6月27日,中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所消息,国家重大科技基础设施"聚变堆主机关键系统综合研究设施"(CRAFT)最大的超导部件——环向场磁体完成全部制备工艺,正式通过专家验收。
同日,高温超导中心螺管线圈磁体也完成满工况参数测试,核心性能达到国际领先水准。
两项核心超导部件的全国产化突破,标志着中国聚变工程能力跃上新台阶。
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01、全球最大聚变堆超导磁体诞生
此次验收的环向场磁体,是目前全球尺寸最大的聚变堆超导磁体。
俯瞰之下,这个巨型部件呈现出标志性的"D"字形轮廓,长21米、宽12米、高3.3米,总重量达到582吨。
对比国际热核聚变实验堆ITER的同类磁体,它的体积超出30%,总储能更是达到对方的3倍,各项性能指标均领跑国际同类产品。
在具体参数上,单台磁体运行电流达98千安,总储能120吉焦。
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未来建成的聚变堆将由16台这样的环向场磁体环绕排列,在等离子体中心产生6.5特斯拉的强磁场,磁体本体最高磁场可达14.5特斯拉。
它的核心作用是构建环向磁场,像一只无形的巨手将上亿摄氏度的高温等离子体牢牢约束在真空室中心,避免高能粒子直接撞击器壁造成能量损耗与结构损伤。
制造工艺上,这支科研团队历时整整六年,攻克了一系列世界级难题。
磁体采用原创的"外方内圆"设计方案,有效解决了超大电流工况下强电磁干扰与巨大机械应力的矛盾。绕组部分采用分级设计理念,由高场(高性能Nb₃Sn超导材料)、中场(ITER级Nb₃Sn)、低场(NbTi)三个子绕组套装而成,在不同磁场区域匹配最适合的超导材料,兼顾性能与成本。
从超导线材、大电流导体设计、低电阻接头制造,到绝缘材料研发、线圈精密绕制、真空压力浸渍,整条技术链条已实现100%国产自主可控。项目累计申请授权专利47项,制定行业标准14项。
值得一提的是,这台磁体设计寿命长达60年,需要在零下269摄氏度的极低温、近百千安的大电流、强中子辐射与超高电磁应力的极端环境中长期稳定运行,对材料与工艺的可靠性要求近乎苛刻。
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02、高温超导中心螺管同步突破,动态调节能力国际领先
与环向场磁体验收同日官宣的,还有高温超导中心螺管线圈磁体的满工况参数测试成功。
如果说环向场磁体是约束等离子体的"骨架",那么中心螺管线圈就是驱动等离子体运转的"心脏起搏器"——它负责感应并驱动等离子体电流,还能动态调节等离子体的约束形态,对维持聚变反应稳态运行至关重要。
实测数据显示,这款线圈稳定载流达到60千安,总储能6.03兆焦,最大磁场变化率可达每秒5.1特斯拉,超导接头电阻低至0.87纳欧,几乎接近零损耗。
从高温超导材料、结构设计到成套制备工艺,该磁体同样实现了完全国产化。
作为紧凑型聚变能实验装置的核心部件,它的研制成功为下一代更小型化、更高效率的聚变装置铺平了道路。
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03、中国聚变能研发多点开花,工程化进程加速
此次两项突破并非孤立事件,而是中国"人造太阳"整体布局的重要组成部分。作为国家"十三五"重大科技基础设施,CRAFT聚焦聚变堆主机关键系统的工程化验证,目标是为未来中国聚变工程实验堆(CFETR)提供核心技术储备。
在此之前,中国聚变领域已积累了深厚家底。位于合肥的全超导托卡马克EAST(东方超环)多次创造长脉冲高参数运行的世界纪录;
①"中国环流三号"实现了离子温度1.2亿摄氏度、电子温度1.6亿摄氏度的"双亿度"运行;
②全球首台全高温超导托卡马克"洪荒70"成功实现1337秒稳态长脉冲运行。
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与此同时,聚变堆第一壁材料、偏滤器、包层等关键子系统也相继实现全流程自主研发。
此次两大超导磁体的国产化落地,相当于为未来聚变堆装上了自主可控的"核心引擎",不仅筑牢了超导工程基础,也大幅提升了我国在聚变领域的国际话语权。
距离可控核聚变真正商用仍有很长的路要走,但每一次核心部件的突破,都在把人类迈向终极能源的距离拉近一步。
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