一、 有关ITER的背景材料

1、简要概况

国际热核聚变实验堆（ITER）计划 ，简称“（ITER）计划”，（ITER：International Thermonuclear Experimental Reactor），ITER计划^[4] 倡议于1985年，并于1988年开始实验堆的研究设计工作。经过十三年努力，耗资十五亿美元，在集成世界聚变研究主要成果基础上，ITER工程设计于2001年完成。此后经过五年谈判，ITER计划 中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方2006年正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。ITER计划是目前世界上仅次于国际空间站的又一个国际大科学工程计划。该计划将集成当今国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，将研究解决大量技术难题，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

核聚变研究是当今世界科技界为解决人类未来能源问题而开展的重大国际合作计划。与不可再生能源和常规清洁能源不同，聚变能具有资源无限，不污染环境，不产生高放射性核废料等优点，是人类未来能源的主导形式之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。ITER计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。ITER计划集成了当今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术成果，拥有可靠的科学依据并具备坚实的技术基础。国际上对ITER计划的主流看法是：建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，成功的把握较大，经过示范堆、原型堆核电站阶段，可在本世纪中叶实现聚变能商业化。ITER计划是我国改革开放以来有机会参加的最大的多边国际大科学工程合作项目。参加ITER计划有利于大幅度提升我国在科学技术领域参加国际合作的层次；有利于推动我国聚变能研究开发，加快我国聚变能开发进程；有利于我国学习掌握大型国际科学工程项目的建设、管理、运行和维修经验；有利于提高我国超导技术、稀有金属材料技术、高电压技术等众多领域的研究开发能力；有利于锻炼和造就一批高水平、高素质的科研人员、工程技术人员和管理人员，为我国聚变事业的发展打下坚实人才基础。2003年1月国务院批准我国参加ITER计划谈判，经过三年谈判，2006年5月24日，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定，标志着ITER计划进入全面实施的准备阶段。2006年5月24日，国家科学技术部代表我国政府与其他六方一起，在比利时首都布鲁塞尔草签了《国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）联合实施协定》。这标志着ITER计划实质上进入了正式执行阶段，即将开始工程建设，也标志着我国实质上参加了ITER计划。

ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的远程控制技术等等。

2、聚变原理

欧盟、美、中、俄等2006年草签系列合作协议

如果说重原子核在中子打击下分裂放出的"裂变能"是当今原子能电站及原子弹能量的来源，则两个氢原子核聚合反应放出"核聚变能"就是宇宙间所有恒星（包括太阳）释放光和热及氢弹的能源。人类已经能控制和利用核裂变能，但由于很难将两个带正电核的轻原子核靠近从而产生聚变反应，控制和利用核聚变能则需要历经长期的、非常艰苦的研发历程。在所有的核聚变反应中，氢的同位素---氘和氚的核聚变反应（即氢弹中的聚变反应）是相对比较易于实现的。

氘氚核聚变反应也可以释放巨大能量。氘在海水中储量极为丰富，一公升海水里提取出的氘，在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量；氚可在反应堆中通过锂再生，而锂在地壳和海水中都大量存在。氘氚反应的产物没有放射性，中子对堆结构材料的活化也只产生少量较容易处理的短寿命放射性物质。聚变反应堆不产生污染环境的硫、氮氧化物，不释放温室效应气体。再考虑到聚变堆的固有安全性，可以说，聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、资源无限的理想能源。受控热核聚变能的大规模实现将从根本上解决人类社会的能源问题。

考虑到氘和氚原子核能产生聚变反应的条件，若要求氘、氚混合气体中能产生大量核聚变反应，则气体温度必须达到1亿度以上。在这样高的温度下，气体原子中带负电的电子和带正电的原子核已完全脱开，各自独立运动。这种完全由自由的带电粒子构成的高温气体被称为"等离子体"。因此，实现"受控热核聚变"首先需要解决的问题是用什么方法及如何加热气体，使得等离子体温度能上升到百万度、千万度、上亿度。但是，超过万度以上的气体是不能用任何材料所构成的容器约束，使之不飞散的，因此必须寻求某种途径，防止高温等离子体逃逸或飞散。具有闭合磁力线的磁场（因为带电粒子只能沿磁力线运动）是一种最可能的选择。对不同设计出的"磁笼"中等离子体运动行为及防止逃逸的研究（即所谓稳定性研究），成为实现受控热核聚变的第二个难点。如果要使高温等离子体中核聚变反应能持续进行，上亿度的高温必须能长时间维持（不论靠聚变反应产生的部分能量，或外加部分能量）。或者可以说，等离子体的能量损失率必须比较小。提高磁笼约束等离子体能量的能力，这是论证实现磁约束核聚变的科学可行性的第三个主要内容。除了验证科学可行性外，建设一个连续运行的聚变反应堆还需要解决加料、排废、避免杂质、中子带出能量到包层、产氚及返送以及由于聚变反应产生大量带电氦原子核对等离子体的影响等一系列科学和工程上的难题。

