专利先行，期刊留白
——Tokamak Energy 磁体技术路线深度调研
从 ST40 铜磁体到 Demo4 系统级 REBCO 平台的装置演进；部分绝缘（Partial Insulation, PI）三代专利族；26 篇 DOI 验证论文与约 60 个磁体专利族全景；以及与 STEP、SPARC 的路线对比。
摘要与总判断
Tokamak Energy（英国牛津 Milton Park，前身 Tokamak Solutions，2009 年自 UKAEA Culham 分拆）的磁体路线一句话：用铜磁体 ST40 验证物理，用 Demo2→Demo3→Demo4 逐级验证 HTS 磁体，以部分绝缘专利族为护城河，指向 2030 年代初 ST-E1 原型发电堆（最高 200 MW 净电）。✓
44 个 REBCO 线圈组成托卡马克位形（14 TF 臂 + 2 PF 堆叠）、38 km 带材、设计 >18 T、12 MA 安匝、16.5 MJ。2025-11 实测 11.8 T @ 30 K；公司强调组合磁环境效应"无法通过单线圈测试捕捉"——直接对标 CFS TFMC。
Demo2/Demo4 与 PI 技术至今无专门期刊论文，以约 60 个磁体专利族 + 会议报告（EUCAS 2021 / ISS 2022 / MT-28 2023）+ 新闻稿发布。论文集中在定标（Costley/Sykes）、屏蔽（Windsor 系列）与 ST40 物理。
2013–15 圈地（ST+HTS 整机、带材取向）→ 2016–19 护城河（失超保护 + PI 密集互锁网）→ 2021–25 工程化（可切换绝缘、紧凑接头、增材制造骨架、商业化引线）。屏蔽主线 12 年不断代。
装置路线演进 ✓
| 装置 | 年代 | 磁体 | 里程碑 |
|---|---|---|---|
| ST25 | 2014 | 铜 | 概念验证 |
| ST25-HTS | 2015 | 全 HTS TF（首台） | 氢等离子体维持 29 小时 |
| ST40 | 2018– | 铜（液氮预冷） | 轴上 2.1 T（当时全球最高场 ST）；2022 年 D-H 离子温度 1 亿摄氏度 |
| Demo2/3/4 | 2019–2026 | 全 REBCO 演示磁体 | 见 §2 |
| ST80-HTS | 原定 2026（滞后） | 中等规模 HTS | 长脉冲运行 + HTS 磁体控制/保护验证 |
| ST-E1 | 2030s 初 | 全尺寸 HTS | 原型发电堆，最高 200 MW 净电 |
堆型定标（Costley 2019 📄）：紧凑 ST 先导堆 R₀=1.35 m、Q=10、聚变功率 200 MW，对应中心柱导体峰值场 20.2 T、等离子体电流 7.2 MA、屏蔽仅 0.31 m、制冷厂电功率约 3.0 MW ◐。注意：一条"Demo4 装配 2023 年完成、测试延续至 2024"的时间线被 0-3 否决 ✗，不应采信。
Demo 磁体系列与试验设施
Demo2：部分绝缘的实验验证 ✓
建模设计为失超安全（quench-safe）、可调 PI；实测无自发失超、耐受 >40 J 热脉冲、强制 200 kJ 失超后无退化、失超峰值电压 <0.1 V。经验证的 Raccoon 失超模型外推 ST80-HTS：Cu U 型槽分流下失超温度峰值约 250 K、单臂电压 ≤250 V、12 臂 TF 组对地 ≤3 kV（仿真值）。
Demo3：20 K 高场纪录 ✓
世界首个 20 K 下带材上磁场 >22 T 的传导冷却全 REBCO 磁体（公司称"首次 >20 T @ >20 K"，早于 CFS 2021 年 TFMC；2019 年媒体独立报道 24.4 T @ 21 K）。焊料固结 NI 线圈 + ETI 板模块；故意损坏的线圈仍稳定运行、无自发失超。
Demo4：系统级旗舰平台 ✓
TF 线圈采用部分绝缘堆叠带材电缆 + ETI 接头（每臂 2 饼）；约 20 K 真空传导冷却，10 台闭式制冷机 + 3 台氦冷风机加压氦回路，无低温液体；20 K 运行制冷功率比 4.2 K LTS 低约五倍。时间线：2022-12 过半 TF 线圈完成 → 2023-09 首个 TF 臂液氮 -200°C 电磁测试通过（含接头电阻，MT-28 发布）→ 2025-11 整机 11.8 T @ 30 K → 更高场结果预计 2026 年初。
Demo4 全部性能数字来自公司新闻稿与公司人员会议报告（自我报告），尚无同行评审核验；>18 T @ 20 K 与 12 MA 安匝仍是设计目标而非实测值（该表述本身为 2-1 分歧票）。引用时应保留"公司口径"标注。
