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1.超导材料
超导材料因其无阻载流、完全抗磁性等独特物理性质，是21世纪具有重大经济和战略意义的先进材料，在能源、交通、国防、科学仪器、医疗技术、重大科学工程等方面具有重要的应用价值。目前，在高场医用磁共振成像、高场超导磁体，以及高能加速器和可控核聚变大科学装置等需求的推动下，高场超导应用对磁场强度需求不断提高，对磁场强度的需求已逐渐突破了传统超导材料的极限，同时，面对规模化应用对降低制冷成本的要求，需要使用临界温度更高的超导材料，因此，具有高临界磁场、高临界温度的超导材料是未来超导强电应用的必需选择。由于传统的低温超导体只能在液氦温区（4.2K）下工作，其规模化应用受限于日益紧缺的液氦资源，因此，发展能够在制冷机较易达到的20K附近中温区进行使用的二硼化镁超导材料有重要应用价值。同时，发展以铜氧化物超导体和新型铁基超导体为代表的、具有高临界磁场的高温超导材料，突破其高性能、低成本制备技术，对发展先进高场超导磁体技术与装备具有重要意义。
二硼化镁（MgB 2 ）超导体自2001年被发现以来，由于其具有超导转变温度较高（39K）、晶体结构简单、原材料成本低廉及长线制备容易等一系列特点，引起人们广泛的关注。目前普遍认为MgB 2 超导材料在1～3T磁场及10～20K制冷机工作温度下的超导磁体应用上有着明显的技术和成本优势，有希望在这一工作区域替代传统低温超导材料或者高温超导材料。目前，二硼化镁线带材成材技术主要有：①粉末装管法（PIT），该工艺由于流程相对简单，目前已成为制备二硼化镁线带材的主要技术；②中心镁扩散工艺（IMD），也称为第二代二硼化镁线材。二硼化镁超导材料的晶界能承载较高的电流，并且能够通过改进加工工艺或者进行化学掺杂提高其临界磁场，从而扩展其在磁场下的应用范围。在二硼化镁超导材料方面，国外已实现线材商业化生产，而国内也具备千米级线材的制备技术。未来二硼化镁线材制备技术发展的主要方向仍然是提高其在磁场下的载流能力，获得具有实用化价值的长线加工技术和多芯线材加工技术。
铜氧化物高温超导材料主要包括铋系高温超导体BSCCO-2223（Bi-2223）和BSCCO-2212（Bi-2212），及钇系高温超导带材（YBCO）。Bi-2223超导材料是最早实现商业化的高温超导材料，被称为第一代高温超导带材，目前技术已经比较成熟，千米级的多芯超导线材已达到商业化生产水平。Bi-2223超导体具有较强的各向异性，在液氮温区，Bi-2223超导体主要面向超导电力应用，已在超导输电电缆、磁体、发电机、变压器、限流器等多个项目中获得示范应用。Bi-2212超导材料在低温下的高场超导磁体方面的应用具有明显优势，经过二十多年的研究开发，Bi-2212线材的性能和制备技术都取得了长足进步，已由实验室研究转入工业化初期制备。目前，Bi-2212线材的研究难点在于该材料组元众多，相成分复杂，需要进一步深入研究在熔化反应过程中的相转变过程和机理。YBCO超导体具有高超导转变温度、高载流能力、高不可逆场等优势，但其晶粒间结合较弱，难以用类似于铋系超导材料采用的粉末装管工艺制备线带材，通常采用基于柔性金属基带的薄膜外延生长技术进行制备，称为第二代高温超导带材（也称为涂层导体）。随着柔性织构基板和人工磁通钉扎技术的突破，YBCO涂层导体批量化制备技术逐渐成熟，未来有望支撑基于电力输变电系统的强电装备和基于强磁场的特种医疗、大科学装备、紧凑核聚变等超导实用技术的发展。近年来，国际上在二代高温超导带材方面发展迅速，正处于产业化应用前夕，我国通过快速追赶逐渐进入国际先进行列，已具备千米级二代涂层导体的生产能力。
