fā)展的主要難點在于提高等離子體的參數(shù)和等離子體的控制，避免出現(xiàn)等離子體電流破裂等現(xiàn)象，需要持續(xù)的外加強磁場約束。常規(guī)磁線圈在產(chǎn)生磁場的同時也會產(chǎn)生電流熱，需要持續(xù)冷卻和間斷運行以防過熱，而超導(dǎo)線圈則不會產(chǎn)生電流熱，因此可以極大提升等離子體的約束時間。球形托卡馬克（簡稱球馬克）是一種規(guī)模更小，成本更低的托卡馬克裝置，也是可控核聚變領(lǐng)域民營企業(yè)的主流選擇。相比于環(huán)形托卡馬克，球馬克的真空室具有球形拓撲結(jié)構(gòu)而非環(huán)形。此外，球馬克也沒有環(huán)向場線圈，因此球馬克設(shè)計了一種同軸螺旋注入的電流驅(qū)動方式來約束等離子體。然而，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室球馬克物理實驗（SSPX）的研究結(jié)果表明，這種同軸螺旋注入不能維持良好的能量約束，導(dǎo)致球馬克的聚變?nèi)胤e無法達到更高要求。因此，目前的球馬克裝置主要以研究基礎(chǔ)物理現(xiàn)象為主。目前世界上已有多個球馬克裝置簡稱并展開相關(guān)研究。英國托卡馬克能源公司的ST40球馬克加熱溫度達到1億度；我國新奧集團“玄龍-50”于19年在河北廊坊建成并實現(xiàn)第一次等離子體放電，建設(shè)周期僅10個月；清華大學設(shè)計、星環(huán)聚能和清華大學聯(lián)合建設(shè)的球馬克裝置SUNIST-2于2023年7月建成并開展首輪運行，獲得了100千安培等離子體電流。SUNIST-2設(shè)計參數(shù)為大半徑0.53米，小半徑0.33米，磁場強度1.0特斯拉，等離子體電流0.5兆安培。仿星器穩(wěn)定性更佳，有望小型化。仿星器與托卡馬克的主要區(qū)別是仿星器內(nèi)部不產(chǎn)生等離子體電流，極向磁場由外部線圈提供，通過設(shè)計復(fù)雜的三維磁場來實現(xiàn)閉合、扭曲的環(huán)狀磁籠，從而實現(xiàn)對等離子體的磁約束。仿星器整體呈扭曲環(huán)狀，截面不規(guī)則，環(huán)向場線圈形狀和排列更復(fù)雜，等離子體被引導(dǎo)為極向運動而不形成環(huán)向電流，因此仿星器不存在等離子體電流“破裂”的風險，運行更加穩(wěn)定，同時有望縮小反應(yīng)堆的規(guī)模。仿星器仍存在新古典運輸?shù)葐栴}，成熟程度不及托卡馬克。仿星器對等離子體的約束性能相比托卡馬克較差，因此仿星器的縱橫比較大，同等條件下等離子體有效體積小于托卡馬克。由于等離子體不形成環(huán)向電流，粒子之間的碰撞可能導(dǎo)致等離子體向外擴散和泄漏的“新古典運輸”現(xiàn)象，仿星器需要通過磁場設(shè)計來減少新古典運輸現(xiàn)象的影響，因此磁場三維設(shè)計更加困難，磁線圈形狀和位置也更加復(fù)雜，制造和安裝難度更高。目前世界上仿星器的實驗裝置較少，最具代表性的是德國文德爾施泰因7-X（W7-X）仿星器。2023年5月，我國西南交通大學與日本國家核融合科學研究所共同設(shè)計和建造的準環(huán)對稱仿星器在四川啟動建設(shè)。慣性約束是指利用粒子的慣性約束粒子的運動，從而實現(xiàn)核聚變的方式。慣性聚變中，氘氚燃料被制成靶丸，以高能激光或粒子束作為驅(qū)動源，脈沖式地作用于靶丸外殼表面，使其向外氣化，形成高溫高壓的等離子體并產(chǎn)生向內(nèi)的反沖壓力，從而將靶丸內(nèi)的氘氚燃料壓縮至滿足點火條件的高溫高壓狀態(tài)。慣性約束聚變連續(xù)性仍有待解決，尚無法應(yīng)用于能源領(lǐng)域。目前，美國國家點火裝置（NIF）是最具代表性的慣性約束聚變裝置，2023年8月6日，美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家第二次完成點火，能量增益因子Q達到1.53，產(chǎn)生了3.15MJ能量。事實上，該Q值的計算方式與傳統(tǒng)定義有較大差異，若考慮整個過程，則能量增益因子低于0.01。