第1章 绪论
从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代，人类的能源利用经历了数次演变，随着能源利用总量的不断增长，能源结构也在不断发生变化。能源时代的每次变迁，都伴随着生产力的巨大飞跃，在推动人类经济社会发展的同时，能源对资源环境的影响也越来越明显。随着科技的进步和发展，非常规能源不断转化为常规能源，发展新型的与能源相关的技术，对于未来能源替代和新能源时代的开启具有重要的意义。
聚变能是一种清洁、安全、可再生的新型能源，与不可再生能源和常规的清洁能源不同的是，它具有资源无限、无环境污染、不产生高放射性核废料等一系列优点。作为人类未来能源的主导形式之一，聚变能的开发与利用，是解决人类社会未来环境问题、能源问题，促进人类社会可持续发展的重要途径之一。为了发展这种能源，验证和平利用聚变能的科学和技术可行性，开展了国际热核聚变实验堆合作计划（简称ITER计划，又称“人造太阳”计划），目标是建立一个全超导Tokamak（托卡马克）型聚变实验反应堆，试探控制核聚变反应的方法，实现聚变能的直接应用。这一重大国际合作计划的开展，汇集了国际受控磁约束核聚变研究最成熟、最前沿的科学和技术成果。全超导Tokamak（托卡马克）型聚变实验反应堆的建造和运行具有可靠的科学依据，同时具备坚实的工程技术基础，示范堆、原型堆核电站的实验成功，将为实现聚变能的商业化铺平道路。ITER项目位于法国南部海港城市马赛以北约80km处的圣保罗—莱迪朗斯小镇，目前正在施工中，如图1.1所示。
图1.1 在法国南部海港城市马赛以北约80km处的圣保罗—莱迪朗斯小镇，国际热核聚变实验堆合作计划正在实施
ITER计划最早是在1985年举办的日内瓦峰会上提出的，最初由美国、苏联、欧盟和日本四方启动，1986年开始设计和筹建，1998年完成该计划的前期基本工作，2001年完成工程设计。2006年5月24日，科学技术部代表我国政府在比利时首都布鲁塞尔草签了《成立国际组织联合实施国际热核聚变实验堆（ITER）计划的协定》，标志着ITER计划正式进入执行阶段，也标志着我国正式参加ITER计划。
国际热核聚变实验堆，又被人们形象地称为“人造太阳”，它的反应原理与太阳内部的核聚变反应原理一样，即两个氢原子发生核聚合反应释放出核聚变能。考虑到氘原子核和氚原子核发生核聚变反应的特殊条件，如果氘、氚混合气体可以发生大量核聚变反应，则要求气体的温度必须达到108℃以上。在这样的环境温度下，气体原子中的电子和原子核已经完全脱离，各自独立运动。这种以自由电子和带电离子为主要成分的超高温气体被称为“等离子体”。受控热核聚变实现的过程中，对等离子体的加热主要有两种方式：①利用磁场变化在等离子体中感应产生电流进行欧姆加热；②从外界向等离子体注入高能中性原子束或者发射射频波进行非欧姆加热。温度达到108℃的完全电离等离子体只是热核聚变反应发生的条件之一，还需要将等离子体约束在一个适度小的空间内，以防止高温等离子体逃逸或飞散，当等离子体的约束时间、密度达到一定数值，即满足劳森判据时，受控核聚变反应才能进行。实现受控核聚变反应的条件要求将108℃的等离子体核聚变燃料约束在局部空间内，如何“盛装”如此高温度的燃料，成为完成这一反应的主要难题。Tokamak磁约束聚变装置通过考虑应用磁场构造一个磁容器来约束等离子体的运动。这一概念最早由苏联科学家在20世纪50年代提出，并逐渐显现出其独特的优势，最终成为聚变能研究的主流途径。为了实现受控热核聚变，需要超导磁体系统提供的高磁场来控制等离子体的位形和约束等离子体。在Tokamak装置中，超导体材料一般为中国使用的NbTi（Experimental Advanced Superconducting Tokamak装置，EAST装置）或韩国使用的Nb3Sn（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research, KSTAR）或日本日立公司为九州大学建造的Triam-1M超导Tokamak，并以“D”形线圈结构在装置中出现，如图1.2所示。ITER超导磁体运行的电流水平为40～60kA，运行产生的最大磁场达到13T，超导磁体承受的对地电压为5kV。
EAST装置是我国自主设计研制的全球首个全超导Tokamak装置（又称“东方超环”），它的建成标志着我国磁约束核聚变研究达到世界前沿水平。EAST装置由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统六大部件组成。在运行时，16个大型“D”形超导纵场磁体产生的磁场强度为3.5T，12个大型极向场超导磁体提供的磁通量变化为ΔΦ≥10Wb。借助这些极向场超导磁体，EAST装置产生的等离子体电流强度大于106A，持续时间达到1000s，在高功率加热下的等离子体温度超过108℃。EAST装置的运行环境极其复杂：超大电流、超高真空、超强磁场、超高温、超低温，温度环境从装置芯部108℃的高温跨越到超导线圈中的-269℃的低温，给装置的设计与制造带来了挑战。“东方超环”全超导托卡马克核聚变实验装置（位于安徽省合肥市的“科学岛”）是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所自主研制的世界上首个非圆截面托卡马克装置，同时也是中国第四代核聚变实验装置。2017年7月，“东方超环”首次实现了5×107℃等离子体持续放电101.2s的高约束运行记录，首次在世界上实现了从60s到100s量级的跨越。2018年11月，EAST装置首次实现了加热功率超过1013W、等离子体中心电子温度达到108℃，并在该温度下持续运行近10s，实验中获得的物理参数接近热核聚变堆稳态模式运行所需的物理条件。2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成，并完成首次放电，该装置实现了等离子体温度1.5×108℃，标志着我国自主掌握了大型先进超导托卡马克装置的设计制造和与运行技术。