2008年发现的铁基超导体具有临界转变温度高（ T c =55K）、各向异性较小（小于2）及上临界场极高（大于200T）等优点，在高场领域具有独特的应用优势。在目前发现的数百种铁基超导体中，实用化研究较多的主要有以下三个体系：1111体系（如SmOFeAsF、NdOFeAsF等），122体系（如BaKFeAs、SrKFeAs等），以及11体系（如FeSe和FeSeTe）。其中，122体系是目前最有实用化前景的铁基线带材，也是当前国际上的研究热点。由于铁基超导材料硬度高，具有脆性，因此采用粉末装管法（PIT）是制备线带材的首选技术途径。近年来，经过不断优化粉末装管法线材制备工艺，122型铁基超导线带材的临界电流密度得到迅速提高，在10T磁场下已经超过10 5 A/cm 2 的实用化门槛。近年来，基于粉末装管法的铁基超导长线研发获得突破，中国科学院电工研究所通过对长线制备过程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究，最终成功制备出长度达到百米量级的铁基超导多芯长线，为铁基超导材料的规模化制备奠定了基础。随后，研制出国际首个铁基超导高场内插超导线圈，在24T背景场下进行了高场应用可行性验证。以上进展表明，以粉末装管法为技术框架的实用化铁基超导线带材将具有很高的性价比，市场潜力大。未来工作应主要针对铁基超导线的实际应用，进一步提高磁场下的临界传输性能，提高线材电磁-机械性能，同时完善实用化、规模化长线制备工艺路线。
2.超导电工应用
超导磁体由于其具有能耗低、体积小、重量轻等优点，已经展现了极大的优势，其应用日益广泛。而低温超导材料所能产生的最高磁场限制在23T，要实现更高的磁场，目前的发展趋势是采用高低温超导磁体组合优化的方式产生更高的磁场。近年来，中、日、美在全超导极高场磁体上的竞争均已迈入30T门槛。最近，采用二代高温超导带材结合NbTi和Nb 3 Sn低温超导体，我国成功研制出中心磁场高达32.35T的全超导磁体，打破了此前由美国创造的32T世界纪录，标志着我国高场内插磁体技术已经达到世界领先水平。在大口径高场磁体技术方面，我国还存在着“卡脖子”问题，亟需突破相关关键技术，打破国外技术垄断。
超导磁体科学是基于非理想第Ⅱ类超导体形成的线材、带材、电缆和块材及薄膜，研究强磁场的产生和获得、电磁能量转换及应用的一门科学。它涉及强电和强磁场方面的应用基础研究，涵盖了电工装备的诸多方面，是超导物理与材料科学、电工学、物质科学、能源交通、生命科学和信息科学及高精密仪器的交叉学科。超导磁体具有能耗低、体积小、重量轻等优良的特性，已经广泛应用在能源、信息、交通、科学仪器、医疗、国防和重大科学工程等诸多领域。
目前低温超导材料所能产生的最高磁场限制在23T，为了实现更高的磁场，需要高低温超导磁体在极低温条件下组合优化运行。近年来，中日美及欧洲等在全超导极高场磁体上的竞争均已迈入40T门槛。
在超高场全超导磁体研究方面：2016年，日本理化学研究所研制出27.6T全超导磁体，并于2019年研制出用于技术验证的31.4T全超导磁体。2017年，美国高场实验室开发出32T全超导磁体并向用户开放。欧洲布鲁克公司已经研制出28.2T高均匀度全超导磁体，已用于1.2GHz的核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）系统并进行市场化销售。2019年，中国科学院电工研究所采用二代高温超导带材结合NbTi和Nb3Sn低温超导体，成功研制出中心磁场高达32.35T的全超导磁体，打破了此前由美国创造的32T世界纪录，标志着我国高场全超导磁体技术已经达到世界领先水平，2023年，研发出用于综合极端条件实验装置的1.15GHz固体核磁共振波谱仪和30.15T量子振荡的全超导磁体系统；目前，美国高场实验室和欧洲强磁场实验室均已启动40T全高场超导磁体研制计划。