此外，慣性約束聚變的燃料以靶丸形式投放，而單個靶丸的聚變過程持續(xù)時間不到0.0001秒，無法實現(xiàn)連續(xù)運行。重力約束一般是指恒星核聚變的方式。恒星的巨大質(zhì)量產(chǎn)生強大引力，約束核燃料并形成極端高溫高壓的環(huán)境，從而發(fā)生核聚變。目前以人類目前的理論研究和技術(shù)能力尚無法建立引力場來實現(xiàn)重力約束，且太陽內(nèi)部的重力約束聚變功率極低，一定功率條件下，燃料聚變所需要的體積過于龐大。因此目前沒有重力約束的實驗裝置。世界各國持續(xù)推進，我國兩大聚變試驗堆取得多項成果ITER計劃領(lǐng)航，世界各國加快推進可控核聚變研究。聚變堆的研制可以分為四個階段：基礎(chǔ)研究、試驗堆、示范堆和商用堆。目前世界上最具代表性的可控核聚變試驗堆是國際熱核聚變實驗堆（ITER），建成后將為示范堆和商用堆的設(shè)計提供技術(shù)支持。ITER的建設(shè)場址為法國卡達拉舍；2006年，歐、日、俄、中、美、韓、印七方在布魯塞爾簽署合作建造ITER的政府間協(xié)議啟動實施ITER計劃。ITER高29米，直徑28米，重2300噸，最初預(yù)計2016年投入實驗，預(yù)計總投資為50億歐元，但截至目前，ITER的建設(shè)工作尚未完成，預(yù)計2029年可完成，公開預(yù)算也提高到了200億歐元。ITER的主要科學目標是通過感應(yīng)驅(qū)動獲得聚變功率500MW、Q大于10、脈沖時間500秒的燃燒等離子體；使用非感應(yīng)驅(qū)動產(chǎn)生聚變功率大于350MW、Q大于5、燃燒時間持續(xù)3000s的等離子體。中國在ITER項目中負責18個采購包的實物貢獻，約占9%，包括磁體支撐、校正場線圈、饋線接口、環(huán)向場導(dǎo)體、極向場導(dǎo)體、校正場線圈和饋線導(dǎo)體、第一壁、屏蔽包層、氣體注入、輝光放電清洗系統(tǒng)、診斷（赤道面7號和其余中子通量監(jiān)測器、朗繆爾探針、徑向X射線相機、赤道面12號窗口集成）和脈沖高壓變電站、極向場變流器電源系統(tǒng)、無功補償和濾波系統(tǒng)。在參與ITER計劃之外，各國也進行了獨立的研究，具有代表性的可控核聚變研究裝置包括中國EAST和HL-2M、美國TFTR和NIF、德國W7-X、歐洲JET、日本JT-60U等，世界范圍內(nèi)聚變試驗裝置超過100臺。核能利用“三步走”，兩大主力試驗堆推進聚變【加速落地】。我國制定了熱堆-快堆-聚變堆的核能三步走戰(zhàn)略，并對磁約束聚變制定了近期、中期和遠期技術(shù)目標，分別為：近期目標（2015-2021年）：建立近堆芯級穩(wěn)態(tài)等離子體實驗平臺，吸收消化、發(fā)展與儲備聚變工程試驗堆關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計、預(yù)研聚變工程試驗堆關(guān)鍵部件等；中期目標（2031-2035年）：建設(shè)、運行聚變工程試驗堆，開展穩(wěn)態(tài)、高效、安全聚變堆科學研究；遠期目標（2035-2050年）：發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟性。1965年，中國核工業(yè)集團公司西南物理研究院（簡稱“西物院”）于四川樂山成立，是我國最早從事核聚變能源開發(fā)的專業(yè)研究院；1984年9月，我國第一臺中型聚變裝置中國換流器一號建成。目前我國多個可控核聚變實驗裝置，其中最有代表性的試驗堆是環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）和東方超環(huán)（EAST）。2009年，國家原子能機構(gòu)批復(fù)HL-2M立項，西物院自主設(shè)計建造。2020年12月4日，HL-2M在成都建成并首次放電，成為我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變實驗研究裝置，設(shè)計等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，設(shè)計等離子體離子溫度達1.5億攝氏度。