自主创新　勇攀高峰 开创超导导体技术里程碑 ——中国科学院等离子体物理研究所应用超导工程技术研究室

2017-01-16

中国科学院等离子体物理研究所（以下简称“等离子体所”）坐落于安徽省合肥市西郊科学岛，成立于1978年9月，主要从事高温等离子体物理、磁约束核聚变工程技术及相关高技术研究和开发，以探索、开发、解决人类无限而清洁的新能源为最终目的。

等离子体所是中国热核聚变研究的重要基地，在高温等离子体物理实验及核聚变工程技术研究方面，引领我国稳态磁约束聚变研究并走在国际前列。先后建成常规磁体托卡马克HT-6B、HT-6M，圆截面超导托卡马克核聚变实验装置“合肥超环”（HT-7），非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置“东方超环”（EAST），并在物理实验中获得了一系列国际先进或独具特色的成果。作为ITER中国工作组的重要单位之一，承担了导体、校正场线圈、超导馈线、电源、诊断等采购包，占中国承担ITER采购包任务近80%。目前等离子体所承担的ITER任务100%国产化并以优异性能指标通过国际评估，产品质量100%满足ITER要求，进度在七方参与国家中居前列。ITER组织两任总干事评价“中国在采购包研发生产方面领先于各方”。

应用超导工程技术研究室依托中科院等离子体所，成立于2001年，主要从事磁约束核聚变工程设计研究、聚变关键技术的研发和实验研究。研究室围绕国家重大科学工程EAST超导磁体系统的需求，形成大型CICC超导导体技术、大型CICC超导磁体技术、大型低温制冷技术、超导储能技术、高温超导应用技术、实用超导线材特性研究、新型超导电缆技术、大型超导磁体运行技术8个研究方向。发展目标是建成国际先进的应用超导技术研究中心，为多学科的交叉研究以及高新技术开发提供国际一流的大型超导技术综合研发平台；同时可以发展先进高性能超导导体和超导磁体优化设计方法及大型数字模拟分析程序，开展大型超导导体和磁体电磁特性的实验研究、提高超导材料科学及超导工程辅助材料的工程研究水平；发展具有自主知识产权的超导关键技术，从而满足中国在基础科学研究(如聚变示范堆DEMO、大型高能物理的加速器、核磁共振谱仪、强磁场装置)、电力工业(如大型超导贮能电站、核聚变反应堆)、国防技术(如舰船推进磁体、扫雷磁体、强脉冲贮能磁体等)等各方面的需求，以满足国家战略，经济发展、环境保护和国防安全的需求。

 一、自主研发关键超导技术，为EAST装置保驾护航

EAST装置主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。超导磁体是超导托卡马克的核心部件，其性能直接决定着托卡马克能否正常运行。为了保证万无一失，每个磁体都需要进行低温性能测试。

超导电工中心（应用超导工程技术研究室前身）团队自主研制了大型超导磁体实验平台，实验平台高度6.14米，直径 3.5米。实验平台共进行29次大型超导磁体实验，完成了EAST 27个磁体、德国GSI磁体、强磁场装置模型线圈磁体的实验和性能评估工作。实验平台建造与实验过程中，发展了超导电工、低温工程、高功率脉冲电源技术、真空技术、失超探测及保护、技术诊断及数据采集等多学科综合技术。建立了一整套大型磁体诊断系统应用于EAST运行过程中磁体状态参数的采集、传输与诊断。超导磁体的安全运行是EAST获得高参数运行参数的保证，2016年2月，EAST实现了电子温度超过5 000万摄氏度持续102秒的超高温长脉冲等离子体放电。

二、自主创新导体制造技术，实现导体100%国产化

国际热核聚变实验堆ITER计划是目前我国以平等、全权伙伴身份参加的国际科技合作计划。参与ITER计划，展现了我国面对人类共同面临的现实和未来能源问题负责任的大国形象。通过参加ITER装置的建造和运行，切实履行我国在ITER计划中的权利和义务，全面掌握ITER计划相关的知识产权和产生的成果，培养、稳定一批高水平的人才队伍，将加快推动我国核聚变能的研究发展。