从20世纪40年代末起，各国就开发了多种磁笼途径，并由之出发，对聚变能科学可行性展开了不同规模的理论与实验探索研究。投入科学家及工程师上千人，经费总计每年超过10亿美元。各途径竞争非常激烈，其间纷争不断。在这过程中，人们对实现聚变能难度的认识也逐步加深。但从20世纪70年代开始，苏联科学家发明的"托克马克"途径逐渐显示出了独特的优点，并在80年代成为聚变能研究的主流途径。托克马克装置又称环流器，是一个由环形封闭磁场组成的"磁笼"。等离子体就被约束在这"磁笼"中，很像一个中空的面包圈,等离子体环中感生一个很大的环电流。随着各国大小不一的托克马克装置的建成、投入运行和实验，托克马克显示了较为光明的前景：等离子体达到了数百万度，等离子体约束也获得了明显效果。科学家们认识到，如果扩大此类装置的规模，有可能获得接近聚变条件的等离子体。

20世纪90年代，在欧洲、日本、美国的几个大型托克马克装置上，聚变能研究取得突破性进展。不论在等离子体温度、在稳定性及在约束方面都已基本达到产生大规模核聚变的条件。初步进行的氘-氚反应实验，得到16兆瓦的聚变功率。可以说，聚变能的科学可行性已基本得到论证，有可能考虑建造"聚变能实验堆"，创造研究大规模核聚变的条件。

二、超导线材发展前景

1、高温超导带材及其电力应用的必要性和前景展望

每一次国际金融危机都会带来一场上大变革，而决定经济危机应对取得胜利的关键是科技的力量。培育新的经济增长带，特别是新兴的战略型产业占领科技的制高点，也就是占领新型产业的制高点，将决定着一个国家的未来。超导技术无疑已成为目前世界各国全力争取的科技制高点之一。

超导技术是21世纪具有战略意义的综合性高新技术，具有前瞻性、战略性。超导带材是超导电力应用的基础，第二代高温超导带材作为目前实用超导材料最为理想的选择和必然发展趋势。毫无疑问，它的研制和发展是占领超导技术与相关高新科技产业制高点的重要途径，可创造具有巨大的经济效益和社会效益。

随着美国提出以能源为主的振兴经济计划，能源就成为下一个战略型产业。在奥巴马的能源战略中有两张网，一个是智能电网，一个是超导电网。这两张网资源消耗低、带动系数大、就业机会多、综合效益好并具有广阔的市场前景。如前所述，如果美国大力发展超导电网，8－10内其相应的市场将达到30万亿美元，仅此一产业即可抵全球GDP的40%(相对2008年GDP总值) 。

与世界主要发达国家和地区一样，我国主要城市特别上海市，随着经济和社会发展，人们对电能的需求量日益增长，电力系统的容量越来越大，人们对电能质量和安全的要求也越来越高，需要对传统的电力工业技术进行革新改造。根据美国长岛示范工程经验，一根超导电缆大约可以提供3～5万个家庭供电，覆盖10～20万人口。依此推算，一根超导电缆基本可以满足上海的整个陆家嘴地区的供电。

我国主要城市如上海市，现有的常规电力设备和电力系统存在一些难以克服的缺乏，严重地阻碍电力系统的发展，至少表现在以下几个方面:①随着电网容量的增加和规模的不断扩大，电力系统的短路容量越来越大。不加限制的短路电流对电气设备和正常的工业生产带来很大的危害，还可能导致电力系统的崩溃;②常规电力技术缺乏快速功率调节技术。这使得电力系统的功率只能维持基本的平衡。一旦电力系统发生扰动特别是大的故障，可能导致严重的功率失衡，从而引起系统崩溃并对电力系统产生破坏性的危害;③常规电力系统的效率受到Cu，Al等基本导电材料的限制，要进一步提高难度很大;④常规电气设备占地面积大，而人口密度的大中城市正是负荷中心。随着上海市经济的不断发展，对电能需求量也不断增加，因此电网占地的需求量也越来越大。要解决这一问题，必须对电力系统进行根本性的变革;⑤可再生能源如太阳能、风力发电和潮汐能发电的能量密度低，且易受气候条件的影响。

