回顧ITER計劃,淺析其超導材料應用

最近，受原油價格持續低迷的影響，世界經濟也進入下行通道，金融圈子不可謂不熱鬧。石油作為一個經濟的風向標，不僅僅在金融圈子出鏡率極高，在能源科學領域，也是工程技術人員不可避免的談資。小到我們的家用電器「手電筒」，大到我們的航天航空工程，都離不開能源的驅動，我們幾乎可以這麼說，離開了能源，我們的生活難以為繼，人類的持續發展更是無從談起。

能源是社會經濟賴以發展的物質基礎，隨著社會的發展和人類文明的進步，人類對於能源的需求也是越來越大。其中，石油、煤作為傳統的化石燃料已經為人類社會的進步做出了非常大的貢獻，但是，地球上的化石燃料的儲量畢竟有限，據科學家預測，煤儲量還能維持200年左右，石油、天然氣僅能維持幾十年。「凡事預則立，不預則廢。」數十年之後，數百年之後，化石燃料用完之後，人類的能源來源又將出自何處呢？這已經是人類不得不面對的一個問題，幸運的是，我們已經開始著手開發新能源了。

在眾多人類開發的新能源中，核能是最有前途的清潔能源。其中，核能從釋放來源來看，有可能分為核裂變產生的核能和核聚變產生的核能。目前，人類正在商業化運行的核電站都是核裂變電站，核裂變雖然產生巨大的能量，但是與核聚變相比，核裂變釋放的能量還是非常小。此外，裂變堆的核燃料蘊藏量也極為有限，而且由於核廢料的放射性的原因，對其的處置一直也是讓人們頭疼的問題。核聚變能由於是輕核原子核的質量虧損產生的巨大核能，氘-氚聚變反應將釋放巨大的能量，據估算，一升海水中含30mg氘，通過聚變反應可以釋放出的能量相當於300度升汽油的能量，並且反應產物是無放射性的。一座100萬kW的核聚變電站，每年消耗氘的量為304kg。據估計，天然存在於海水中的氘有45億噸，如果把海水中的氘通過核聚變轉化為能源，按照目前的世界能源消耗水平，足以滿足人類未來幾十億年對能源的需求。因此，核聚變能可以說是人類未來的永久能源。

儘管核聚變有著非常多的優點，但是就目前的技術條件來看，核聚變能的商業化應用仍然有著很長的一段路要走。這是因為，要實現可控的持續的核聚變，要求達到非常苛刻的條件。它要求產生熱核聚變的等離子體達到足夠高的溫度、密度以及一定的約束時間，即達到勞遜條件(溫度*密度*能量約束時間，或稱為聚變三乘積)。比如，實現氘-氚聚變反應的條件是：等離子體溫度達到2億℃，同時粒子數密度達到1020m-3，能量約束時間1s以上。而達到這些聚變條件，必然要求一個反應裝置，從而可以約束如此高溫度的等離子體在一定的空間範圍內。

實現受控核聚變的方法目前主要有磁約束和慣性約束兩種。其中，磁約束核聚變研究開始於上世紀50年代，經歷了從最初的少數幾個核大國進行秘密研究階段，到後來的世界範圍內很多國家合作參與的研究階段。磁約束裝置也從開始的快箍縮、磁鏡、仿星器發展到80年代開始的託卡馬克裝置。經過科學家的努力探索，託卡馬克裝置的研究取得了實質性進展，因此，1985年，美蘇兩國領導人首次在日內瓦峰會上提出建造國際熱核聚變實驗堆(International Thermo-nuclear Experiment Reactor)計劃，這一計劃就是後來為大眾熟知的ITER計劃。我國於2003年的1月參加ITER計劃的談判，並於2006年6月和其他六方籤訂了合作建造ITER的政府間協議。隨後就開始了工程實施，我國承擔了ITER總經費的10%，其中80%為實物貢獻。而這些工程大部分是在中科院等離子體所進行並完成的，ITER核心裝置及中方實物貢獻示意圖如圖1所示。

 

從ITER核心裝置(超導託卡馬克裝置)可以看出，它是應用NbTi超導材料以及Nb3Sn超導材料繞制超導磁體從而對等離子體進行約束。下面將對於NbTi、Nb3Sn這兩種超導材料進行比較詳細的闡述。

1.NbTi超導材料

NbTi超導材料自從20世紀60年代初被發現以來，經過了數十年的發展，NbTi超導材料的性能取得了非常大的改善和提高，從而促進了這一超導材料的非常廣泛的應用。這主要是由於NbTi超導材料具有非常良好的加工塑性和韌性、很高的機械強度以及優越的超導性能。此外，在低溫超導材料中，雖然NbTi在4.2K溫度下的上臨界磁場只有11T，但是由於NbTi超導體的原材料以及製造成本遠遠低於其他的低溫超導材料，並且在絞纜、繞制以及組裝工序之前就可以進行提高超導體性能的熱處理工序(區別於Nb3Sn超導材料)，而且其屈服強度與鋼材相近，這些優勢都使得NbTi在低場應用中有著不可替代的作用。正是由於NbTi超導材料的上述這些優越的性能，在ITER計劃中，NbTi超導材料的大量使用成為必然。

