回顾ITER计划，浅析其超导材料应用

最近，受原油价格持续低迷的影响，世界经济也进入下行通道，金融圈子不可谓不热闹。石油作为一个经济的风向标，不仅仅在金融圈子出镜率极高，在能源科学领域，也是工程技术人员不可避免的谈资。小到我们的家用电器“手电筒”，大到我们的航天航空工程，都离不开能源的驱动，我们几乎可以这么说，离开了能源，我们的生活难以为继，人类的持续发展更是无从谈起。

能源是社会经济赖以发展的物质基础，随着社会的发展和人类文明的进步，人类对于能源的需求也是越来越大。其中，石油、煤作为传统的化石燃料已经为人类社会的进步做出了非常大的贡献，但是，地球上的化石燃料的储量毕竟有限，据科学家预测，煤储量还能维持200年左右，石油、天然气仅能维持几十年。“凡事预则立，不预则废。”数十年之后，数百年之后，化石燃料用完之后，人类的能源来源又将出自何处呢？这已经是人类不得不面对的一个问题，幸运的是，我们已经开始着手开发新能源了。

在众多人类开发的新能源中，核能是最有前途的清洁能源。其中，核能从释放来源来看，有可能分为核裂变产生的核能和核聚变产生的核能。目前，人类正在商业化运行的核电站都是核裂变电站，核裂变虽然产生巨大的能量，但是与核聚变相比，核裂变释放的能量还是非常小。此外，裂变堆的核燃料蕴藏量也极为有限，而且由于核废料的放射性的原因，对其的处置一直也是让人们头疼的问题。核聚变能由于是轻核原子核的质量亏损产生的巨大核能，氘-氚聚变反应将释放巨大的能量，据估算，一升海水中含30mg氘，通过聚变反应可以释放出的能量相当于300度升汽油的能量，并且反应产物是无放射性的。一座100万kW的核聚变电站，每年消耗氘的量为304kg。据估计，天然存在于海水中的氘有45亿吨，如果把海水中的氘通过核聚变转化为能源，按照目前的世界能源消耗水平，足以满足人类未来几十亿年对能源的需求。因此，核聚变能可以说是人类未来的永久能源。

尽管核聚变有着非常多的优点，但是就目前的技术条件来看，核聚变能的商业化应用仍然有着很长的一段路要走。这是因为，要实现可控的持续的核聚变，要求达到非常苛刻的条件。它要求产生热核聚变的等离子体达到足够高的温度、密度以及一定的约束时间，即达到劳逊条件(温度*密度*能量约束时间，或称为聚变三乘积)。比如，实现氘-氚聚变反应的条件是：等离子体温度达到2亿℃，同时粒子数密度达到1020m-3，能量约束时间1s以上。而达到这些聚变条件，必然要求一个反应装置，从而可以约束如此高温度的等离子体在一定的空间范围内。

实现受控核聚变的方法目前主要有磁约束和惯性约束两种。其中，磁约束核聚变研究开始于上世纪50年代，经历了从最初的少数几个核大国进行秘密研究阶段，到后来的世界范围内很多国家合作参与的研究阶段。磁约束装置也从开始的快箍缩、磁镜、仿星器发展到80年代开始的托卡马克装置。经过科学家的努力探索，托卡马克装置的研究取得了实质性进展，因此，1985年，美苏两国领导人首次在日内瓦峰会上提出建造国际热核聚变实验堆(International Thermo-nuclear Experiment Reactor)计划，这一计划就是后来为大众熟知的ITER计划。我国于2003年的1月参加ITER计划的谈判，并于2006年6月和其他六方签订了合作建造ITER的政府间协议。随后就开始了工程实施，我国承担了ITER总经费的10%，其中80%为实物贡献。而这些工程大部分是在中科院等离子体所进行并完成的，ITER核心装置及中方实物贡献示意图如图1所示。

从ITER核心装置(超导托卡马克装置)可以看出，它是应用NbTi超导材料以及Nb3Sn超导材料绕制超导磁体从而对等离子体进行约束。下面将对于NbTi、Nb3Sn这两种超导材料进行比较详细的阐述。

