2025年国防军工行业专题报告：关注可控核聚变超导材料磁体的投资机会

超导材料前景广阔，可控核聚变中的磁体系统至关重要

超导材料具有零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象，是典型的量子材料，在电力能源、医疗装备、交通运输、量子信息 计算、国防工业以及科学研究等方面有着重要的应用价值和未来前景。低温超导材料(如NbTi、Nb3Sn)发展较早，目前 已经形成系统的商业化生产，且广泛应用于核磁共振成像、聚变堆以及大型粒子加速器等装置中，但该类材料临界转变 温度(Tc)低，导致其应用停留在液氦(4.2 K)温区，并需要依赖昂贵的液氦冷却系统，严重限制了超导应用的发展。直 到1986年高温铜氧化物超导体的出现，突破了超导应用温度的壁垒(由液氦提升至液氮温区)，极大地拓宽了超导材料的 工程化应用范围。目前，高温超导体正处于提升性能和突破应用的阶段，在这个过程中，高性能高温超导材料的批量化 制备成为关键基础。

由于可控核聚变需要超高的磁场对等离子体进行约束，因此需要大电流的产生，这就需要用到超导材料。按照超导体的 临界温度，可以将超导体分为低温、高温超导体。临界温度低于-248℃至-243℃超导体为低温超导体，高于该温度的为 高温超导体。目前，全球低温超导材料占比超导材料超9成，高温超导当前受限于技术，整体市场应用占比较小，但随 着超导线缆、可控核聚变等持续发展应用，预计高温超导材料的市场份额将会逐步扩大。

在试验堆ITER中，磁体部分所占成本高达28%。超导 磁体为托卡马克装置的关键组成部分。

从高温超导产业链角度来看，上游原材料主要包括Bi、Ba、La、Sm、Y等金属元素的氧化物。其中，镧系元素具备较强 的还原能力，活性仅次于碱金属与碱土金属，其单质易与氧气发生化学反应。中游的线材带材薄膜主要包括BSCCO线材 带材薄膜、YBCO带材薄膜、铁基带材、MgB2线材等的加工。下游则是各领域方面的应用。

核心工艺——超导材料与磁体系统制备

超导线材通过绕制能够产生强磁场的超导线圈，以及结合其运行所必要的低温恒温容器来制成超导磁体。这一过程需要 经过多个生产流程，包括线材性能评价、线材热处理及绝缘、磁体设计及烧制、磁体固化、磁体稳定性评价、磁体系统 总装、系统出厂测试等。

MgB2线材的制备工艺主要包括粉末装管法和中心镁扩散法(internal Mg-diffusion，IMD)两种，其中粉末装管技术可 分为原位法和先位法。原位法制备工艺先将混合均匀的Mg粉和B粉作为前驱体粉末装入铌管内，然后经过加工获得具有 特定尺寸和芯丝结构的线材，最后进行热处理，使Mg粉和B粉在线材中发生反应原位生成MgB2。先位法首先将Mg粉和B粉 进行反应生成MgB2相，然后将MgB2粉末装入到铌管中，再进行加工获得具有特定尺寸和结构的多芯线材。

超导线圈的绕制：以高温超导为例，由于高温超导材料的扁平结构，大部分高温超导磁体装备都是利用饼式线圈结构堆 叠而成的。 第一步：从带盘A中取出绕制单线双饼线圈所需要的全部带材的一半到带盘B上。 第二步：将线轴放在带盘A和带盘B中间，让带盘B绕着线轴转动，使带盘B上的全部带材绕到线轴的第一层中，并用 kapton胶带固定。 第三步：让带盘A绕着线轴转动，使带盘A上的剩下的带材绕到线轴的第二层，并用kapton胶带固定。

超导材料特性优良、应用广泛

超导材料具有独特的绝对零电阻、完全抗磁性、磁通量子化等物理特性，这使得它们几乎在所有可以用到电和磁的方面 都有用武之地。特别是在需要突破传统功能材料电磁能力极限的地方，超导材料有着不可替代的应用，例如实现零损耗 载流、高电流密度、强磁场、量子极限测量等。

超导材料的应用可分为强电应用、弱电应用以及量子应用。对于磁约束可控核聚变而言，聚变功率与磁场强度的四次方 成正比，因此提升磁场强度是关键核心技术，但聚变磁体往往尺寸非常庞大，例如国际热核聚变堆（ITER）的磁体就有 三层楼那么高，采用超导磁体几乎是唯一的选择。

