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NSR专访李建刚院士：高场超导磁体，力学反作用是关键

知社学术圈 2022-12-07

The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》

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  • 张兴义（兰州大学土木工程与力学学院教授）
  • 秦经刚（中科院等离子体研究所研究员）
可控热核聚变是解决人类能源危机的重要希望之一。无论是国际热核聚变试验堆(ITER)，还是中国正在建造的EAST 全超导托克马克、拟建造的CFETR聚变堆，都需要更好的高场超导磁体提供更高的磁场，才能有效约束高温等离子运动，实现可控热核聚变。
中国工程院院士李建刚教授长期从事相关研究，攻克了一系列技术难题，为我国等离子体与聚变工程技术的进步做出了重要贡献。近期，《国家科学评论》（NSR）围绕上述研究领域的亮点及发展前景，对李建刚院士进行了访谈。
李建刚院士
请您简要介绍一下我国拟自主建设聚变堆(CFETR)的基本情况和目前开始的准备工作。
李建刚：CFETR工程设计得到了国家磁约束聚变能研究专项的支持并于2015年启动，2019年完成了主要部件的工程设计。与此同时，一些核心部件与关键材料的预研工作也同步进行。例如，高性能Nb3Sn超导材料已实现Jc~2300A/mm2的批量化生产。通过承接ITER PF6、CFETR CSMC重点研发以及CFETR TF原型磁体等任务，CFETR磁体技术也已取得了很大进展。
聚变装置的核心部件是超导磁体，我国CFETR超导磁体与ITER相比，有那些不同？
李建刚：与ITER磁体相比，CFETR超导磁体的区别主要在于：（1）磁场参数：纵场线圈最高场由11.8T提升到14.5T，最大电流由68kA提升到约100kA，储能由50GJ提升到157GJ；（2）磁体材料：将首次采用高场Nb3Sn及高温超导材料，分别用于纵场线圈与中心螺管线圈；（3）磁体应力：纵场线圈的最大应力将提高约50%，对磁体结构与高强材料的要求显著提高。
超导磁体的安全性和稳定性依赖于基础的超导材料与导体，我国目前在超导材料、导体研制或者选型方面有什么困难，如何来解决这些困难？
李建刚：未来聚变堆超导磁体的显著特点是强磁场、大电流，因此，高应力是聚变磁体面临的关键问题之一，是影响磁体载流性能稳定的主要因素。不论是Nb3Sn超导材料，还是高温超导材料，临界电流都表现出显著的应力敏感性，因此，在高场超导磁体(也包括超导导体)的设计中需要重点研究应力的分布，并通过合理的结构设计，以降低或避免其性能退化。例如，在循环电磁载荷作用下短节距(STP)的CICC导体表现出优异的抑制分流温度退化的特征，这一结论已经得到了SULTAN的实验证实和兰州大学给出的理论预测，因此，STP型的导体也将成为我国CFTER高场线圈的首选。
超导材料力学效应的研究强烈依赖于基础的实验测量，我国目前在超导材料基础实验测量方面有没有取得重要进展？
李建刚：主要的超导材料基础实验包括电磁、力学以及热力学等基础参数。在电磁方面，等离子体具备14T背场实验条件，能够实现超导材料在电、磁、热同时加载下的性能表征，结果得到国际著名实验室的认可。在力学测量方面，以兰州大学为代表的研究小组具备良好的实验条件，代表着国内超导材料力学特性表征的最高水平。针对于未来的高场需求，兰州大学、等离子体所与近物所等正在一起谋划磁场达15T的超导力学实验测量平台。
早期的超导磁体设计中多不考虑力学反作用，现在由于磁场强度的提升，这种力学反作用影响更加显著，对于以后的超导磁体特别是高场超导磁体的设计，您有什么好的意见和建议？
李建刚：未来高场磁体的主要挑战来自于力学对超导的反作用，这已经成为国际国内同行的共识。针对未来高场磁体的设计，首先需要在材料方面下功夫，研发抗强应力的新材料；其次，在磁体结构设计上，需要突破传统结构思维，开发新型结构磁体；最后，在磁体工程制备中，必须确保工程技术的可行性，并利用先进技术进行多方位校核与检测。另外，在理论预测方面，主要是需要建立考虑力学反作用即力、电、磁、热多场耦合的高效、三维计算模型，兰州大学周又和院士团队在这一研究方向上取得了一系列实质性的进展，希望国内主要从事超导磁体的研发单位多与兰州大学进行合作攻关，共同努力提升我国超导磁体的研制能力。
致谢：作者感谢兰州大学超导力学研究院院长、中科院院士周又和教授给予的指导和支持。
该访谈英文原文（Mechanical effects: Challenge for high-field superconducting magnets）发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）.


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