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1、 低温 与超导 第 3 9卷第 6期 超 导技 术 C r y o&S u p e r c o n d Vo 1 3 9 No 6 新型聚变堆用超导材料 N b 3 A l 的研究现状 吴欢，毕延芳，吴 维越，宋云涛，邓胜涛，李建 峰。，刘 向宏，冯 勇 ，张平祥，周廉(1 中国科学院等离子体物理研究所，合肥 2 3 0 0 3 1；2 西部 超导材料科技有限公司，西安 7 1 0 0 1 8)摘要：未来聚变堆 中等离子体能量密度的提高对超 导磁 体中导体在高场下的载流能力 和抗应 变能力提 出了更 高的要求。和已大规模应用的 N b s n相比，A 1 5型金属间化合物 N h，A l 超导
2、材料在高场下的本征临界电流密度更 高，且具有更优异的抗应变能力。经过近三十年的持续研究，N b，A l 的性能得到大幅提高，已成为新型聚变堆用 极具潜力的超导材料，目前其股线和导体的性能以及制造工艺仍有待进一步的提高和优化。文中将介绍这一新型 聚变堆用超导材料的制备和应用研究现状，以及它带给人们的挑战和机遇，并展望了我国对 N b A I 研究和开发的 前 景。关键词：聚变堆；超导材料；N b A I；制备；应用 Re s e ar c h o n s upe r c o ndu c t i ng m a t e r i a l Nb3 AI f o r a p pl i c at i o n
3、 i n f ut u r e t he r m o n uc l e ar r ea c t o r s Wu Hu a n，Bi Ya n f a n g ，W u We i y ue。，S o n g Yu n t a o ，De n g S h e n g t a o ，L i J i a n f e n g 2，Li u Xi a n g ho n g ，Fe ng Yo ng ，Zh a n g Pi ng x i a ng ，Zh o u Li a n (1 I n s t i t u t e o f P l a s m a P h y s i c s，C h i n e s e
4、 A c a d e m y of S c i e n c e s，H e f e i 2 3 0 0 3 1，C h i n a；2 We s t e r n S u p e r c o n d u c t i n g T e e h n d o g i e s C o ，L t d ，X i a n 7 1 0 0 1 8，C h i n a)Ab s t r a c t：F e a t u r i n g o u t s t a n d i n g i n t r i n s i c c u r r e n t c a r r y i n g c a p a b i l i t y i
5、n h i g h ma g n e t i c fi e l d a n d r e s i s t a n c e t o s t r a i n，A1 5 一 t y p e i nt e r me t a l l i e c o mpo u n d s u pe r c o nd u c t o r Nb 3 A1 h a s a t t r a c t e d mu c h a t t e n t i o n s i n c e 1 97 0s Af t e r ne a r l y 3 0 y e a r s c o n t i n u o u s e l-f o r t s t
6、o e x p l o r e i t s p o t e n t i a l，i t s p e r f o r ma n c e h a s b e e n i mp r o v e d t r e me n d o u s l y，ma k i n g i t p r o mi s i n g t o b e u s e d i n f u t u r e t h e rm o n u-c l e ar f u s i o n r e a c t o r s wh i c h ma k e a ri g o r o u s d e ma n d f o r t h e s u p e r
7、 c o n d u c t i n g ma t e rials T h i s p a p e r r e v i e we d t h e r e s e a r c h o n man u-f a e t u r e o f Nb 3 A I a n d i t s a p p l i c a t i o n i n f u s i o n e n g i n e e ri n g，a n d e x p l a i n e d t h e c h a l l e n g e s a n d o p p o r t u n i t i e s f a c i n g t h e s u