CCCS：中心柱压应力试验台 ✓
低温线圈压缩系统（Cryogenic Coil Compression System，AMR WP4.4，自行设计建造）：对 20 K 通电 REBCO 小线圈施加最高 500 MPa 径向压缩，应变片/FBG/电压引线/温度传感器实时监测带材压应力退化——服务于 ST 中心柱 bucking（向心挤压）应力验证（此关联为合理推断）。2022 年底建成投用。
核心技术：部分绝缘三代演进 ✓⚖
TE 区别于所有竞争者的技术标识是工程化可调匝间电阻——既非全绝缘（依赖 kV 级快放电），也非纯 NI（大磁体被动保护不足，SPARC TFMC 已实验证伪；且充磁慢）。三代专利构成完整演进：
金属带两面涂绝缘层并开"窗口"，两面窗口平面内偏置，迫使匝间电流沿金属带横向流动 → 可控匝间电阻（铜电阻率的 10²–10¹⁵ 倍）。定量设计公式 R_TT = d²ρ/(4wtL)（d 窗口间距、ρ 电阻率、w 带宽、t 带厚、L 匝长），示例黄铜带实现 2.54 μΩ。专利论证：PI 延长被动保护时间窗（热点升至 200 K 前）、允许更高工程电流密度、解决"快充磁 vs 低失超温度"权衡。
绝缘层内嵌两类导电轨道：提供受控匝间电阻的"链接轨道" + 电感耦合但电气隔离的"拾波轨道"。HTS 局部逼近临界、电流开始经链接轨道分流时，拾波轨道感应出对应变化——把绝缘层本身变成分布式失超预警传感器。
匝间绝缘层嵌入与常导材料串联的 HTS 桥作径向分流路径：线圈局部失超时 HTS 桥同步失超、径向电阻升高，充当电流限制器阻止分流涌入热点，使能量均匀耗散——解决普通 PI 在高 I/Ic 区域的局部热点问题。
配套失超保护/检测专利网（全部授权 ⚖）：canary tape 牺牲带预警（US11557893，2015）、光纤测温 + 可打开接头能量泄放（US11776721 + 继续案 US12562298，2016）、分条检测带（US11101059，2017）、应变/磁场前兆检测（US11749434，2019）、磁场触发主动失超启动（US11469022，2018）、PI/NI 快速泄放（WO2020104807 族，2018）。
SPARC："NINT + 外部加热器主动均匀失超"；STEP："PI + 储能驱动嵌入加热器"（端电压 <150 V 硬约束）；TE："可设计匝间电阻 + 内置诊断 + HTS 桥自适应限流"。三家殊途同归于"可调电阻 + 主动干预"，但 TE 最强调把保护功能嵌入绝缘层本身，且专利占位最早（2018 优先权早于 STEP 公开 PI 方案数年）。
已发表论文清单 📄 26 篇，DOI 全验证
关键元发现：磁体核心技术无专门期刊论文——Demo2/3/4 与 PI 成果只见于专利、EUCAS 2021（van Nugteren）、ISS 2022（Bateman）、MT-28 2023（Bateman）与新闻稿。建议关注 MT-29 / ASC 2026 特刊。
(a) HTS 磁体与失超保护
| 论文 | 期刊/年份 | DOI |
|---|---|---|
| Gryaznevich et al., Progress in application of HTS in tokamak magnets | FED 88:1593 (2013) | 10.1016/j.fusengdes.2013.01.101 |
| Mitchell et al.（含 TE Slade/Brittles/Bateman），Superconductors for fusion: a roadmap | SUST 34:103001 (2021) | 10.1088/1361-6668/ac0992 |
| Windsor & Kamal, Faster Fusion Power from STs with HTS（书章节） | IntechOpen (2022) | 10.5772/intechopen.106181 |
(b) 中心柱与中子屏蔽（Windsor 系列）
| 论文 | 期刊/年份 | DOI |
|---|---|---|
| Windsor, Morgan, Buxton — 超导中心柱热沉积 | Nucl. Fusion 55:023014 (2015) | 10.1088/0029-5515/55/2/023014 |
| Windsor et al. — ST 电站功率沉积建模 | Nucl. Fusion 57:036001 (2017) | 10.1088/1741-4326/57/3/036001 |