2022年10月20日，HL-2M等離子體電流突破100萬安培。EAST是中科院等離子體所自主設(shè)計和研制的核聚變實驗裝置，也是世界上首個非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克。EAST規(guī)模較小，主機高11米，直徑8米，重達400噸。EAST于2007年3月通過國家驗收，后于2021年5月完成升級改造。EAST已先后實現(xiàn)1兆安、1億度和1000秒三大科學目標，并于2023年4月12日，EAST實現(xiàn)了403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運行。中國聚變工程試驗堆（CFETR）是我國自主研制并聯(lián)合國際合作的重大科學工程，于2017年12月5日在合肥正式啟動工程設(shè)計，計劃2035年建成工程實驗堆。與作為科學實驗堆的ITER不同，CFETR是工程實驗堆，將直接為DEMO示范堆和未來商業(yè)堆的建造積累工程技術(shù)經(jīng)驗。CFETR第一階段目標功率為50-200MW，Q達到1-5，最大/最小半徑為5.7/1.6米；第二階段為1000MW，Q超過10，最大/最小半徑為6.6/1.8米。超導(dǎo)+AI雙重催化，可控核聚變有望加速實現(xiàn)ITER延期及預(yù)算膨脹，進展不及預(yù)期。核聚變點火條件苛刻，控制難度高，對材料、磁場控制、冷卻系統(tǒng)等各個方面都有極高的要求，一般認為至少2050年才有希望實現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化。而隨著ITER工期多次拖延，其建設(shè)難度也在增加，各國之間的配合、施工標準把控力度不足以及早期安裝的組件保養(yǎng)等問題也帶來了新的難度，最新的預(yù)期是2029年有望完工；同時，ITER項目預(yù)算也在不斷增加，從50億歐元提高到了200億歐元，人們開始擔憂ITER是否能夠真正落地，也帶來了對商用可控核聚變能否在2050年實現(xiàn)的之一。目前各國仍在持續(xù)推進ITER項目進度，首個等離子體目標日期調(diào)整至2025年，2035年開始氘氚運行。盡管可控核聚變的實現(xiàn)存在較大的不確定性，各國依然保持較高的熱情，獨立研究也取得了一定成效。其中，我國積極開展聚變堆的研究和設(shè)計，中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學所所長鐘武律（HL-2M實驗負責人）在2023搜狐科技峰會上表示，有望在10-20年的尺度內(nèi)獲得可控核聚變的能量。除此之外，近年來超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展、人工智能技術(shù)和算力的突破以及資本市場的持續(xù)關(guān)注也給可控核聚變帶來了新的發(fā)力點。高溫超導(dǎo)引發(fā)關(guān)注，臨界溫度不斷升高超導(dǎo)線圈是聚變堆的必然要求，提高聚變堆的能量效率和約束時間。磁線圈是磁約束聚變堆的核心組件，高溫等離子體的約束和控制都依賴磁線圈激發(fā)的磁場實現(xiàn)。但磁線圈需要通過電流來激發(fā)磁場，常規(guī)導(dǎo)體制成的線圈同時會產(chǎn)生電流熱，增加聚變堆的能量輸入，同時會在線圈中積熱，增加裝置的冷卻負荷并降低約束時間。因此，更高性能聚變堆必須采用超導(dǎo)磁線圈。超導(dǎo)體具有零電阻和完全抗磁性，在輸配電、核聚變等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。超導(dǎo)是一種一定條件下，物質(zhì)電阻為零的狀態(tài)，處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體被稱為“超導(dǎo)體”。