日前,中國聚變工程實驗堆CFETR中心螺管模型線圈(CSMC)用超導導體在瑞士Sultan實驗室完成了歷時一個多月的性能測試。經(jīng)過2次冷熱循環(huán)和上萬次的電磁循環(huán)后,導體性能無衰減,導體分流溫度最終達到了6.9K(-266.23 °C),以優(yōu)異性能通過測試。CFETR CSMC導體的測試成功標志著CFETR中心螺管模型線圈取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破,項目取得階段性的成果,為后續(xù)項目的順利進展奠定了基礎。
中國聚變工程實驗堆CFETR中心螺管模型線圈的關(guān)鍵技術(shù)研究項目于2014年立項,是科技部基于國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃開展的國內(nèi)專項研究。該項目針對CFETR中心螺管磁體的關(guān)鍵科學和技術(shù)問題,開展對高穩(wěn)定性導體的設計與制造,模型線圈的設計與分析、繞制、熱處理、絕緣等關(guān)鍵技術(shù)問題研究,完成模型線圈的研制及測試。該導體是CFETR中心螺管線圈的關(guān)鍵技術(shù)部件,是模型線圈首先需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
CFETR CS中心螺管模型線圈運行過程中,電磁力高達500kN/m,同時磁體需要進行上萬次的電磁循環(huán),這涉及到導體結(jié)構(gòu)設計與制造、新型結(jié)構(gòu)材料的研制等關(guān)鍵技術(shù)問題。ITER 中心螺管線圈(CS)用導體與CFETR CSMC導體的運行環(huán)境類似。ITER CS導體的研制經(jīng)歷了一個曲折的過程。2010年,首個CS導體樣品研制失敗。CS導體的第二個樣品仍然存在著同樣的問題。2011年3月8日,Nature報道ITER 裝置CS導體性能退化嚴重,面臨著很大的危機(Geoff Brumfiel, Cable test raises fears at fusion project, Nature 471, 150 (2011)),這在國際同行中引起了強烈的反響。針對CS導體的性能缺陷,ITER國際組組織了歐盟、日本、美國的科研人員進行了ITER CS導體的評估、重新設計及制造工藝的工作。經(jīng)過多個研究小組的共同努力,新型ITER CS導體于2012年5月測試成功,滿足了ITER CS導體的要求。
等離子體所應用超導工程技術(shù)研究室依托ITER導體的技術(shù)優(yōu)勢,經(jīng)過兩年多的努力,發(fā)展了CFETR CSMC導體技術(shù)。提出了一種適用于短節(jié)距(STP-Short Twist Pitch)類型超導電纜的絞制新技術(shù),解決了小節(jié)距造成的超強剛度引起的超導電纜表面損傷的難題,將電纜外表面的損傷風險率降到了零,同時通過電纜結(jié)構(gòu)與絞制技術(shù)優(yōu)化,降低了電纜內(nèi)部的超導線損傷。這種絞纜方式不僅實現(xiàn)了CFETR CSMC超導電纜的外表面無損傷絞制,更重要的是為未來發(fā)展新型材料超導電纜絞制技術(shù)提供了一種新的參考方法。自主研發(fā)了一種具有優(yōu)異低溫力學性能的高錳鋼結(jié)構(gòu)材料,該材料的力學性能與國際同類產(chǎn)品相當。完成了導體制造關(guān)鍵設備及成型技術(shù)的研制。在導體研制過程中,項目組與西部超導、長通電纜、久立特材等公司通力合作,不斷創(chuàng)新,克服了多個技術(shù)難題。
2015年10月,等離子體所完成了超導電纜短樣的研制。2015年12月,完成了兩根不同結(jié)構(gòu)材料CFETR CSMC短樣導體的研制。2016年1月,完成了新型結(jié)構(gòu)材料高錳鋼JK2LB的性能評估。2016年3月14日,導體樣品在瑞士Sultan實驗室開始測試,5月6日,導體完成最終測試。此次樣品是Sultan實驗室首次同時進行兩種不同結(jié)構(gòu)材料(316LN與高錳鋼JK2LB)的導體性能比對測試,具有重要的科學研究意義。
CFETR CSMC導體截面圖
導體分流溫度測試結(jié)果
(EAST提供)