但是继续提高超导磁体的场强极其困难，其瓶颈主要在于：超强磁场下超导线带材及线圈的电、磁、力、热等多物理场非线性耦合，极高场下超导材料性能退化机制等尚不明晰、多元复合超导材料极高场下的服役边界未知、极限服役设计方法缺乏、极高场超导线圈存在巨大磁热和机械不稳定性，以及相关构造理论和技术尚不完善等。这些关键技术瓶颈限制了更高磁场超导磁体的构建。在大口径高场磁体技术方面，我国年需求超百亿元，影响超千亿产业规模，目前主要依赖于进口，存在“卡脖子”风险，亟需突破相关关键技术，打破国外技术垄断。
高磁场应用于散裂中子研究方面，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的散射中子装置LANSCE结合强磁场和散射中子源进行材料科学的研究，提出并建造强磁场装置，其磁体系统提供磁场强度为30T。磁场强度达到30T的磁体系统结合中子散射研究物质结构和其他在低磁场条件下不可能实现特殊实验。目前，世界上强磁场和散射中子源相结合有日本的KENS/KEK（磁场强度达到26T）、美国的LANSCE（磁场强度达到30T）及德国的BENSC-HMI（磁场强度达到30～40T的稳态）。在日本JRR3M中子源上装备高磁场的超导和水冷Bitter磁体，目前JRR3M正在计划发展50T级的混合磁体系统并配置到现在的散射中子源上。在德国，位于HMI（Hahn-Meitner-Institute）散射中子源的BENSC，目前装备的磁场有5T、15T和17.5T的超导磁体系统。为了使散射中子源的使用范围进一步扩展，HMI已经建议发展40T直流稳态磁体系统并配置到中子源实验站上。这个新的工程结合两个大规模的装置研究材料的磁和相关现象。散射中子源和强磁场装置的结合，充分扩展了散射中子源装置连续运行在30～40T强磁场中的使用能力。超导磁体和同步光源的结合主要采用分离线圈磁体系统。
在高磁场磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）磁体研究方面，超导磁体用于产生不同强度和分布的磁场，例如，用于人体成像磁体MRI，要求在30～50cm的球形范围内产生1.5～3T的磁场，在均匀区域内，磁场不均匀度应该小于10 -5 。由于MRI要求线圈具有大体积、高磁场和均匀度，MRI主要采用超导磁体使用铁磁屏蔽和主动屏蔽技术。在超导线圈早期的设计中，采用4～6个同半径的线圈组成，但是医学成像和介入治疗技术的发展要求MRI具有开放性。超导MRI磁体系统的发展趋势是超短腔、高磁场和完全开方式磁体结构，目前最短的线圈长度为1.25m，超短线圈有利于减小液氦的消费和减小病人的幽闭症。高磁场、高均匀度的超导磁体设计和建造技术是发展人体MRI及相关磁体系统的关键，也是实现数字化医疗技术的核心部分。我国超导磁共振成像的研究起步较晚，从2008年开始，中国科学院电工所与国内企业合作，在2012年研发出中国首台超导铁磁混合的0.5～0.7T分离间隙480mm的开放式磁共振磁体系统；2017年研发出1.5T和3T全身磁共振少液氦超导磁体系统，实现年产300台套；2018年研发出1.5～7T无液氦动物成像磁体系统；2021年研发出亚洲最高磁场9.4T和室温孔径800mm人体全身MRI系统；2022年研发出世界首套无液氦0.7T开放式和1.5T圆柱形医用人体磁共振磁体系统。近年来，联影、鑫高益等可以提供1.5～3T的超导MRI系统。高磁场MRI是目前研究的重要发展趋势，目前7T高场MRI装备主要被西方发达国家垄断，西门子（SIEMENS）、通用电气（GE）的7T人体MRI已经拿到美国食品药品监督管理局（FDA）的注册证，其组织结构分辨率和脑结构与功能成像能力相比于常规产品得到较大提升，在微小病灶检测、脑功能成像等方面展现出强大的应用价值。