高温超导磁体技术在先进能源装备、大科学装置和高端医疗设备等领域有着广阔的应用前景,对发展磁约束核聚变技术、开发极高场核磁共振磁体、建设质子/重离子癌症治疗装置等意义重大,符合国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要的战略需求。然而,低成本高性能的材料制备工艺、高温超导磁体的非线性多场设计理论、以及超导磁体的运行监测方法等瓶颈问题一度制约了高温超导磁体技术的发展和应用。为此,清华大学联合多家国内优势单位在上述三个方向开展关键技术攻关,取得了一系列创新成果和技术突破。
(1)提出了发展高温超导磁体技术所必需的材料制备新方法和新工艺。开发了用化学溶液沉积法快速制备二代高温超导薄膜材料的新方法,解决了热处理应力与有害形貌演化等技术难题;提出了超导带材缓冲层磁控溅射沉积的新技术,实现了表面形貌和晶粒织构两个方面的协调调控;发明了使用YBCO脱层带材制备超导接头的新工艺,为高温超导磁体所需的带材连接技术提供了重要技术支撑。
(2)提出了考虑非线性电磁效应的高温超导缆线和磁体多场结构设计新理论。发展了高温超导缆线动态电磁性能三维计算方法,开发了新型变角度螺旋的集束化高温超导复合化缆线导体技术;提出并建立了屏蔽电流效应对高温超导磁体应力分布影响的理论模型,被国际同行评价为“未来实现更高稳态磁场的重要基石”;提出了高温超导磁体多场结构设计新方法,保障磁体在运行中的结构安全性。
(3)开发了基于多场行为的高温超导磁体稳定运行检测新技术。发展了高温超导长带性能连续测量、高温超导磁体交流损耗分析测试、以及基于埋入与分布式光纤的低温-电磁多场环境下磁体运行性能测试等技术,实现了高温超导磁体的多维度、全过程健康监测,保障了高温超导磁体的安全运行。
本项目已获国家发明专利授权17项,发表学术论文25篇,其中SCI收录24篇,在高温超导材料制备工艺、磁体设计理论和先进测试技术等多领域取得突破,为国家重大科技基础设施建设和国内外百余台超导磁体的设计制造提供了技术支撑。近三年直接经济效益***万元,促成国内相关企业新增销售额900余万元,节约开支1000余万元。通过本项目的顺利实施,全面提升了高温超导磁体技术的实用化水平,增强了我国自主研制高温超导磁体的技术实力。
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
刘尚合
中国人民解放军陆军工程大学
中国工程院院士
综合评价
高温超导磁体是高温超导材料在电工技术领域应用的重要核心部件,其研制设计属于国际高新前沿发展方向。当前的实用化高温超导材料在本质上属于陶瓷,其独特的电磁性能和力学性能让应用技术开发充满了挑战。针对国家在能源、医疗和大科学工程等领域的重大需求,清华大学联合多家国内优势单位,围绕高温超导磁体研制中的核心材料问题、设计理论和运行测试技术开展攻关,开发了磁体技术所需的二代高温超导材料制备新技术与新工艺,提出了考虑非线性电磁效应的高温超导缆线和磁体多场结构设计新理论与新方法,发展了基于多场行为的高温超导磁体稳定运行检测新技术,并成功将相关设计方法和测试技术在诸多超导磁体工程项目中推广应用。本项目成果全面提升了高温超导磁体技术的实用化水平,增强了我国自主研制高温超导磁体的技术实力,经济效益和社会效益显著。
项目第一完成人瞿体明在高温超导磁体领域开展了深入全面的研究,在一线教学和科研工作方面坚持立德树人、服务国家战略,取得了显著成果。
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