| Windsor & Morgan — 屏蔽超导芯的中子/伽马通量与辐照损伤 | Nucl. Fusion 57:116032 (2017) | 10.1088/1741-4326/aa7e3e |
| Windsor et al. — 胶结 WC 与含硼化物屏蔽设计 | Nucl. Fusion 58:076014 (2018) | 10.1088/1741-4326/aabdb0 |
| Windsor et al. — 硼化钨屏蔽 | Nucl. Fusion 61:086018 (2021) | 10.1088/1741-4326/ac09ce |
| Chandrasekhar et al. — 预概念 ST 电站屏蔽材料性能 | Nucl. Sci. Eng. 200:280 (2025) | 10.1080/00295639.2025.2548107 |
| Humphry-Baker & Smith（TE 合作）— 紧凑 ST 屏蔽材料 | Phil. Trans. A 377:20170443 (2019) | 10.1098/rsta.2017.0443 |
(c) 装置概念与系统定标
| 论文 | 期刊/年份 | DOI |
|---|---|---|
| Costley, Hugill, Buxton — 托卡马克先导堆的功率与尺寸 | Nucl. Fusion 55:033001 (2015) | 10.1088/0029-5515/55/3/033001 |
| Costley — 聚变三乘积与功率增益 | Nucl. Fusion 56:066003 (2016) | 10.1088/1741-4326/56/6/066003 |
| Sykes et al. — Opportunities and Challenges for Compact Fusion Energy | FST 68:237 (2015) | 10.13182/fst14-984 |
| Sykes et al. — Compact fusion energy based on the ST | Nucl. Fusion 58:016039 (2018) | 10.1088/1741-4326/aa8c8d |
| Costley — Towards a compact ST fusion pilot plant | Phil. Trans. A 377:20170439 (2019) | 10.1098/rsta.2017.0439 |
| Windridge — Smaller and quicker with STs and HTS | Phil. Trans. A 377:20170438 (2019) | 10.1098/rsta.2017.0438 |
| Buxton et al. — ST 能量约束时间与先导堆设计 | PPCF 61:035006 (2019) | 10.1088/1361-6587/aaf7e5 |
| Costley & McNamara — 球形与常规托卡马克聚变性能 | PPCF 63:035005 (2021) | 10.1088/1361-6587/abcdfc |
| Gryaznevich & Asunta — ST40 建造概况 | FED 123:177 (2017) | 10.1016/j.fusengdes.2017.03.011 |
| Schoofs & Todd — 紧凑 ST 电站磁场与功耗约束 | FED 176:113022 (2022) | 10.1016/j.fusengdes.2022.113022 |
| Gryaznevich, Chuyanov, Takase — 脉冲球形托卡马克 | Plasma 5:247 (2022) | 10.3390/plasma5020019 |
| Kingham & Gryaznevich — ST 聚变之路与公私合作 | Phys. Plasmas 31:042507 (2024) | 10.1063/5.0170088 |
(d) ST40 物理（代表作）
| 论文 | 期刊/年份 | DOI |
|---|---|---|
| Gryaznevich & Sykes — 合并压缩形成高温等离子体 | Nucl. Fusion 57:072003 (2017) | 10.1088/1741-4326/aa4ffd |
| Buxton & Gryaznevich — ST40 合并压缩预测 | FED 123:551 (2017) | 10.1016/j.fusengdes.2017.04.067 |