低温超导应用：Nb3Sn主要应用在9T@4. K以上的超导磁体中，市场份额远远小于NbTi。基于NbTi的低温超导线圈技术目 前已经发展的比较成熟，在加速器、核磁共振（NMR）、人体医学成像（MRI）和科学仪器通用磁体等领域获得了广泛的 应用，并产生了巨大的商业价值。基于Nb3Sn的超导磁体技术经过多年的实践和研究已经取得了显著进步，但在绕线工艺 和失超保护方面仍有待完善。考虑到经济效益和技术可靠性，强场磁体（9T@4.2K以上）通常混合使用Nb3Sn和NbTi超导 线绕制。

高温超导应用：第一代高温超导带材的制备须要大量使用贵金属银，银占比高达70%，因此其成本一直居高不下，且未来 降价乏力，这严重影响了高温超导的大规模工业应用和商业推广。新世纪以来，二代高温超导带材ReBCO受到了越来越多 的关注。ReBCO超导带材一般由基层、过渡层、超导层和保护层等多层结构组成，比一代高温超导带材由更高的临界磁场 和载流能力。其主要成分是哈氏合金、不锈钢、铜等普通金属和基于镀膜工艺的ReBCO薄膜涂层，其中生产过程仅需极微 量的银（1~3微米厚），无其他贵金属。因此，相比一代高温超导，ReBCO带材有望大幅降低生产成本，有着广阔的商业 前景，在16T@4.2K以上超导磁体系统研制中发展潜力巨大。

低温超导材料的应用：ITER

ITER磁体系统由四个主要子系统组成，其中包括：18个环向场线圈（Toroidal Field Coil, 简称 TFC）；6个极向场线 圈（Poloidal Field coil, 简称PFC）；18个校正线圈（Correction coil, 简称CC）以及中心螺线管（Central Solenoid,简称CS）。其周边连接关系为：放置在18个重力支撑（Gravity Support，简称GS）上的TFC通过6组极向场线 圈支撑（PFCS）支持6个PFC；同时通过3组校正场线圈支撑（CCS）支持CC。TFC通过其自身的结构和支撑对CS提供支持。

超导材料：超导导体是用于绕制ITER超导线圈的重要材料，根据不同线圈的作用和要求，ITER有不同规格的超导导体。 中心螺管、纵场线圈采用（铌三锡）Nb3Sn超导材料，极向场（PF）、校正场线圈(CC)采用铌钛（NbTi）低温超导材料。

低温超导材料的应用：ITER环向场与极向场线圈

环向场线圈：它由18个TF线圈构成，每个TF线圈由7根完整连续的基于Nb3Sn超导线的铠装导体（CICC）绕制而成。总的 来说，制造18个TF线圈总共需要126根单元导体。ITER装置运行时，TF导体内流动着4.2K（-269℃）的超流态液氦，每根 导体额定电流68kA，承受的磁场强度最高达12T，约为地球磁场的20万倍。2008年6月16日，中国与ITER组织签署《环向 场导体采购安排协议》，根据协议规定，中国承担11根TF导体制造任务，约占全部TF导体制造任务的7.51%。

极向场（PF）线圈：它的主要作用是在等离子体的产生、上升、成形和平顶各个阶段提供欧姆加热和控制等离子体位形。 PF线圈系统由6个不同尺寸的独立线圈组成，自上而下分别为PF1、PF2、PF3、PF4、PF5、PF6。与环向场线圈导体类似， PF线圈导体为NbTi基超导铠装导体。运行时，PF导体内通有4.2K（-269℃）的液氦，电流45kA，磁场强度最高可达5T。 2008年10月10日，中方与ITER组织签署极向场线圈导体采购安排协议，中方负责制造PF2至PF5共60根PF导体，约占全部 PF导体的65%。

革命性高温超导磁体应用，SPARC引领创新

高温超导材料：新一代核聚变装置（如SPARC）正在考虑采用HTS材料，以利用其在更高温度下仍保持超导性的能力，从 而降低运行成本和提高系统效率。据悉国内核聚变公司星环聚能和能量奇点的磁体系统均采用高温超导材料加工建造。

SPARC，全称是Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact，以最直接、简明的方式阐述了快速、 体积小、私营资本主导、低成本、紧凑等特点。SPARC是CFS商业化聚变电厂ARC（Affordable Robust Compact）的前期 验证装置，目前正在美国马萨诸塞州的Devens建设。

