超导线圈

核聚变装置需要 5-10 T 以上的强磁场。铜线圈会产生数百 MW 的焦耳发热，消耗发电输出的大部分能量，因此电阻为零的超导线圈是必不可少的。维持超导状态需要冷却到 4 K 左右，但冷冻所需电力可控制在比常规导体线圈低 2-3 个数量级的水平。

超导材料

核聚变使用第二类超导体，利用其高上部临界磁场。

NbTi 加工性优异且成本低，但临界磁场仅 11.5 T 较低，用于 ITER 的 PF 线圈等低磁场部分。Nb3Sn 临界磁场约 25 T，可对应高磁场，但因是脆性材料需要热处理和应变管理。ITER 的 TF、CS 线圈采用了该材料。

REBCO 具有临界温度 92 K、不可逆磁场 100 T 超的特性，在 20 T 以上的高磁场中发挥优势。现在成本是 Nb3Sn 的 50-100 倍，但 MIT/CFS 的 SPARC 项目全面采用，正推进向紧凑型核聚变装置的应用。

TF 线圈产生环向磁场，D 字形形状使其电磁力仅以张力支撑。ITER 中 18 个 Nb3Sn 线圈产生 11.8 T 的最大磁场，蓄积能量达到 41 GJ。向心力每个线圈约 65 MN。

PF 线圈控制等离子体的位置和形状，配置在 TF 线圈外侧。最大磁场在 10 T 以下，可用 NbTi 对应。

CS 线圈作为变压器的初级绕组工作，通过磁通变化诱导等离子体电流。ITER 中使用 Nb3Sn 制造，最大磁场 13 T，可实现约 400 秒的脉冲运行。

大型线圈广泛采用 CICC。直径 0.5-1 mm 的超导线多段绞制形成电缆，收纳在不锈钢导管内。间隙中流动超临界氦气，将导体冷却到 4.5 K。

淬火是超导状态局部丧失，发热连锁扩大的现象。蓄积能量集中到局部会损伤导体，需要早期检出和迅速能量释放。用差动电压法检出淬火，通过外部电阻放电或加热器诱导的全面淬火将最高温度控制在 150-200 K 以下。

HTS 线圈淬火传播 1-10 mm/s 较慢，局域过热风险高，因此需要大的运行余量和高密度监测。No-Insulation 技术中电流在匝间迂回，具有自保护功能。

4.5 K 冷却 1 W 需要约 300 W 的电力。ITER 具有 75 kW 当量的冷冻能力，消耗约 25 MW 的电力。热负荷分为辐射传导导致的静态负荷和磁场变动时的交流损失及核发热导致的动态负荷。

HTS 的高磁场化可使装置小型化。磁场加倍核聚变输出密度增加 16 倍，SPARC 目标是主半径 1.85 m 实现 12.2 T，在 ITER 约 1/3 大小获得核聚变输出。今后的课题是 HTS 成本降低、淬火保护技术、放射线耐性的实证。