自2006年美国明尼苏达大学发布第一张人体9.4T的MRI以来，超高场MRI显著的信噪比和分辨率优势支撑了众多原创性的发现。此外，美国明尼苏达大学引进了西门子研发的10.5T人体MRI系统，已经成功应用到脑科学研究；法国原子能和替代能源委员会（CEA）与西门子合作研发出目前人体最高场强的11.75T人体MRI系统，正在进行最终调试；中国、欧洲、韩国的脑科学计划提出研发14T人体MRI系统；美国国家自然科学基金会在2013年度战略报告中明确提出尽快启动研发超高场20T的MRI系统用于头部和四肢检测，以保证美国在该领域的领先地位。由此可见，磁场强度的不断提升是MRI的重要发展趋势。
自从1950年第一台NMR波谱仪问世以来，NMR作为决定物质结构的有效工具，广泛使用在世界各大实验室，成为当代生物医学和化学及材料的重要分析工具。作为NMR系统使用的超导线圈，具有结构紧凑、电流和磁场稳定、磁体提供的磁场极其均匀和极高的磁场，今天较好的高磁场超导材料包括Nb 3 Sn或三元化合物（NbTa）3Sn，未来，包括YBCO和Bi2212的超导材料是高磁场NMR的主要选择线材。目前普遍使用的NMR磁体具有标准孔径52mm，磁场2.35～22.33T对应频率为200～950MHz，超导磁体的储能0.018～26MJ。高磁场NMR磁体需要提供的磁场的稳定度达到10 -8 /h，在测量范围为0.2cm 3 的球形范围内磁场均匀度达到2×10 -10 。通过特殊设计的超导线圈产生均匀磁场分布，同时使用shim线圈进一步提高磁场的均匀度。超导NMR的主线圈提供系统的主磁场，主线圈通常使用不同厚度的超导线，最小的超导线放置在线圈的最外层，较大的超导线用于靠近中心磁场的区域，整个线圈运行在相同的全电流，这将导致超导线圈在半径方向具有非均匀的电流密度分布。20世纪末和21世纪初，世界超磁体科学发展的最明显标志是950MHzNMR达到商业可利用，1GHz NMR可以提高分辨率，以及研究蛋白质和其他大分子结构，可望在未来几年内研制成功，使人类能够更加有效地发现新型药物和解开遗传变异之谜。世界上研制成功的900MHz核磁共振超导磁体系统包括宽孔 ϕ 144mm的NMR磁体和920MHz的磁体内孔 ϕ 78.4mm，未来升级达到1GHz。目前，超导磁体科学发展的最明显标志是950MHz～1.2GHzNMR达到了商业应用水平，对于分析、确定蛋白质和其他大分子结构，极大地提高了共振谱线的分辨率。目前，世界范围内正在开发1.3GHzNMR系统以发现新型药物。
国外已经在大力发展高温超导磁体技术。如美国的MIT已经研制出了用于未来聚变堆SPARC的高温超导磁体，其最高磁场达到20T。欧盟、美国和日本等相继开展了EU-DEMO、SPARC、JA-DEMO聚变堆装置高温超导磁体安全研究和试验件研制工作。传统低温超导液氦的来源——氦气，是稀缺昂贵战略资源，长期被美国垄断（我国80%依赖进口，日本95%以上依赖进口），近年随着高温超导技术发展，美国商务部自2018年起针对高参数REBCO和Bi2212高温超导技术对华出口开展特殊清单审批和管控，美国能源部下属所有国家实验室全面阻断与中国在此领域的合作。中国聚变工程实验堆CFETR目前处在工程设计和预研阶段，亟待结合自身特色，发展万安级、大尺寸、高稳定性高温超导磁体技术，是当前聚变堆高场磁体发展面临的最为严峻的挑战之一。