| Gryaznevich et al. — ST40 高场实验 | Nucl. Fusion 62:042008 (2022) | 10.1088/1741-4326/ac26ee |
| McNamara et al. — ST40 离子温度突破 1 亿 K | Nucl. Fusion 63:054002 (2023) | 10.1088/1741-4326/acbec8 |
| McNamara et al. — ST40 近期结果综述 | Nucl. Fusion 64:112020 (2024) | 10.1088/1741-4326/ad6ba7 |
| Asunta et al. — ST40 结果与未来综述 | Nucl. Fusion 66:116004 (2026) | 10.1088/1741-4326/ae4a3c |
专利组合全景 ⚖ Google Patents 全量
数据源：Google Patents 检索 API（assignee = Tokamak Energy），255 条公开文本、约 138 个族组；磁体相关约 60 族，分六类。PI 三代与失超保护网已在 §3 详述。
A · 部分绝缘与失超保护/检测/泄放（18 族）
| 代表专利 | 标题 | 优先权 | 要点 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| US11101060B2 | Partially-insulated HTS coils | 2018-02 | PI 基础（第一代） | US/EP/CA 授权 |
| US11398329B2 | PI with diagnostic pickup coils | 2019-04 | 内嵌诊断（第二代） | 授权 |
| WO2021122522A1 | HTS linked partial insulation | 2019-12 | HTS 桥限流（第三代） | EP/JP/KR/CN 授权 |
| US11557893B2 | Quench protection (canary tape) | 2015-09 | 牺牲带早期预警 | 授权 |
| US11776721B2 (+US12562298B2) | Quench protection in HTS magnets | 2016-10 | 光纤测温 + 可打开接头能量泄放 | 均授权 |
| US11190006B2 | Quench protection circuits | 2016-12 | 主动保护电路 | 授权 |
| US11101059B2 | Quench detection | 2017-03 | 分条 HTS 检测带 | 授权 |
| US11469022B2 | Quench initiation system | 2018-01 | 磁场触发主动失超启动 | 授权 |
| US11749434B2 | Strain/field-based quench detection | 2019-11 | 应变/磁场前兆检测 | 授权 |
| WO2020104807 族 | Rapid dump of NI/PI magnets | 2018-11 | 串联可失超段吸收储能 | 继续案审查中 |
| US12586702B2 | Semi-persistent switch magnet | 2018-10 | 半持续电流开关 | 授权 2026-03 |
| GB202407705D0 族 | Switchable insulation | 2021-11 | 运行中可切换匝间电阻 | 申请中 |
| US20250364167A1 | Transport current saturated magnets | 2019-03 | 饱和输运电流运行模式 | 申请中 |
| WO2023213996 / CN119137689 族 | Magnet system / Rapid dumping (2022 世代) | 2022-05 | 新一代励磁与泄放 | 申请中 |
B · HTS 电缆、带材与接头（19 族）
| 代表专利 | 标题 | 优先权 | 要点 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| US10332640B2 | Toroidal field coil for fusion reactor | 2013-09 | 奠基：中心柱带材宽面平行环向场（各向异性提高 Ic）；US/EP/JP/CN/RU 布局 | 授权 |
| US12394540B2 | HTS cable | 2019-04 | 线圈用电缆结构 | 授权 |