大型铠装超导导体是实现大型磁体技术的唯一选择。ITER超导磁体重约10 000吨、最高场11.8T，它的高参数安全运行离不开导体在极端条件（T=4.5K、I>50kA）和复杂电磁环境下的稳态运行。因此，与大电流、强磁场、低损耗、高稳定性超导导体相关联的标准化检测、多芯多层级超导电缆绞制、优异低温材料、全方位无损探测、精密制造装备等技术难题成为国际聚变工程领域的前沿课题。在国际上尚无完善的大型铠装超导导体技术的情况下，研究室以参加ITER计划为契机，通过自主创新，攻克了大型铠装超导导体关键技术难题，形成了具有自主知识产权的导体制造技术。自主创建了多场（磁场、应力场及温度场）耦合条件下超导材料性能实验系统，顺利通过ITER国际组组织的4次实验认证，解决了超导材料测试的国际标准化问题。发明了微张力自动控制与非圆截面多级紧压成型相结合的超导电缆全退扭绞制新技术，解决了超导电缆由多重介质、多层级螺旋、不规则结构引起的股线损伤、三维异向弯曲变形等技术难题，实现了超导电缆国产化生产。发展了梯度加热多级润滑热挤压和全氢保护快冷光亮热处理工艺，解决了ITER磁体热处理工艺引起的材料晶粒分布不均和晶间腐蚀技术难点，开发出了低温（<7K）断裂伸长率超过30%的不锈钢铠甲。提出了多阵列、64次全方位扫描的超声相控阵与内涡流相结合的异型铠甲无损检测新方法，解决了变截面引起的多尺度端角回波信号导致缺陷无法准确探测的技术瓶颈，实现了全覆盖扫描的工业化应用。研制了四辊轮单道次平压缩径成型机，建成了长穿管线，构建了全方位自动监控调节为一体的大长度、大尺寸、高精度导体收绕系统。在此基础上研究室承担了3个ITER采购包的任务，分别是TF导体采购包，PF2/3/4/5导体采购包，CC和Feeder导体采购包。在ITER导体制造方中，中国实现了100%国产化，实现了100%样品通过性能评估。

研究室在完成ITER导体技术的研发的同时，致力于相关技术的应用与推广，相关技术已成功应用于ITER内部线圈、欧盟PF导体、美国CS导体、意大利PF导体等国际项目；同时在中国国际核聚变能源计划执行中心、强磁场、近物所、西部超导等国内单位获得了广泛应用。相关技术的发展推动了国内特殊材料、精密制造、大型装备等产业的发展，建成了4条专用生产线，提升了中国在核聚变工程技术方面的国际地位，实现了聚变应用超导技术的并跑。

三、引领超导技术发展　为CFETR聚变堆建设奠定基础

中国聚变工程实验堆CFETR（China Fusion Engineering Test Reactor）是在消化吸收ITER设计基础上，开展我国的聚变工程试验堆的研究。未来，CFETR的运行参数更高，最高磁场预计达到15T。这对超导导体及磁体将是一个新的挑战。中心螺管线圈是CFETR的核心部件，是所有磁体中技术难度最复杂的。研究室以现有技术为依托，开展了CFETR中心螺管模型线圈的研制。2016年项目获得关键技术突破，导体样品在瑞士Sultan实验室完成了历时一个多月的性能测试，经过2次冷热循环和上万次的电磁循环后，导体性能无衰减，导体分流温度最终达到了6.9K（－266.23℃）。该项目在23个中期检查的项目中排名居首。同时，为了满足未来大电流、强磁场超导磁体的应用，研究室开展了以高温超导材料为基础的新型超导导体的研究。2016年，完成了一根Bi2212 管内电缆导体（CICC），导体在4.2K自场下达到了13.1kA。研究室将以此为基础，面向CFETR关键技术开展工程技术攻关。研究室在聚变超导技术领域，已经实现了从“追赶者”到“引领者”的转变。

四、突破关键瓶颈促进技术多领域应用

研究室在除了在聚变超导应用领域取得了优异的成绩，在超导材料、电力传输、超导储能等应用超导技术领域也取得一些关键技术的突破。150kJ/100kW高温超导带材混合型磁体是国内高温超导在电力应用研究领域重要的示范项目。863计划项目超导储能脉冲磁体是我国大型螺管型脉冲磁体。