图1.2 国际热核聚变实验堆托卡马克磁体系统中的多级结构
目前世界上大规模的超导磁体系统，如中国的EAST装置、ITER Tokamak、韩国的KSTAR、美国的NHMFL（National High Magnetic Field Laboratory）45T混合磁体等的设计主要采用铠装式电缆导体（Cable-In-Conduit Coductor, CICC）技术。CICC导体是由内冷超导体发展演化而来的，最初的导体结构由氦管和缠绕在氦管表面的超导——铜缆组成，后来Hoenig、Iwasa和Montgomery等建议将导体细分为结构尺寸更小的股线，由这些超导股线和铜股线绞合形成电缆，这样做的目的是降低低温下的功率损耗和液氦流动时产生的压差；Lue等又提出在导管上打孔的方法，以及将导体设计成双层导管来解决导体失超压力大、液氦通过孔渗透等问题，这样逐步演化为现在的CICC导体结构。以EAST装置中使用的CICC导体结构为例，可以将其结构分为八级复合（见图1.2）：第一级复合由超导微丝与基体材料复合而成超导股线；第二级复合由超导股线与纯铜股线多级绞缆后形成电缆体；第三级复合由电缆体与中心不锈钢氦管复合而成电缆复合体；第四级复合由电缆复合体与不锈钢导管复合而成CICC超导体；第五级复合由CICC超导体与环氧基热固性玻璃钢内绝缘层复合而成绝缘CICC超导体；第六级复合由绝缘CICC超导体与不锈钢内屏蔽层复合而成屏蔽CICC超导体；第七级复合由屏蔽CICC超导体与环氧基热固性玻璃钢外绝缘层复合而成绝缘增强型CICC超导体；第八级复合由绝缘增强型CICC超导体与不锈钢外屏蔽层复合而成超导电流传输线导体。CICC技术在机械稳定性、失超安全性、降低应力累积、磁体绕制工艺等方面具有一系列优势：①CICC超导体在强电流、高磁场的环境下工作，要求磁体具有很好的刚性和机械稳定性以承受大的电磁力的作用；②在高磁场变化率的作用下，超导体产生的交流损耗值较高，联合其他负载的作用会在超导体内部积聚很大的热量，为了防止超导体的失超，需要采用强迫冷却的方式将这些热量移除，CICC超导体结构为这种冷却方式提供了便利；③应力作用会导致低温超导体的性能退化，要求CICC超导体结构能够减小电缆导体的变形和应力应变累积；④CICC超导体的截面积和整体性优势简化了磁体绕制工艺；⑤与浸泡型冷却导体相比，CICC超导体的绝缘性能、交流损耗性能、机械强度性能、绕制性能都具有明显的优势。
作为磁约束核聚变超导磁体关键部件用超导材料之一，ITER项目的开展给Nb3Sn高场超导复合超导体的发展带来了新的契机。1961年，Kunzler等发现金属间化合物Nb3Sn材料，在4.2K的超低温环境下，当施加的磁场强度为8.8T时，其临界电流密度值达到105A/cm2，表明了其在高场磁体领域的应用潜能。由于Nb3Sn超导体是一种典型的脆性材料，极易受到应力应变的影响，其不利于材料加工的特点限制了它在超导磁体领域的应用。随着制造工艺的改善，采用Restacked Rod Process方法制备的Nb3Sn超导体在环境温度4.2K、背景磁场强度12T时的临界电流密度可达到3000A/cm2。凭借其高的超导体相转变温度、高的上临界磁场强度、高的临界电流密度，Nb3Sn材料成为制造10T以上超导磁体装置最理想的高场超导材料之一。基于运行环境对Nb3Sn超导体电磁性能、机械性能与运行稳定性要求的考虑，Nb3Sn超导体的主要结构形式为具有复杂微细观结构的复合材料。目前，主流的高场超导复合材料Nb3Sn的制备技术有青铜法、内锡法、粉末装管法。以采用青铜法制备得到的高场超导复合材料Nb3Sn为例，其结构形式为层状复合结构，最内层为由超导丝群和青铜基底构成的超导内层，次层为Ta扩散阻碍层，最外层为Cu稳定层。复合结构的尺度跨度为：超导丝的直径为2～5μm，超导丝群的直径约为几十微米，超导复合材料的直径为0.81mm。
Nb3Sn超导体的超导电性能（超导体相转变温度、上临界磁场强度、临界电流密度）对其力学行为具有非常强的敏感性。由于ITER超导磁体系统运行工况复杂（极端低温环境、超强磁场环境、强运行电流水平），当磁体由制造温度冷却到工作温度时，CICC超导体外管套和电缆体之间不同的热膨胀系数会导致沿轴向方向的温度载荷，同时，载流电缆与超强磁场环境的作用会导致电磁载荷的产生。在温度载荷和电磁载荷的联合作用下，Nb3SnCICC超导体处于复杂的应力应变状态下，其与材料超导电性能的关联会直接导致超导磁体装置电磁性能指标的下降及失超（释放出的超导磁体能量会使磁体局部温度迅速升高，如果温度过高，会破坏超导磁体的内部结构甚至烧毁超导磁体），从而对ITER超导磁体系统的安全运行产生消极影响。探索和揭示Nb3Sn超导体变形—临界性能的耦合行为及失超瞬态的材料行为，对于研究超导磁体结构的性能和安全服役具有重要的意义。