要使这些能源能充分有效的利用，必须采用新的技术措施改善其品质，同时使其能有效地储存并与大电网联结。中国科学院最近公布的中国至2050年能源科技发展路线图指出:2020年、2050年中国电力装备安全技术和电网安全新技术比重将达到50%和90%。届时超导电力装置将在电力系统中得到多层次的大规模应用。

如前所述，世界范围内能源供应越来越紧张，而大量能耗都是浪费在传输线上。2008年全国社会用电总量近35 000亿千瓦时，按中国输电损耗率约为8%～9% 计算，中国每年电量损耗高达3000亿度，相当于3个投资在1200亿元以上的核电站总发电容量。其中上海市约占3.6% ，每年损耗约112 亿度电，折合人民币100多亿元。到2010年，我国总发电容量将达到550 GW，电网的总损耗将达到47GW，上海地区电网消耗将达到170亿度。随着经济的发展及每年总发电量的增加，线路耗损数目将更加庞大。超导材料无电阻，能大幅度地降低输电路的损耗。通过降低电网的损耗，不仅可提高效率，而且可降低燃煤发电量，从而减少污染排放量。可见，发展超导带材及其传输电缆将提升和改革电力电网，不但能增强经济发展、优化城市环境，而且对节能减排以及低碳经济都有非同寻常的意义。

另外，随着超导材料的规模化生产，超导电力将会得到大力发展，由此形成的超导产业将会整合来自各式各样的新技术研发、新产品制造、新服务企业和新型投融机制以及标准的制定和安全监控机构等。上海市如能占领超导带材这一超导电力高科技的制高点，可望能创造出新的经济推动力和投资机遇，增加大量的就业机会。

未来10年，随着第二代高温超导带材关键制备技术的突破，一个以第2代超导带材为核心的超导产业可能会出现井喷现象。由此将会产生行业众多的上、下游产业链，届时我国主要城市，例如上海市的行业格局将会有所变化，也将大大促进上海市相关传统企业的产品更新和技术革新进步。

1967年光纤被华裔科学家高锟(2009年诺贝尔物理学奖获得者)发明，30年后人们利用光纤技术成功推进信息产业革命。1987年两位华人朱经武、赵忠贤同时发现高于YBaCuO 超导体，10年后的1997年人们实现第一代高温超导带材的产业化制备，2004年实现商业化生产。纵观光纤材料的发明、到首次材料商业化、再到产业化发展的历程，高温超导材料的发展阶段非常相似。由此可以推测超导材料与电缆在电力传输方面的应用很可能像光纤与光缆在信息传输方面的应用一样在其发现30周年后得到大规模的发展，这实际上与国内外发展现状和各类预测十分吻合。

根据国内外发展态势，未来10年之后，随着超导材料的产业化，超导电力应用，包括超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导磁悬浮车、超导电磁推进器、超导电机驱动飞机和高温超导磁成像仪将逐步在上海市的各种领域和场所出现。超导技术最终将给我们的城市带来变革性的影响。超导带材及其电缆应用技术是国家和地方发展智能电网的迫切需求，根据2010年7月上海市人民政府与国家电网在沪签署的关于智能电网建设战略合作协议，上海市将率先发展智能电网等战略性新兴产业，将重点发展包括“高温超导”等7个方面产业和技术。国家电网与上海市人民政府将分别在北京、上海进行大长度超导电缆并网示范项目建设。为降低成本和防止国外技术封锁，急需国内有关单位研制出高质量的2G高温超导带材，并能实现批量化制备，进而为将来超导电力工程产业化发展打下坚实的基础。

