核聚变能是最有希望彻底解决人类能源问题的技术,是构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要途径之一。磁约束聚变通过强磁场约束高温等离子体发生聚变反应获取能量,超导磁体系统是聚变堆获取强磁场,实现兆安级、上亿度等离子体复杂位形精确控制的核心系统。典型的聚变堆超导磁体尺寸达数十米,载流达万安级,储能达GJ级,在聚变运行环境下面临强磁耦合、临界特性退化等科学技术问题,超导磁体长期稳定运行是聚变工程领域最具挑战性难题之一。项目组创新地提出了聚变堆运行环境下高场超导磁体的设计及分析方法,解决了磁体稳定运行难题,掌握了纳欧级低温超导接头、高剪切强度低温绝缘、万安级大型超导磁体成型工艺等一系列超导磁体关键技术。
提出大型高场超导磁体(6~15 T级)设计方法,针对聚变堆运行环境建立了复杂电磁环境下超导磁体临界特性衰退模型,得到了大尺寸高场超导磁体聚变工况下的多模态力学、稳定性裕度和失超行为演化规律,发明了新型铟压接纳欧级双盒构型超导接头,直流电阻低于*** nΩ@***;实现了高温超导电流引线和超导接头成套装备批量化应用和国际推广;提出了大截面精准控温真空硅胶辅助的预浸料固化方法,掌握*** K温区层间剪切强度大于50 MPa的聚变堆超导磁体高性能绝缘工艺,力学和电学性能优于欧洲标准,解决了在低温冲击、复杂气压等工况下超导磁体电气安全问题;研制了国际热核聚变实验堆***级极向场超导磁体,实现了校正场超导磁体批量化制造。
项目成果已在国际热核聚变实验堆、俄罗斯重离子对撞机、国家强磁场中心装置等大学装置,及国产超导回旋质子医疗、超导磁浮列车等尖端装备上得到应用,社会经济效益显著。
本项目有效支撑了国家磁约束核聚变能研发战略,同时也为世界最大国际科技合作项目“国际热核聚变实验堆计划”贡献了中国力量,相关技术也在国家众多民用领域得到应用与推广。
本项目通过理论和工艺创新,取得了一系列原创性技术突破,极大的提高了我国超导技术在国际竞争力,并实现了拥有自主知识产权超导技术从国内走向国际的出口应用。国内方面,为中科院高能所和兰州近物所批量提供了238根高温超导电流引线,为中科院高能所异形复杂磁体提供了核心超导设备;国际方面,推翻日本常规铜电流引线设计,并与德国卡尔斯鲁厄研究所竞争胜出,让中国高温超导电流引线设计方案应用于国际热核聚变实验堆装置上,为其低温系统节约建设经费约2亿元;与日本竞争,高价竞得极向场超导磁体制造合同,目前已顺利交付;为俄NICA大科学学装置和美国聚变国家实验室研制了成套超导馈线设备。
评价单位:“科创中国”新型电力系统装备产业科技服务团 (中国电工技术学会)
评价时间:2022-09-05
综合评价
核聚变能具有资源丰富、低碳、安全等突出优点,是彻底解决人类能源问题、构建安全高效能源体系的重要途径。大型超导磁体系统作为聚变堆核心部件,其磁场强度对聚变功率起着决定性作用,是国家磁约束聚变研究的重点攻关对象,也是国际聚变技术竞争的核心领域。该团队在此领域深耕近15年,承担了科技部 973、国家重点研发计划、国际合作等多个重大项目,取得了系列创新成果,简述如下:
(1)提出大型高场超导磁体(6-15 T)设计方法,攻克了>100 kA载流、GJ级储能、高安全裕度超导磁体设计难题,提高了超导磁体的计算精度。利用该技术成功研制世界首个超大型超导磁体线圈,并为国际热核聚变实验堆批量生产校正场磁体线圈。
(2)攻克万安级高温超导电流引线和纳欧级超导接头关键技术,创造了90 kA的电流引线运行世界记录,解决了超导磁体高载流下的安全与高能耗问题,实现了该技术成套装备、批量化国际推广应用,形成了广泛的国际影响力。
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