1.NbTi超导材料

NbTi超导材料自从20世纪60年代初被发现以来，经过了数十年的发展，NbTi超导材料的性能取得了非常大的改善和提高，从而促进了这一超导材料的非常广泛的应用。这主要是由于NbTi超导材料具有非常良好的加工塑性和韧性、很高的机械强度以及优越的超导性能。此外，在低温超导材料中，虽然NbTi在4.2K温度下的上临界磁场只有11T，但是由于NbTi超导体的原材料以及制造成本远远低于其他的低温超导材料，并且在绞缆、绕制以及组装工序之前就可以进行提高超导体性能的热处理工序(区别于Nb3Sn超导材料)，而且其屈服强度与钢材相近，这些优势都使得NbTi在低场应用中有着不可替代的作用。正是由于NbTi超导材料的上述这些优越的性能，在ITER计划中，NbTi超导材料的大量使用成为必然。
目前的商用NbTi超导合金其实是Nb46.5Ti(质量含量)，其临界温度Tc为9.6K，在4.2K温度下的上临界磁场Hc2为11T。在实际工程中，NbTi超导合金为单相β型固溶体，这种成分的合金具有优异的冷、热加工性能，可以达到较大的断面收缩率。并且由于Ti和Nb的原子体积非常相近，所以二者形成的β型固溶体为体心立方结构，其构成了NbTi超导材料的超导相。在时效热处理的过程中，NbTi超导材料还会析出α-Ti相，这种α相属于密排六方结构，其构成了NbTi超导材料的非超导相，主要沉积在β相的晶界上并起到有效的钉扎磁通的作用。

图2:上：超导线材制备工艺——传统制备工艺流程图

图2下：APC NbTi超导体性能进展

目前NbTi/Cu超导线材的制备工艺可以分为两类：传统制备工艺和人工钉扎(APC)中心工艺(见图2)。传统制备工艺一般包括合金制备、合金棒加工、多芯复合体组合与加工、多芯超导线的热处理等工艺过程。在传统的制备工艺过程中，必然包括时效热处理这一工艺，正是通过这一工艺，传统的制备工艺制备的NbTi/Cu超导体析出了α-Ti沉淀。由于传统的制备工艺不能选择钉扎中心的材料、钉扎中心的体积含量以及钉扎中心在复合体的排布都没有办法控制等缺点，于是后来发展了NbTi/Cu超导线材的人工钉扎中心工艺。在APC工艺中，通过人为引入钉扎中心，大大提高了NbTi超导体的临界电流密度。APC制备工艺主要包括：坯料的组装、挤压、拉拔、扭转以及绝缘处理等工艺流程。由于APC工艺是通过机械加工的方式来形成钉扎中心的，所以，在这一工艺流程中，并没有包含热处理的工艺。就目前的技术条件来看，这两种制备工艺现在都得到了非常大的发展，不过由于传统工艺的成熟性低成本，商用的NbTi超导体目前主要还是采用传统的制备工艺进行生产。

对于应用在ITER装置上的NbTi超导体来说，为了满足装置运行安全的需要，大铜比NbTi超导线材的研究是未来的研究趋势。这是因为，铜比越大，即在NbTi/Cu超导线材的横截面上的铜的面积越大，超导磁体运行越稳定、越安全。

2.Nb3Sn超导材料

由于NbTi在4.2K温度下的上临界磁场只有11T，比较低，不能满足ITER装置中高场的要求。所以，在装置中需要高场的情况下，必须要寻找上临界磁场更高的超导材料，Nb3Sn在4K温度下的上临界磁场可达27T左右，正好满足ITER装置在高场下的条件。

Nb3Sn超导体为A15结构的金属间化合物，其具有高的临界温度Tc(18.3K)、在4K温度下的上临界磁场为27T，并且有着高的临界电流密度Jc(106A/cm2)，因此，它是制作10T以上超导磁体的最理想的高场超导材料之一。由于Nb3Sn是脆性材料，绕制磁体是通常是先绕制然后再进行热处理。Nb3Sn超导线材的制备方法主要包括：青铜法、内Sn法以及粉末装管法。和青铜法相比，内Sn法工艺线材加工中没有青铜的加工硬化，不需要多次的中间退火，并且Nb3Sn生成所需的Sn源不受限制等优点。因此，通过内锡法制作的Nb3Sn的线材性能最能满足ITER装置对于Nb3Sn股线的技术要求。

图3：内锡法股线微观照片

RRP内锡法Nb3Sn股线(微观图片如图3所示)是由多个Nb棒和Sn核构成，另外在Nb棒周围有用于防止过多的Sn向铜基体扩散的Nb阻隔层。Sn核、Nb棒以及Nb棒周围的Nb阻隔层共同组成了一个单元。每个单元324根Nb棒、一个锡核以及一个Nb阻隔层构成。单根股线是由84个这样的单元构成。

ITER计划从上个世纪80年代后期提出开始，到现在，这一计划已经进入工程试验阶段。经过这么多年的工程建设，基础科学探索，人类离商用化核聚变实验堆的距离正在逐渐缩小；相信在各国科学家的通力合作下，小太阳的梦想终将照进人类的日常生活中！

参考文献
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材料人网电子电工材料学习小组章洋投稿，材料牛编辑整理。