| US11289253B2 + US11978587B2 | Wound HTS magnet coils | 2018-01 | 匝间夹 HTS 分流电缆（PI 电缆化） | 授权 |
| US10840616B2 | Joint using exfoliated ReBCO | 2017-08 | 剥离 ReBCO + 透氧背板超导接头 | 授权 |
| US10971274B2 | Field coil with exfoliated tape | 2017-08 | 中心柱无基底带材提电流密度 | 授权 |
| US11575078B2 | HTS magnet sections | 2015-09 | TF 分段 + 段间接头（可拆卸方向） | 授权 |
| US12131837B2 | Flexible HTS current leads | 2018-09 | 柔性引线（TE Magnetics 产品化） | 授权 |
| WO2023232816A1 | Joint and method of joining | 2022-05 | 新型接头工艺 | 申请中 |
| GB202212118D0 族 | Compact high current joints | 2022-08 | 紧凑大电流接头 | 申请中 |
| WO2023198825A1 | Twisted multi-conductor cable | 2022-04 | 扭绞电缆降交流损耗 | 申请中 |
| WO2025083124A1 | Solder interface stabilisation | 2023-10 | 低熔点焊料界面稳定化 | 申请中 |
另有：Type-0 面对面堆叠电缆（2016）、带材高温对齐装配（2018）、边缘部件电缆（2021）、低损耗电缆（2023）、横向电导改进带材（2022）、线圈绕制方法（2021/2023）、最新线圈结构（2024-12）等族。
C · 中心柱、TF 结构、支撑与制造（14 族）
| 代表专利 | 标题 | 优先权 | 要点 | 状态 |
|---|---|---|---|---|
| US12437882B2 | Central column designs for tokamaks | 2018-01 | 中心高抗压支撑件 + 外围载流元件（骨架承压构型） | 授权 2025-10 |
| US10332641B2 | Hybrid magnet（LTS 内 + HTS 外） | 2014-08 | 混合磁体中心柱 | 授权 |
| US11946547B2 | Metal sealing ring | 2019-06 | 低温结构金属-金属密封 | 授权 |
| EP4323135A1 等 3 件 | Additive/subtractive mfg., graded interlayer | 2021–22 | 线圈骨架增材/减材制造与梯度界面层 | 申请中 |
另有：弯折 TF 线圈（2018）、磁体支撑结构（2015）、中心柱冷却/电流分布增强（2021）、HTS/LTS 混合场线圈（2016）、新世代 TF 场线圈（2020×2）、超导电磁体总体（2020）、磁体布置（2023）、扩散焊元件（2022）。
D · 中子屏蔽（8 族，12 年不断代）
US10636528B2 硼化钨系屏蔽材料（2014）→ US10847269B2 屏蔽-螺线管一体化（2017）→ US12315643B2 分层屏蔽·金属氢化物慢化层（2019）→ 硼化钨系列改进（2020–22）→ 材料选择方法（2022）→ 钽基屏蔽 WO2026087708（2024）与持续新申请（2025）——屏蔽仍被视为紧凑堆头号工程瓶颈之一。
E · 低温系统与热管理（6 族）
US10699829B2 正 J-T 系数气体冷却回路（2015，授权）；低温磁体供电（2017）；低温系统监测（2018）；Cryo-battery 冻氖相变蓄冷延长燃烧时间（WO2020104778，2018）；被动冷却剂管理（2021）；热管理 3 件并行 GB 申请（2025-02）。
F · 整机与其他（简列）
US9852816B2 Efficient compact fusion reactor（2011，ST+HTS 整机奠基）；US10580535B2 双零合并点火 PF 布置（2017）；US11417434B2 脉冲合并压缩（2017）；US11929184B2 聚变堆机器学习（2017）；液态金属偏滤器（2018）、增殖包层/氚工艺系列（2020–24）等。未决：个别族授权状态未确认；US11646138 登记在 Durham 大学名下（疑合作产出）未计入。