在聚变超导磁体俘获场/屏蔽场研究方面：针对大型高载流的高温超导磁体，基于大空间全过程四维时空俘获场/屏蔽场还没有有效的计算方法，进一步导致了极端服役工况（大应力、外部背场和等离子体电流动态响应等）大截面超导磁体的动态磁通蠕变/弛豫、中心场漂移规律、失超安全等研究无法系统开展。2018年，巴黎萨克雷大学和法国原子能委员会CEA研究机构的Philippe团队连续发文阐述在FRESCA2装置18T级单匝密绕内插高温超导磁体由于自场和背场磁耦合感应屏蔽电流引起的磁漂移和失超问题。但面对上述问题，以Beam等临界态模型为基础针对密绕型（单个带材连续绕制、电流＜200A）自场条件下小型高温超导磁体的方法，已经无法有效计算复合化导体结构（如TSTC、CORC等）成型的高场高温超导（如REBCO、Bi2212等）磁体的磁化过程、磁渗透效应，如日本千叶大学Y.Yanagisawa、英国巴斯大学M.Zhang、美国麻省理工Y.Iwasa等人发展的低电流小型高温超导磁体相关数值模型方法，只能初步得到单带密绕小型高温超导磁体屏蔽磁场（ B s / B c ）与渗透场规律。如何深入研究适用于大型聚变堆高温超导磁体系统的屏蔽场/俘获场先进计算方法，解明大梯度、多场及周期性载荷下的性能衰退机制，掌握聚变堆高温超导磁体动态磁渗透模式和稳定性阈值行为规律的评估方法，对于从源头上解决聚变大型高温超导磁体安全问题至关重要。
在聚变高场高温超导磁体交流损耗预测和稳定性研究方面：聚变高场高温超导磁体在磁场波形需要快速切换（0.1～1.5T/s）情况下产生的交流损耗热沉积，也会导致磁体温度和热量上升，进而使超导体局部热点温度超过分流温度阈值引起失超。此外，大载流（20～60kA）、高磁场（5～15T）、多线圈扰动耦合效应、高应变等也会导致磁体稳定性裕度进一步下降。未来聚变主流的高场高温超导磁体相比低温超导磁体，在仿真计算、临界性能退化机理和损耗演变机理方面均不同。针对二代高温超导磁体高效电磁-力-热耦合模型研究，目前业内所构建的二代高温超导磁体的有限元模型多数还停留在二维模型，主要原因包括：对于REBCO带材的应用是堆叠密绕型，采用二维模型可以较准确地模拟；REBCO带材特殊的几何和电磁特征导致难以按照设备实际的结构进行三维建模。随着REBCO带材多样化的绕制方式和应用场景，超导磁体仿真模型也开始向装置大型化、三维复杂化、多物理场耦合等方向发展。尽管已有多种优化方法推出，但是由于YBCO带材特殊的几何和电磁特征，要实现大型三维高温超导磁体的电磁计算仍然很困难：不仅需要消耗大量的计算资源和时间，模型的收敛性也较差，难以呈现实际设备的电磁、应力等参数特征。因此，聚变高场高温超导磁体基础研究，特别是俘获场/屏蔽场机理研究、交流损耗预测与稳定性裕度研究等领域，是下一步聚变装置建设需要解决的关键科学问题之一，这也是目前国际聚变领域亟待解决的前沿科学问题。
在超导电力技术应用方面，从20世纪90年代以来，美国、丹麦、日本、韩国等国家先后开展并完成了高温超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导电机及超导储能系统等方面的研究，大部分实现了示范运行。我国在该领域的研究与国际基本同步开展，先后研制出配电级超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导储能系统等超导电力设备，并建成全球首座超导变电站，实现了挂网示范运行；并进一步完成高电压等级的超导电缆和超导限流器、多功能集成型的超导储能-限流系统和超导限流变压器的前期研发和初步测试。
总体上，我国在超导材料及电工应用领域均有丰富的技术积累和完整的产业布局，近年来取得了一系列具有国际先进水平的成果，在一些方向上具有自身的特色和优势。加快超导材料的实用化研发和规模化应用，发展新型超导电力装备与超导高场磁体关键技术，对推动我国前沿基础科学研究、医疗健康产业、能源交通和深海深空战略有重要意义。