尽管超导材料种类层出不穷，实用化高温超导材料却难以一蹴而就。经过近20年的发展，基于Y系薄膜的第二代高温超导带材逐步发展成熟，在完成了千米级连续化外延工艺和性能的优化之后，已成为目前液氮温度超导性能最好的材料，处于产业化前夜。为了实现真正意义上的低成本、高机械强度和高不可逆磁场等优势，满足更广范围的应用需求，人们正在努力推动第2代高温超导带材向低成本、稳定化和规模化方向发展。可以预见，随着第二代高温超导带材研究技术的进一步成熟，其性能价格比也将大幅下降，最终将会降低到10～25$/kA·m，接近或低于Cu的性价比。届时开展各种大规模超导应用将变为可能，市场需求和产值也将会出现井喷的局面。正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。

2、低温超导材料

　１９１１年荷兰物理学家卡莫林·昂尼斯发现汞在低温下具有零电阻的超导电性，开创了超导新纪元，为超导在电力应用上描绘了美好的前景。１００年来，人们对超导的研究从未停止。１９３３年，荷兰的物理学家迈斯纳和奥森费尔德又发现了超导体的完全抗磁性，称为迈斯纳效应，成为超导磁悬浮应用的基础。

１９６２年剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊提出在超导结中电子对可以通过绝缘层形成无阻的超导电流，这个现象称作约瑟夫逊效应，成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。超导现象自从被发现以来，就以其独特的魅力持续不断地吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，史重要的是它具有很多潜在的应用，如能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程，被誉为２１世纪具有战略意义的高新技术。

１００年来超导研究历史伴随着超导材料的发展，超导材料的发展是一个由简单到复杂的过程，从早期的单质、合金到一元乃至现在的多元化合物。超导材料的发展过程，本质上说也是一个临界温度不断提高的过程。人们在金属和合金、化合物和有机物等材料中也发现了超导现象，发现了一系列的超导材料。从１９１１年到１９８６年，７５年间从水银的４．２Ｋ提高到铌三锗的２３．２２Ｋ，仅仅提高了１９Ｋ。１９８６年，瑞士科学家发现铜氧化合物超导体，掀起了高温超导研究的热潮，临界温度不断被突破，可以达到１５０Ｋ。然而，超导发现至今，实用化的超导材料寥寥无几，脆性的氧化物超导材料如何制成柔细的线材成为目前高温超导的瓶颈。然而，１９世纪６０年代初期发现的Ｎｂ－Ｔｉ超导材料以其易加工、低成本、耐用成为最成功实用化、商业化的超导材料，在世界范围内得到了广泛应用。尤其是近年来制冷技术的发展，打破了制约ＮｂＴｉ低温超导材料应用的枷锁，极大的减少了Ｎｂ－Ｔｉ超导在应用过程的液氦消耗，甚至开发出了无液氦制冷技术。ＮｂＴｉ超导材料已成为超导技术发展的先锋，在医疗磁共振、磁共振分析谱仪、磁悬浮、磁分选、高能物理、单晶硅生长、超导储能等各个领域得到了广泛的应用。

ＮｂＴｉ超导材料的应用前景

超导材料以其零电阻、完全抗磁性的特点，在强调低碳经济发展的今天具有广阔的应用前景。ＮｂＴｉ３９　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＮｂＴｉ超导材料及其产业化前景分析　超导材料作为一种成熟的商品化超导材料，在世界范围内得到了广泛的应用，２０１１年消耗量超过３０００Ｔ。低温ＮｂＴｉ超导材料的产值占据了超导材料近９０％的市场，而且以每年５％～１０％的速度增长。

　世界超导材料市场发展趋势及预测

虽然近年来高温超导的发展非常迅猛，但是Ｎｂ－Ｔｉ超导材料在短期内是其他超导材料无法替代的。图５展示了ＮｂＴｉ超导材料与其他高温超导材料的价格变化比较。ＮｂＴｉ超导以其低廉的价格在相当长一段时间还具有广阔的前景。高温超导陶瓷相的特殊结构，使得其制备成本居高不下，脆性的陶瓷相给工程化应用也带来了难度，短期内的大规模应用还不现实。表２列出了不同应用领域要求的超导电流密度和磁场指标，可以看出在实际的工程化应用的场强背景下，ＮｂＴｉ超导材料的临界电流密度（３．０×１０５　Ａ／ｃｍ２＠５Ｔ，４．２Ｋ）具有绝对的优势，具有广阔的应用前景，尤其在医疗磁共振、工业磁分选、工业单晶生长具有绝对的优势。