此外，超導(dǎo)體還具備完全抗磁性，形成磁懸浮現(xiàn)象。因此，超導(dǎo)體可以在輸配電、大型磁體、核聚變、電子和交通等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。2021年12月，上海35kV公里級超導(dǎo)電纜示范工程投運，成為世界上輸送容量最大、長度最長的高溫超導(dǎo)電纜，電纜使用液氮降溫，工作溫度在-196℃左右。低溫高壓維持超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)材料應(yīng)用受限。目前已發(fā)現(xiàn)并認定的所有超導(dǎo)材料都在低溫環(huán)境下發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，而外界壓力則可以通過調(diào)控材料的晶體結(jié)構(gòu)等方式影響材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。因此目前的超導(dǎo)材料通常需要低溫和高壓等極端條件維持超導(dǎo)態(tài)，無法廣泛使用。此外，超導(dǎo)體還有臨界電流和臨界磁場強度兩個轉(zhuǎn)變條件，超過臨界值的電流或磁場會破壞超導(dǎo)態(tài)，使超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂须娮璧某Ｒ?guī)材料。超導(dǎo)材料可根據(jù)化學成分分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。常壓下有28中元素具有導(dǎo)電性，其中鈮的臨界溫度9.26K最高；合金材料和化合物材料分別通過在超導(dǎo)元素中加入其它元素作合金成分和超導(dǎo)元素與其他元素形成化合物，從而提高超導(dǎo)材料的性能；超導(dǎo)陶瓷是指具有超導(dǎo)典型的氧化物陶瓷，1986年在鑭-鋇-銅-氧化合物中發(fā)現(xiàn)了臨界溫度35K的超導(dǎo)電性，在此基礎(chǔ)上，進一步發(fā)現(xiàn)了一系列高溫超導(dǎo)體。除此之外，一些有機物也具有超導(dǎo)材料的性質(zhì)。根據(jù)超導(dǎo)材料對磁場的響應(yīng)和分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體。第一類超導(dǎo)體只存在單一的臨界磁場強度，而第二類超導(dǎo)體存在兩個臨界磁場強度，在兩個臨界值之間則允許部分磁場穿透材料。元素超導(dǎo)體中的釩、鈮、锝和一些合金超導(dǎo)體、化合物超導(dǎo)體屬于第二類超導(dǎo)體。根據(jù)臨界溫度的大小，以BCS理論預(yù)測極限的“麥克米蘭紅線”40K（-233℃）為界，可將超導(dǎo)體分為低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體。以銅基超導(dǎo)體為代表的高溫超導(dǎo)體臨界溫度可達77K（-196℃，液氮沸點）以上，具有一定的應(yīng)用價值。而由于目前尚未發(fā)現(xiàn)并確認任何臨界溫度接近“室溫”的超導(dǎo)材料，室溫超導(dǎo)體尚未明確定義，一般認為臨界溫度在273K（0℃）或300K（27℃）及以上的超導(dǎo)材料可被稱為室溫超導(dǎo)體。超導(dǎo)研究受重點關(guān)注，多次引發(fā)社會熱點。由于超導(dǎo)材料的優(yōu)秀性能，若超導(dǎo)能夠廣泛應(yīng)用，將給能源、電子、交通等多個領(lǐng)域帶來重大突破，因此超導(dǎo)技術(shù)的研究受到了普遍關(guān)注。超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)至今的較高水平，相關(guān)內(nèi)容累計已獲5次諾貝爾獎。2020年以來，出現(xiàn)了多次“室溫超導(dǎo)”相關(guān)報告，雖然至今仍無法證實室溫超導(dǎo)體，但超導(dǎo)技術(shù)的突破多次引發(fā)社會關(guān)注。