为什么需要高温超导材料？
思瀚产业研究院    2025-07-12

超导，全称超导电性，是指某些材料在满足临界条件时（临界温度 Tc、临界磁场 Hc、临界电流 Ic），电阻突然变为零的现象。具备这种特性的材料被称为超导体或者超导材料。

超导材料具有零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应三大基本特性，可以实现大电流输运、产生强磁场等先进技术，是具有战略意义的前沿新材料，在可控核聚变、超导电力、大科学装置、高端制造、医疗装备及交通运输等方面应用广泛。

可控核聚变装置是超导材料的重要应用方向。

实现核聚变反应，需要同时满足足够高的温度、一定的等离子体密度和一定的能量约束时间，三者的乘积为聚变三重积。只有大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。磁约束利用磁场约束等离子体运动，防止外泄，目前被认为是最有可能实现可控核聚变的途径，也是我国主要采用的技术路线。磁约束核聚变装置主要有托卡马克、仿星器等。

托卡马克主要由环形真空室、磁体和其他辅助设施组成，具有结构简单、造价低，生产周期短，装置迭代快，以及加热成本低等优势，是目前各国投入最大、最接近可控核聚变条件、技术发展最成熟的途径，约占全球核聚变装置的 50%。其中，超导材料用于制造超导磁体，超导磁体成本约占装置总成本的 30%-40%。不同类型的超导材料占比存在差异，低温超导磁体在装置中的成本占比低于高温超导。参考FIRE 项目，ITER 反应堆采用低温超导，其超导磁体的价值量占比在 28%左右。

2、为什么需要高温超导材料？

根据临界温度的不同，可以将超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。临界温度低于-248℃的超导体为低温超导体，高于-248℃的为高温超导体。

低温超导材料目前已实现产业化的主要为铌合金超导材料，即 NbTi 和 Nb3Sn，技术较为成熟，已成功应用于磁共振成像、核磁共振波谱分析等领域。但低温超导材料临界温度较低，需要在液氦环境（4.2K，即-269℃）下工作。由于氦气是一种稀有资源，我国氦气资源贫乏，目前主要依赖进口，因此使用成本较高。此外，低温超导材料在高场环境下电流密度衰减速度快，目前主要应用于 15T 以下场景。

高温超导材料对于工作环境要求较低，如第二代高温超导带材可在液氮环境（77K，即-196℃）下工作，而液氮资源丰富，制备技术成熟，价格远低于液氦，在制冷成本及制冷能耗上具有明显优势。此外，高温超导材料能够提供更高场强的稳定磁场，进一步打开了下游高场应用领域，产业化前景更加广泛。但由于高温超导材料发展起步较晚，制备技术较为复杂，规模化生产未能充分显现，使得产品价格较低温超导材料更高。

根据华经产业研究院，高温超导受限于技术，整体市场应用占比仍较小。截至 2022 年，全球低温超导材料占比超 9成，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，高温超导材料整体的占比有望稳定提升。

在可控核聚变应用领域，低温和高温超导磁体也有不同的性能表现，低温超导磁体稳定运行最高磁场强度在 15T 左右，高温超导磁体可达到 45.5T。更强的磁场可以延长等离子体约束时间，减少能量损失。同时，磁场越强，允许的等离子体密度越高，从而提升聚变反应率。随着高温超导技术的不断成熟，带材价格在不断下降。根据全球高温超导材料龙头 FFJ 官网，近五年来，高温超导线材的价格已经下降了一半，未来高温超导磁体有望成为可控核聚变装置的未来发展趋势。

目前国内外新建的（在建/规划设计阶段）可控核聚变装置中，除了 ITER 采用低温超导，中科院 BEST、CFETR 等项目采用低温超导+高温超导外，其余国内外托卡马克装置多计划选用高温超导路线。尤其是在 2024 年 6 月，上海能量奇点建造的首台全高温超导托卡马克装置-洪荒 70 成功实现等离子体放电，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。更多行业研究分析请参考思瀚产业研究院官网，同时思瀚产业研究院亦提供行研报告、可研报告（立项审批备案、银行贷款、投资决策、集团上会）、产业规划、园区规划、商业计划书（股权融资、招商合资、内部决策）、专项调研、建筑设计、境外投资报告等相关咨询服务方案。