４　ＮｂＴｉ超导材料的产业化分析

近年来，随着中国经济实力的增强，国家对低碳经济、和谐社会的发展需求，超导技术的应用和产业化迅猛发展，极大的促进了各超导技术应用企业对超导材料的需求，尤其是医用核磁共振、磁分选、超导磁控单晶硅直拉、高能物理上的长足发展，对ＮｂＴｉ超导材料的需求十分迫切。据不完全统计，目前涉及超导磁共振（ＭＲＩ）系统生产的本土企业已超过１０家，如上海美时医疗、上海联影医疗、上海卡福勒、南京丰盛超导、苏州安科、北京汇影医疗、北京万东医疗、辽宁开普医疗、东软医疗、宁波鑫高益等。此外还有医疗设别三大垄断企业ＧＥ　ｈｅａｌｔｈｅｃａｒｅ、Ｐｈｉｌｉｐｓ、Ｓｉｅｍｅｎｓ均有在中国设立制造基地。仅医疗超导磁共振一个领域就展现出了巨大的需求。２０１１年，超导磁共振消耗ＮｂＴｉ超导材料约３００Ｔ，预计到２０１５年将超过６００吨，到２０１８年将超过１０００吨。

在超导磁共振分析谱仪（ＮＭＲ）也有了产业化的希望，２０１０年１２月１３日，由金山研究（大连）核磁共振科技有限公司和中国科学院武汉物理与数学研究所合作，成立了中科金山武汉核磁共振科技有限公司，开始生产５００ＭＨｚ核磁共振波谱仪。超导磁共振分析谱仪的垄断企业安捷伦（Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｌｔｄ．）也有中国制造的设想。

在磁分选领域，产业化也已初显。潍坊新力超导磁电科技有限公司与中科院高能物理研究所共同开发超导磁选机、超导污水处理等项目被列入潍坊市重大发展合作项目，该项目总投资３亿元，一期工程投资６０００万元，现已具备商业化生产的能力。抚顺隆基磁电设备有限公司与中科院电工所联合研制超导高梯度磁分离机，适用于微细粒级弱磁性和顺磁性物料的分选，主要用于高岭土等陶瓷原料的提纯、煤脱硫、污水处理等。

在大规格单晶硅（３００ｍｍ 以上）是我国信息电子、太阳能光伏产业发展的一大软肋。超导磁控单晶硅直拉设备（ＭＣＺ）成为制约我国单晶硅产业升级的瓶颈技术，已被列入“十二五”规划重点开发项目。目前，光伏设备制造的龙头企业北京京运通已在积极开发，在不久的将来超导ＭＣＺ的国产化将助推我国信息电子、太阳能光伏产业的再一次腾飞。高能物理是一个国家科技水平发展的标志，近年来北京正负电子对撞机重大改造工程（ＢＥＰＣＩＩ）、上海同步辐射光源（ＳＳＲＦ）、加速器驱动次临界洁净核能系统（ＡＤＳ）、中国散裂中子源等高能物理的国家大型项目的启动更是进一步推动了ＮｂＴｉ超导材料的市场需求。此外，还有在ＩＴＥＲ项目点火成功后，在中国建立的热核聚变反应堆，更是为中国ＮｂＴｉ超导材料的产业化描绘了美好的蓝图。除了上述已初具产业化规模的ＮｂＴｉ超导材料应用领域，ＮｂＴｉ超导材料在超导储能、超导磁悬浮也展现了极大的潜力。日本以ＮｂＴｉ超导材料为基础的山梨实验磁悬浮已经取得圆满成功，日本东海旅客铁道公司以２０２７年投入运营为目标，正围绕磁悬浮中央新干线加快商业运营的技术开发。

从上述分析不难看出，随着综合国力的增强、科技的发展，中国对ＮｂＴｉ超导材料的需求将在未来五年内呈现出爆发式的增长。据业内人士预测，到２０２０年中国ＮｂＴｉ超导材料的需求将超过２５００吨，产值超过２０亿人民币。然而，目前国内具备ＮｂＴｉ超导材料生产的企业仅仅西部超导一家，目前其产能在１００Ｔ／年远远不能满足市场的需求，大量的ＮｂＴｉ超导材料目前还需要依赖进口，严重制约了我国超导产业的发展。ＮｂＴｉ超导材料产业是２ｌ世纪的朝阳工业，具有广阔的前景和美好的未来。