革命性高温超导磁体技术：SPARC的核心创新在于采用稀土钡铜氧化物（REBCO）高温超导材料制成的磁体。实验表明， 其制造的基于REBCO磁体在液氦温度下可承受高达5000安培的电流，局部磁场强度达20T，远超ITER的5.3T，实现更高效 的等离子体约束。

高温超导材料强势赋能裂变-聚变混合堆—星火一号

2023年11月，江西省人民政府与中国核工业集团有限公司签订全面战略合作框架协议。江西联创光电超导应用有限公司 和中核聚变（成都）设计研究院有限公司计划各自发挥技术优势，采用聚变裂变混合路线，拟在江西省联合建设可控核 聚变项目，技术目标Q>30，实现连续发电功率100MW，工程总投资预计超过200亿元人民币。2024年6月，联创光电与中核 集团就共同推进“星火一号”聚变-裂变混合示范堆的建设达成了初步合作意向。

2025年3月28日，星火一号高温超导混合堆项目在成都顺利通过了项目需求（PR文件）的全面评审。这一重要成果标志 着星火一号在高温超导混合堆领域迈出了坚实的一步，为未来可控核聚变技术的发展奠定了坚实基础，具有重要的里程 碑意义。评审过后星火一号将进入更为关键的实施阶段，为我国能源可持续发展和全球核聚变事业做出更大贡献。

重点公司分析

我国国内超导材料与磁体相关企业主要包括联创光电、永鼎股份、精达股份、西部超导等。

联创光电：联创光电子公司联创超导突破了大口径制冷机直接冷却高温超导磁体的传热技术，研制成功了YBCO制冷机直 接冷却超导磁体，已完成20K温区3T以上超导磁体的应用，目前正在研发20K温区6T以上YBCO制冷机直接冷却超导磁体。

联创光电超导和中核聚变（成都）设计研究院有限公司签订了协议，双方计划联合建设聚变-裂变混合实验堆项目（即 “星火一号”聚变能源项目）。该项目技术目标Q值大于30，实现连续发电功率100 MW，该项目总投资预计超过200亿元。

精达股份：精达股份通过投资上海超导科技股份有限公司，成功涉足高温超导带材产品的生产领域。这些产品在全球核 聚变领域的高场磁体应用中处于加速发展期，服务于全球多家核心的核聚变研究群体及商业核聚变开发公司。超导电缆 在实际应用中已经获得了运行验证，长期运行情况良好，展现了精达股份在可控核聚变领域的深厚底蕴和技术实力。

在可控核聚变领域，精达股份不仅深耕国内市场，还积极开拓国外市场，深化国际合作。上海超导已与南方电网、国家 电网、中科院等离子体所、中科院电工所、美国MIT、德国KIT、美国CFS公司、英国TE公司、新西兰RRI研究所、能量奇 点、联创超导等国内外企业及科研机构建立紧密合作关系，共同推动超导技术的商业化进程。

永鼎股份：公司全资子公司东部超导是国内高温超导带材领域的头部企业，公司在第二代高温超导带材上采用了国内独 有的IBAD+MOCVD的技术路线，研发出多种稀土替代和掺杂技术，所制备的超导材料磁通钉扎性能优异，在长度以及低温 磁场下性能方面达到了国内外领先水平。目前产品主要应用在超导感应加热、超导磁拉单晶、可控核聚变磁体、超导电 力装备等领域，保持与江西联创光电、能量奇点、核工业西南物理研究院、国家电网等客户的密切合作关系。

西部超导（低温超导）：①NbTi超导线材工程化生产技术：公司开发出核聚变用NbTi超导线材工程化生产技术，发明了 单重达450公斤的大型复合包套一次组装技术、高临界电流密度线材塑形加工和时效热处理技术，生产出最大长度达到9 万米的多芯NbTi超导线材，各项性能指标全部满足ITER项目技术要求。②Nb3Sn 超导线材工程化生产技术：1）公司解决 了高性能内锡法Nb3Sn超导线材的导体设计、Cu/Nb/Sn/Ta多组元金属复合体塑性变形和大坯料制备等工程化生产技术难 题，最大长度达到 10,000 米，各项性能指标全部满足ITER 项目和10T以上高场磁体技术要求。2）公司解决了青铜法 Nb3 Sn超导线材加工硬化难题，实现了ITER用青铜法Nb3Sn超导线材长线连续加工，各项性能指标满足核聚变和高场核磁 共振谱仪技术要求，（12T，2736A/mm2@4.2K）成功应用于中国首台600MHZNMR制造。

报告节选：

编辑：火腿肠