超導(dǎo)臨界溫度紀錄加速提升，最高已達250K。自1911年汞的超導(dǎo)特性首次被發(fā)現(xiàn)至1986年之前，超導(dǎo)材料的臨界溫度僅從4.2K提升到了23.5K。但1986年鑭-鋇-銅-氧超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后，超導(dǎo)材料的臨界溫度紀錄被不斷提高。目前，高溫超導(dǎo)體臨界溫度的最高紀錄為德國馬克思·普朗克化學研究所發(fā)現(xiàn)的氫化鑭，臨界溫度達到250K（-23℃），但仍需要170GPa的超高壓環(huán)境，目前尚無法大規(guī)模應(yīng)用。EAST超導(dǎo)線圈為低溫超導(dǎo)體，高溫超導(dǎo)有望提升聚變堆性能。全超導(dǎo)聚變堆EAST使用的超導(dǎo)材料為鈮鈦合金（NbTi），為金屬鈮和鈦組成的合金，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為8-10K，使用超臨界4.5K氦迫流冷卻。EAST超導(dǎo)縱場線圈主要由合肥聚能電物理高技術(shù)開發(fā)有限公司供應(yīng)，CICC導(dǎo)體并式繞組成D形，額定工作電流14.4KA，大環(huán)1.7米處額定磁場強度3.5T。雖然高溫超導(dǎo)臨界溫度更高，冷卻條件更簡單，但在材料性能和設(shè)計等方面仍存在一定難點。若未來可改用高溫超導(dǎo)磁線圈，有望降低聚變堆的冷卻負荷，提高聚變堆能量效率。AI快速發(fā)展和算力持續(xù)增強，增強仿真、設(shè)計和控制能力聚變堆的復(fù)雜性對模擬仿真、裝置設(shè)計和運行控制提出了更高的要求。模擬仿真實驗是論證聚變堆可行性的重要前提，通過建立磁場和等離子體流場的模擬仿真實驗，可以檢驗聚變堆設(shè)計是否存在缺陷，并對聚變堆性能指標形成一定的評估。在模擬仿真實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料性能和工程要求，考慮安全性和經(jīng)濟性等因素，設(shè)計聚變堆裝置及其配套系統(tǒng)。聚變堆建成運行后，需要對系統(tǒng)的各個部件進行準確精密的控制，以保證聚變堆安全、平穩(wěn)、持續(xù)運行。人工智能技術(shù)的快速發(fā)展和算力的持續(xù)增強可以提高聚變堆的仿真、設(shè)計和控制能力，從而催化聚變技術(shù)加快落地精密模擬仿真要求更高算力，AI模型助力湍流預(yù)測。由于納維-斯托克斯方程解的存在性和光滑性問題尚未解決，目前對湍流的分析和預(yù)測一般通過模擬仿真實現(xiàn)。等離子體流場的模擬仿真一般需要進行空間網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分約精細模擬仿真的準確性越高，但仿真的計算成本也就越高。由于聚變產(chǎn)生的等離子體中可能出現(xiàn)湍流，影響聚變效率和提高控制難度，因此需要精密劃分等離子體網(wǎng)格。目前也有部分研究工作通過使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測太陽大氣內(nèi)部隱藏的湍流運動，通過AI模型進行湍流預(yù)測，可以提高模擬仿真的效率。人工智能賦能材料科學，提高裝置設(shè)計效率。裝置設(shè)計則需要在模擬仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合磁場分布、材料性能和裝置裝配等多個方面對裝置進行綜合分析設(shè)計，尤其是仿星器的磁場分布和裝置結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在裝置設(shè)計方面難度更大?？梢岳萌斯ぶ悄苣Ｐ透鶕?jù)磁場逆向推導(dǎo)磁場分布，或根據(jù)結(jié)構(gòu)、材料特性逆向推導(dǎo)材料的組成成分、結(jié)構(gòu)等，從而篩選滿足要