目前的商用NbTi超導合金其實是Nb46.5Ti(質量含量)，其臨界溫度Tc為9.6K，在4.2K溫度下的上臨界磁場Hc2為11T。在實際工程中，NbTi超導合金為單相β型固溶體，這種成分的合金具有優異的冷、熱加工性能，可以達到較大的斷面收縮率。並且由於Ti和Nb的原子體積非常相近，所以二者形成的β型固溶體為體心立方結構，其構成了NbTi超導材料的超導相。在時效熱處理的過程中，NbTi超導材料還會析出α-Ti相，這種α相屬於密排六方結構，其構成了NbTi超導材料的非超導相，主要沉積在β相的晶界上並起到有效的釘扎磁通的作用。

圖2:上：超導線材製備工藝——傳統製備工藝流程圖

圖2下：APC NbTi超導體性能進展

目前NbTi/Cu超導線材的製備工藝可以分為兩類：傳統製備工藝和人工釘扎(APC)中心工藝(見圖2)。傳統製備工藝一般包括合金製備、合金棒加工、多芯複合體組合與加工、多芯超導線的熱處理等工藝過程。在傳統的製備工藝過程中，必然包括時效熱處理這一工藝，正是通過這一工藝，傳統的製備工藝製備的NbTi/Cu超導體析出了α-Ti沉澱。由於傳統的製備工藝不能選擇釘扎中心的材料、釘扎中心的體積含量以及釘扎中心在複合體的排布都沒有辦法控制等缺點，於是後來發展了NbTi/Cu超導線材的人工釘扎中心工藝。在APC工藝中，通過人為引入釘扎中心，大大提高了NbTi超導體的臨界電流密度。APC製備工藝主要包括：坯料的組裝、擠壓、拉拔、扭轉以及絕緣處理等工藝流程。由於APC工藝是通過機械加工的方式來形成釘扎中心的，所以，在這一工藝流程中，並沒有包含熱處理的工藝。就目前的技術條件來看，這兩種製備工藝現在都得到了非常大的發展，不過由於傳統工藝的成熟性低成本，商用的NbTi超導體目前主要還是採用傳統的製備工藝進行生產。

對於應用在ITER裝置上的NbTi超導體來說，為了滿足裝置運行安全的需要，大銅比NbTi超導線材的研究是未來的研究趨勢。這是因為，銅比越大，即在NbTi/Cu超導線材的橫截面上的銅的面積越大，超導磁體運行越穩定、越安全。

2.Nb3Sn超導材料

由於NbTi在4.2K溫度下的上臨界磁場只有11T，比較低，不能滿足ITER裝置中高場的要求。所以，在裝置中需要高場的情況下，必須要尋找上臨界磁場更高的超導材料，Nb3Sn在4K溫度下的上臨界磁場可達27T左右，正好滿足ITER裝置在高場下的條件。

Nb3Sn超導體為A15結構的金屬間化合物，其具有高的臨界溫度Tc(18.3K)、在4K溫度下的上臨界磁場為27T，並且有著高的臨界電流密度Jc(106A/cm2)，因此，它是製作10T以上超導磁體的最理想的高場超導材料之一。由於Nb3Sn是脆性材料，繞制磁體是通常是先繞制然後再進行熱處理。Nb3Sn超導線材的製備方法主要包括：青銅法、內Sn法以及粉末裝管法(見圖3)。和青銅法相比，內Sn法工藝線材加工中沒有青銅的加工硬化，不需要多次的中間退火，並且Nb3Sn生成所需的Sn源不受限制等優點。因此，通過內錫法製作的Nb3Sn的線材性能最能滿足ITER裝置對於Nb3Sn股線的技術要求。

圖3上：Nb3Sn超導體製備工藝示意

圖3下：內錫法股線微觀照片

RRP內錫法Nb3Sn股線(微觀圖片如圖3右圖所示)是由多個Nb棒和Sn核構成，另外在Nb棒周圍有用於防止過多的Sn向銅基體擴散的Nb阻隔層。Sn核、Nb棒以及Nb棒周圍的Nb阻隔層共同組成了一個單元。每個單元324根Nb棒、一個錫核以及一個Nb阻隔層構成。單根股線是由84個這樣的單元構成。

ITER計劃從上個世紀80年代後期提出開始，到現在，這一計劃已經進入工程試驗階段。經過這麼多年的工程建設，基礎科學探索，人類離商用化核聚變實驗堆的距離正在逐漸縮小；相信在各國科學家的通力合作下，小太陽的夢想終將照進人類的日常生活中！

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材料人網電子電工材料學習小組章洋投稿，材料人網編輯整理。

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