在全球聚变能源研发竞赛中，磁约束系统的性能是决定技术路线可行性的核心变量之一。德国马克斯・普朗克等离子体物理研究所（IPP）牵头参与的 “HTS4Fusion” 项目，正聚焦高温超导（HTS）线圈的研发与应用，试图通过材料创新与工程突破，为未来聚变电厂的磁约束系统提供颠覆性解决方案。这一过程背后，是对极端环境下材料性能、工程可靠性与聚变适配性的系统性攻坚。
一、聚变磁体面临的 “三重极限挑战”
聚变能源的核心原理是在高温高压下实现氢同位素聚变，而这一过程需依托强磁场形成的 “磁笼” 约束上亿度的等离子体。仿星器作为磁约束聚变的主流装置之一，其三维复杂线圈是构建稳定磁场的关键，但传统超导线圈已难以满足未来电厂的需求。
当前，世界最先进的仿星器Wendelstein 7-X所使用的超导线圈，需在4k（约-269℃）的极低温环境下运行，制冷系统复杂且能耗高昂；同时，其采用的低温超导材料机械脆性强，在弯曲成非平面三维结构时易发生性能衰减。更严峻的是，聚变反应产生的高能中子会对超导材料造成辐照损伤，这一影响在现有技术体系中尚未得到有效解决。
“未来聚变电厂的磁体系统必须突破三重极限：在数米级尺度下产生强磁场、耐受极端低温与中子辐照、保持长期运行可靠性。”IPP项目负责人Eve Stenson指出，这些要求倒逼超导材料从 “低温” 向 “高温” 升级——高温超导材料可在20-93k区间实现超导态，不仅降低制冷成本，其潜在的强磁场承载能力更能缩小装置体积，为紧凑型聚变电厂奠定基础。
二、产学研结合，德国启动 “HTS4Fusion” 项目
为突破高温超导线圈在聚变场景中的应用瓶颈，德国联邦研究部（BMFTR）投入700万欧元启动 “HTS4Fusion” 项目，构建了 “材料研发-性能验证-辐照测试” 的全链条研发体系。
项目由位于THEVA Dünnschichttechnik牵头，该公司获得525万欧元资金支持，主攻适配聚变需求的复合HTS带材研发。THEVA正开发的新型复合HTS带材通过特殊基底与夹层设计，旨在提升机械韧性与抗辐照能力，解决传统带材在非平面弯曲时的性能劣化问题。
IPP Garching则承担 “需求定义与性能验证” 角色，获得94.8万欧元资助。基于Wendelstein 7-X的工程经验，其团队通过仿真计算明确非平面线圈对带材的力学性能、超导临界参数等核心指标要求，并利用增材制造（3D打印技术）制作小型测试线圈，在低温环境下验证材料的实际运行表现。
慕尼黑工业大学的海因茨・迈尔-莱布尼茨研究中子源（FRM II）作为第三方机构，专注于中子辐照对HTS带材性能的影响研究，为材料抗辐照设计提供数据支撑。
这种 “企业主导材料创新+科研机构验证工程可行性+专业平台测试极端环境适应性” 的协作模式，精准聚焦聚变超导线圈从实验室到工程化的关键环节，形成了闭环研发链条。
三、创新JANUS概念，破解 “性能与可靠性悖论”
“HTS4Fusion” 项目的核心创新在于JANUS（联合角度非常规超导体）设计理念，其通过结构优化破解了高温超导材料 “性能与可靠性难以兼顾” 的固有矛盾。
传统HTS线圈采用单层带材结构，其超导性能对机械应变与磁场角度极为敏感：当带材弯曲曲率超过临界值，或与磁场方向夹角偏离最优区间时，载流能力会急剧下降；若遭遇中子辐照导致局部损伤，更可能引发整体失效。
JANUS概念则采用 “双层超导+导电夹层” 的复合结构：两层HTS带材通过导电中间层连接，形成电流共享机制。当一层带材因应变超限、磁场角度偏差或辐照损伤导致性能下降时，电流可通过中间层转移至另一层，确保线圈整体载流能力稳定。这一设计不仅提升了系统冗余度，更巧妙利用了HTS材料的各向异性——THEVA研发的带材在磁场与带材表面呈30度角时性能最优，JANUS通过调整两层带材的取向角度，使线圈在仿星器复杂磁场环境中始终保持高效运行。
为验证这一设计，IPP团队利用其参与开发的SIMSOPT开源设计软件，将材料力学约束、磁场角度参数等纳入仿星器优化模型，精确计算带材缠绕角度与支撑结构参数，并通过3D打印制作小型测试线圈，在20k环境下开展性能测试。“实验数据显示，JANUS结构的临界电流衰减率比传统结构降低40%以上，机械应变耐受阈值提升近30%。” Eve Stenson透露。
四、展望未来，从实验室原型到聚变电厂的 “尺度跨越”
目前，“HTS4Fusion” 项目已完成首批小型测试线圈的制备与低温性能验证，下一步将聚焦中子辐照环境下的长期运行测试。按照规划，项目研发的HTS带材与线圈技术将首先应用于下一代仿星器原型装置，再逐步向商业化聚变电厂推进。
“当前测试线圈直径仅数十厘米，而未来聚变电厂的线圈需达到数米级尺度，这意味着我们必须解决材料一致性、大规模缠绕工艺、低温制冷系统集成等工程化难题。” Eve Stenson强调，从实验室原型到工业级应用，仍需5-10年的技术迭代，但JANUS概念的突破已为这一路径奠定基础。
从科学价值看，该项目的研发成果不仅将推动聚变能源领域的技术进步，其高温超导材料在极端环境下的应用经验，还可为航天、高能物理等领域的强磁场设备提供借鉴。在全球碳中和目标与能源结构转型的背景下，IPP对高温
超导线圈的深耕，正让人类向 “人造太阳” 的商业化应用迈出关键一步。参考资料：
- https://www.ipp.mpg.de/5548072/hts4fusion?c=14226