超导材料行业：高温超导有望后来居上 可控核聚变装置将成重要应用方向

一、超导材料作为前沿新材料领域重要分支，已成为国民经济支柱产业升级的重要支撑。

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。

超导材料具备零电阻、完全抗磁性、量子隧穿效应三大基本特性

资料来源：观研天下数据中心整理

超导材料分类

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根据观研报告网发布的《中国超导材料行业现状深度研究与发展前景分析报告（2025-2032年）》显示，超导材料行业处于产业链的中游，是未来能源电力、高端制造等国民经济支柱行业实现产业升级的重要支撑。超导材料行业上游为矿产资源，包括稀土矿、银矿、铜矿、镍矿等。 下游应用主要集中在两个方向：一方面，在强电方向，其可用于增强载流量，减轻电工装备的重量、减小体积、减少占地面积以及提升能效等，主要用于电力领域，如超导电缆、超导限流器、超导电机（调相机）、超导储能系统等；另一方面，在高场方向，利用其大电流产生的大磁场，可广泛服务于可控核聚变、大科学装置、高端制造、医疗装备等领域。

超导产业产业链

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二、超导技术不断突破，高温超导有望后来居上

根据《超导材料科学与技术》，现在发现的超导材料有上千种，但具有实用化前景的超导材料仅不足十种，目前实用化的主要包括低温超导材料中的NbTi、Nb3Sn和高温超导材料中的YBa2Cu3O6（YBCO）、Bi2Sr2Ca2Cu3O10（Bi-2223）和Bi2Sr2CaCu2O8（Bi-2212）等 4~5种。

20世纪60年代，低温超导材料率先实现工程化突破。铌钛（NbTi）合金凭借良好的延展性与成本优势，成为核磁共振成像（MRI）磁体的核心材料，1973年首台商用MRI设备的诞生，标志着超导技术从实验室走向医疗临床。同期发展的铌三锡（Nb3Sn）则因更高的临界磁场，被应用于粒子加速器磁体，如CERN的大型强子对撞机（LHC），其8.3T超导磁体支撑起高能物理研究的基础。这一阶段的低温超导技术虽依赖液氦冷却，却为后续发展奠定了材料制备与磁体设计的技术基础。

1986 年铜氧化物高温超导体的发现，彻底改变了超导应用的格局。瑞士科学家缪勒与柏诺兹在BaLaCuO体系中实现35K超导突破后，中美团队迅速将临界温度提升至液氮温区（90K以上）。铋系（Bi系）铜氧化物率先实现产业化：1999年，德国埃森市投运的Bi-2223超导电缆（10kV级），验证了高温超导在电网中的长期稳定运行能力；日本住友电工通过高压热处理技术，将Bi-2223带材载流能力提升至280A（77K自场），成为早期超导电力的标杆。与此同时，钇钡铜氧（YBCO）涂层导体（第二代高温超导带材）在21世纪初崭露头角，其多层复合结构通过离子束辅助沉积（IBAD）等技术实现双轴织构生长，美国SuperPower、中国上海超导等企业相继实现千米级带材量产。2021年，上海建成全球首条35kV千米级超导电缆（REBCO带材，RE为稀土元素，YBCO即为钇（Y）基的REBCO材料），输电损耗仅为传统铜缆的8%，为城市中心电网升级提供了全新方案。

进入21世纪，超导材料家族持续扩容。2001年发现的二硼化镁（MgB2，Tc=39K）填补了中温低场空白，其成本低、易加工的特性使其在15-25K制冷机温区迅速应用，美国HyperTech、中国西部超导等企业实现3km级线材生产，用于低场MRI和风电电机。2008年铁基超导体的问世则打开了高场应用新维度，中国科学院电工所通过粉末装管法制备出百米级铁基线材（如BaKFeAs体系），在30T强磁场下仍保持120A/mm²载流能力，为下一代核聚变堆（如CFEDR）和1GHz以上核磁共振谱仪奠定了材料基础。伴随制备技术革新，REBCO带材产能在2023年突破2000公里，成本从2015年的500美元/米降至80美元/米，推动韩国KEPCO建成23kV超导电网主干网，输电容量提升至传统线路的5倍。