近几年来，在发展技术的同时，研究室已经建成了三大科研基础平台，包括大型超导导体测试平台、大型超导磁体测试平台、超导线材特性研究平台、大型铠装导体制造平台。

从成立之初，研究室在应用超导领域取得了多项创新。

2001年6月，建成了大型磁体测试系统；

2002年8月，完成了大型磁体的低温测试；

2009年6月，ITER 纵场导体样品测试成功，样品性能国际领先；

2011年5月，聚变用不锈钢铠甲研制成功，低温力学性能国际居首；

2011年8月，ITER纵场导体是中国首批开工的ITER部件，是中国ITER的重要里程碑；

2011年12月，ITER纵场哑导体交付；

2012年3月，中国的首件产品抵达日本，是首件ITER参与方中一方交付另一方的ITER产品；

2012年6月，中方的极向场导体抵达ITER现场；

2015年5月，中国最后一个导体样品完成测试，导体样品100%合格；

2015年12月，ITER纵场导体采购包完成，这是中方完成的第一个ITER采购包。

2016年5月成功完成了中国第二个采购包（CC和Feeder 导体）的生产、测试和交付。

截止2015年底，研究室有固定研究人员80人，研究员及高级工程师22人，在读研究生10人。经过多年建设，研究室在研究室主任武玉研究员的带领下，已形成精干的、有凝聚力的研究团队。目前研究室已建立了良好的运行机制，开放与交流广泛，通过参加会议、学习访问、联合研制试验仪器以及联合实验等形式分别与荷兰Twente 大学、瑞士PSI研究机构、ITER国际组织、美国普林斯顿大学、意大利ENEA机构、西部超导公司进行广泛的交流和合作，有力推动了超导技术的发展和交流。研究室在开展聚变超导磁体研究的过程中，取得了一系列重要研究成果。

近年来，研究室承担了国家973计划项目、国家聚变能研究发展专项ITER导体采购包、ITER内部线圈、EAST实验装置的安全运行等项目，取得了显著研究成果。在国际和国内期刊上发表论文130篇，其中SCI收录64篇。获得国家发明专利“ITER-PF导体四辊轮单道次平压缩径成型机"（专利号：ZL201310237014.0）、“冷挤压缩径成型法制造氧化镁矿物绝缘电缆”（专利号：ZL201210472387.1）等22项。获得国家科学技术进步一等奖2项，中国科学院杰出科技成就奖1项，安徽省科学技术一等奖1项，中国有色金属工业科学技术二等奖1项。

应用超导工程技术研究室已建成为以发展聚变装置的大型超导磁体、高场磁体技术为主的创新平台，同时积极开展超导在电力系统、交通、能源、生物及医学、科学研究领域、国防现代化建设等方面的应用研究，发展具有自主知识产权的超导核心技术。做联结先进超导磁体技术基础研究与超导材料生产工程化、超导磁体应用产业化开发的桥梁和纽带，实现超导产业的应用基础研究与工程化开发的有机衔接和整合，有效提高超导应用基础技术成果向产业化转化速度，提升重大科技成果的自主创新能力，形成以大型超导磁体技术为主的核心技术研发创新平台，从而全面提升我国超导体应用技术在国际市场上的竞争力。

研究室主任简介

武玉，男，1964年生，中国科学院等离子体物理研究所研究员、博士生导师，应用超导工程技术研究室主任。先后作为技术骨干、技术负责人、项目负责人参加了国家863计划、973计划、国家聚变能研究发展专项，ITER导体采购包、国际合作项目ITER内部线圈关键技术的研发和原型线圈研制、大科学工程EAST实验装置的安全运行等项目。2015年获选中科院2015年度关键技术人才，2014年获得安徽省科学技术一等奖，2014年获中国有色金属工业科学技术二等奖，2008年、2013年获得国家科学技术进步一等奖，2013年获中国科学院优秀研究生指导教师奖，2007年获得中国科学院杰出科技成就奖。指导的研究生1人曾获得中科院优秀博士论文奖，多人获得中科院等离子体物理研究所所长奖学金。