中国聚变工程实验堆中心螺管模型线圈获关键技术突破
时间 : 2016-05-20     

日前,中国聚变工程实验堆CFETR中心螺管模型线圈(CSMC)用超导导体在瑞士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 °C),以优异性能通过测试。CFETR CSMC导体的测试成功标志着CFETR中心螺管模型线圈取得了关键技术的突破,项目取得阶段性的成果,为后续项目的顺利进展奠定了基础。 

中国聚变工程实验堆CFETR中心螺管模型线圈的关键技术研究项目于2014年立项,是科技部基于国际热核聚变实验堆(ITER)计划开展的国内专项研究。该项目针对CFETR中心螺管磁体的关键科学和技术问题,开展对高稳定性导体的设计与制造,模型线圈的设计与分析、绕制、热处理、绝缘等关键技术问题研究,完成模型线圈的研制及测试。该导体是CFETR中心螺管线圈的关键技术部件,是模型线圈首先需要解决的关键技术问题。 

CFETR CS中心螺管模型线圈运行过程中,电磁力高达500kN/m,同时磁体需要进行上万次的电磁循环,这涉及到导体结构设计与制造、新型结构材料的研制等关键技术问题。ITER 中心螺管线圈(CS)用导体与CFETR CSMC导体的运行环境类似。ITER CS导体的研制经历了一个曲折的过程。2010年,首个CS导体样品研制失败。CS导体的第二个样品仍然存在着同样的问题。201138日,Nature报道ITER 装置CS导体性能退化严重,面临着很大的危机(Geoff Brumfiel, Cable test raises fears at fusion project, Nature 471, 150 (2011)),这在国际同行中引起了强烈的反响。针对CS导体的性能缺陷,ITER国际组组织了欧盟、日本、美国的科研人员进行了ITER CS导体的评估、重新设计及制造工艺的工作。经过多个研究小组的共同努力,新型ITER CS导体于20125月测试成功,满足了ITER CS导体的要求。 

等离子体所应用超导工程技术研究室依托ITER导体的技术优势,经过两年多的努力,发展了CFETR CSMC导体技术。提出了一种适用于短节距(STPShort Twist Pitch)类型超导电缆的绞制新技术,解决了小节距造成的超强刚度引起的超导电缆表面损伤的难题,将电缆外表面的损伤风险率降到了零,同时通过电缆结构与绞制技术优化,降低了电缆内部的超导线损伤。这种绞缆方式不仅实现了CFETR CSMC超导电缆的外表面无损伤绞制,更重要的是为未来发展新型材料超导电缆绞制技术提供了一种新的参考方法。自主研发了一种具有优异低温力学性能的高锰钢结构材料,该材料的力学性能与国际同类产品相当。完成了导体制造关键设备及成型技术的研制。在导体研制过程中,项目组与西部超导、长通电缆、久立特材等公司通力合作,不断创新,克服了多个技术难题。 

201510月,等离子体所完成了超导电缆短样的研制。201512月,完成了两根不同结构材料CFETR CSMC短样导体的研制。20161月,完成了新型结构材料高锰钢JK2LB的性能评估。2016314日,导体样品在瑞士Sultan实验室开始测试,56日,导体完成最终测试。此次样品是Sultan实验室首次同时进行两种不同结构材料(316LN与高锰钢JK2LB)的导体性能比对测试,具有重要的科学研究意义。 

   

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  CFETR CSMC导体截面图 

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  导体分流温度测试结果 

(EAST提供)