如今，超导技术正站在新突破的前夜。尽管室温超导探索（如高压下的C-S-H材料）尚未跨越应用门槛，但REBCO带材在磁悬浮（如上海600km/h试验线）、量子计算（如中国本源量子芯片）等领域的应用已初现端倪。从液氦到液氮，从百米级试验到千米级商用，超导材料的发展始终以“提升温度阈值、降低系统成本”为主线，持续赋能能源、交通与尖端科技，等待下一次颠覆性突破的到来。

超导材料临界温度的发展历史

资料来源：《下一代创新科技》，观研天下整理

代际划分与技术迭代逻辑

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低温超导材料目前已实现产业化。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。

低温超导的高温超导的区别

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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。

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三、可控核聚变装置是超导材料的重要应用方向

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，托卡马克为核聚变装置的主流路线。

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%。磁体由制冷机、低温恒温器、圆筒骨架、超导线图、失超保护模块、超导开关、磁屏蔽铁轭等构成。超导磁体的制备需要将超导带材绕成线圈，并且控制绝缘、应力、传热、冷却，做成磁体。根据《Superconductors for fusion:a roadmap》（Neil Mitchell et al），ITER与DEMO项目的成本分布：

ITER实验堆阶段：磁体系统（28%）是最大成本项，低温超导材料（Nb3Sn/NbTi）的高成本凸显了超导技术的关键地位，但其局限性（如液氦依赖、磁场强度上限）亟待突破；真空容器（8%）和土建厂房（14%）的高占比则反映了实验装置对极端工程条件（超高真空、抗辐照）的重度依赖，而分散的辅助系统（如功率供应8%、仪器控制6%）则揭示了复杂系统集成的技术挑战。

DEMO示范堆阶段：产业链重心显著向商业化落地倾斜，高温超导（如REBCO）的紧凑化设计有望大幅降低磁体成本，真空容器成本锐减至2%（得益于3D打印钨基复合材料和模块化工艺），而核聚变电站的平衡系统跃升为最大成本项（25%）。

资料来源：IAEA，观研天下数据中心整理

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高温超导材料行业处于产业链的中游，是未来能源电力、高端制造等国民经济支柱行业实现产业升级的重要支撑。根据上海超导招股说明书，截至2024年，高温超导材料下游应用领域中，可控核聚变装置磁体占比38%，已经成为高温超导材料最大单一应用场景。

全球可控核聚变的“科技竞赛”加剧。根据核聚变工业协会，截至4M24,全球已有45家商业化核聚变公司，吸引了 71 亿美元的投资，其中美国投入最多。国外公司主要包括CFS、TE 等。我国对于核聚变的投入从 2022 年开始加速，2023-2024 年每年支出保持在10 亿美元左右，追赶态势明显。目前我国商业化核聚变公司主要包括能量奇点、星环聚能等。目前全球大约70%的商业化核聚变公司表示预计在2035年之前能做出第一台商业化的示范堆并完成核聚变发电并网。

近年来全球各国积极出台核聚变领域鼓励发展政策

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我国近年来核聚变领域研究与发展加速

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可控核聚变技术的持续发展推动行业产业化进程，特别是商业化核聚变公司较多采用的紧凑型托卡马克路径，单台装置对高温超导材料的需求在数千公里至数万公里不等，随着核聚变产业化提速，将有效拉动高温超导材料需求上行。2024 年全球可控核聚变装置使用的高温超导材料市场规模为3.0亿元，预计2030年将达到49.0亿元，2024-2030 年 CAGR 为 59.3%。

数据来源：观研天下数据中心整理（wys）