三波演进：2013–15 圈地（ST+HTS 组合、带材取向、混合磁体、屏蔽、低温）→ 2016–19 建护城河（失超保护 + PI 密集互锁专利网——区别于 CFS NI 路线的核心资产）→ 2021–25 工程化（可切换绝缘、紧凑接头、低损耗电缆、绕制与增减材制造、TE Magnetics 商业化）。屏蔽主线贯穿始终。
与 STEP / SPARC 的路线对比
本节为分析性综合：TE 侧数据来自本次调研，STEP/SPARC 侧来自前篇已验证调研；三方系统对比无单一文献来源。
| 维度 | Tokamak Energy | UKAEA STEP | CFS SPARC |
|---|---|---|---|
| 堆型 | 紧凑 ST（R₀≈1.35 m 级） | 大型 ST（TF 高 24 m） | 常规环径比强场 |
| 中心柱峰值场 | ~20 T（定标） | ~17 T | >20 T（导体上） |
| 绝缘选型 | PI（三代专利，2018 起） | PI（2024 公开；纯被动已否决） | NINT 无绝缘无扭转 |
| 失超保护 | 可调电阻 + 内置诊断 + HTS 桥限流 + 主动启动/泄放 | PI + 储能驱动嵌入加热器（<150 V 硬约束） | 外部加热器主动均匀失超（NI 不自保护已实证） |
| 磁体验证策略 | 系统级：Demo4 全位形 44 线圈 | 分项：小线圈 + 辐照（Hi-CrIS） | 单线圈全尺寸：TFMC 20.1 T |
| 中心柱应力 | bucking 压应力；CCCS 500 MPa 试验台；"中心支撑件+外围载流"专利构型 | 细中心杆 + ICS 外移载荷；>200 A/mm² | 厚线圈盒 + 辐板共同承力；900 MPa 级 |
| 接头 | ETI 接头 + 分段线圈/紧凑大电流接头专利 | 可远程拆卸接头（>100 nΩ） | 绕组包内可拆饼间接头（0.5–2 nΩ） |
| 成果发布 | 专利 + 会议 + 新闻稿（磁体无期刊论文） | 同行评审（Phil. Trans. A 专辑） | 同行评审（IEEE TAS 特刊 + arXiv） |
- PI 技术上 TE 占位最早（2018 优先权），STEP 2024 年公开的 PI 方案概念上与 TE 专利族高度同向；UKAEA 与 TE 有正式合作 ◐——TE 专利网对 PI 采用者构成潜在授权/绕道问题，TE Magnetics 分拆亦印证变现意图。
- 验证哲学互补：SPARC 证明单线圈极限性能，TE Demo4 是唯一多线圈系统级平台，STEP 尚无整机级磁体演示——若 Demo4 2026 年达成 >18 T @ 20 K，将填补"组合磁环境下 REBCO 性能"这一 SPARC/STEP 均未覆盖的数据空白。
- 证据成熟度排序：SPARC（同行评审 + 实测烧毁数据）> STEP（同行评审设计论文，含自曝负面结果）> TE（自我报告为主）。引用 TE 数字请保留"公司口径"标注。
未决问题与主要来源
- Demo4 2026 年初后续测试是否达到 >18 T @ 20 K 与 12 MA 安匝设计目标？
- Bateman MT-28 报告是否转化为 IEEE TAS 正式论文（关注 MT-29 / ASC 2026 特刊）？
- ST80-HTS 最新时间表与磁体参数（原定 2026 已滞后）；ST-E1 磁体规格是否更新？
- TE 的 PI 专利族与 STEP PI 方案之间是否存在授权安排？
- "超紧凑绝缘（UCI）"等 2024–25 早期专利族的技术细节（公开文本尚不完整）。
主要来源
- Tokamak Energy 官方新闻稿：Demo4 建造（2023-02）；首臂低温测试（2023-09）；11.8 T 突破（2025-11）
- R. Bateman, ISS 2022 报告（IEEE CSC Superconductivity News Forum 转载）：Demo4 / Demo2/3 / CCCS 幻灯片
- 专利全文：US11101060（USPTO）；WO2021122522；WO2017042541；WO2018078327；WO2015036749；Google Patents 全量检索（assignee = Tokamak Energy，2026-07）
- 论文 DOI 全部经 doi.org / Crossref 解析验证（见 §4 表格）
- 对照基线：《强场与球形托卡马克磁体工程对比调研》（本站，2026-07-05）
- 被否决论断 ✗："Demo4 装配 2023 年完成、测试延续至 2024"——0-3 否决，时间线不可采信。