8、 p e r c o n d u e-t i v i t y c o mmu n i t y Th e p a p e r wa s e n d e d w i t h t h e p r o s p e c t of r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t of N b 3 A1 i n C h i n a Ke ywo r d s：Th e rm o n uc l e a r f us i o n r e a c t o r s，S u p e r c o n du c t i n g ma t e ria l s，Nb 3 A1，Ma n u
9、 f a c t u r e，Ap p l i c a t i o n 1 引言 热核聚变反应堆中等离子体的能量密度正 比 于环 向场磁场强度的四次方，增大环向场的磁场 强度是得到高能量密度 的重要途径。目前 I T E R (I n t e r n a t i o n a l T h e r m o n u c l e a r E x p e r i m e n t a l R e a c t o r，国际热核聚变实验堆)中设计 的环向场超导磁体 线圈所通电流为 6 8 k A，经受 的最 大磁 场强度为 1 1 8 T，用 N b s 力超导材料以先绕 制后反应 的方 式制造。继 I T
10、E R之 后 的示 范堆 预计 将达 到约 2 G w 的聚变功率，环向场线圈的最大磁场强 度约为 1 6 T，需要承载 1 0 0 k A的工作 电流。这就 要求导体在更高的磁场下具有更大的运行 电流密 度；同时导体还将承受高磁场和大电流带来的约 1 6 0 t o n m的电磁力，这是 I T E R环向场线圈导体 所承受的电磁力大小的两倍；再加上，如果采用 先绕制后反应工艺制作磁体线 圈，在导体热处理 温度和工作温度之间的温差下，导体材料和导管 或结构材料之间不同的热胀系数将导致导体材料 的热应变，因此超导材料在高场下的载流能力和 抗应变能力 面临严峻的挑战。目前已大规模商业化应用的超导
11、材料主要是 历经了三十多年开发的 N b T i 和 N b S n，它们 的性 能随着超导技术的发展得到逐步的提高。其 中延 收稿 日期：2 0 1 1 0 3 2 9 作者简介：吴欢(1 9 7 5一)，男，助理研究员，博士，从事超导技术研究。第 6 期 超 导技 术 S u p e r e o n d u c t i v i t y 2 5 展性能 良好 的合金 N b T i 由于具有较低的上临界 场主要用于 1 2 T以下 的磁体中，而磁场强度高至 2 0 T的超导磁体则需采用脆性的 A 1 5型金属间化 合物 N b s n。尽管随着材料设计 的进步和材料加 工工艺的发展 N b，
12、S n性能仍在逐步提高，但其 临 界磁场、临界 温度、临界 电流密 度有 一定 的极 限，即使利用三元系合金和过冷却来 改善其超导 性能，进一步提高 的空问仍然有限，为此人们正 在积极开发其他性能更加优异的超导材料以满足 未来聚变堆对超导磁体材料的需求。N h A l 和 N b S n是同属 A1 5型晶体结构的金 属间化合物超 导材料，其 1 8 9 K的临界 温度 比 N b S n的 1 8 K略高，其 3 0 T(4 2 K)的上临界场 比 N b S n高出约 6 T，在约 2 0 T以上的磁场中其临界 电流密度远高于 N b s n。更为重要的是，磁场 下 的抗应变研究表明，由于
13、 N b A 1 晶格原子排列 的有序度 较差，其超 导性能对 晶格完整性 不敏 感，应 变对 N b A 1电流密 度 的影 响远 比 N b S n 小，例如，在 4 2 K和 1 2 T下，0 8 的压缩应变 将使 N b。S n的载 流能力下 降约 6 0 ，而在 同样 的压 缩 应 变 下，N b A I的 载 流 能 力 只 下 降 约 3 0 2 3，因此 N b A l 导体可 以承受巨大的电磁力 甚至可以采用 N b S n无法适用的先反应后绕制的 方法来制作磁体 J，这样不仅提高 了线圈的性能 也可 以降低线圈的制造成本。此外，已有实验表 明，添加 C e形成 的三元系 N
14、 b (A 1，G e)具有更高 的 和 c 2，其 可达 1 9 4 K，B c 2 可 以达到 3 9 5 T(4 2 K)，在高场下，具有 比 N b A 1 更高的临界 电流密度 j。这些独特的优点使得 N b，A 1 作为未 来核聚变堆磁体材料有着很好 的应用前景，引起 了极大的关注。2 N b A 1 超导股线的制备 早在上世纪七十年代初期，人们就 已经发现 N b A l 具有 很 高 的上 临界 磁场，开始 尝 试 制造 N b A l 线材。由于 N b、A 1、C u之间容易反应生成 不期望得到的三元化合物，因此制造 N b S n的青 铜法或内锡法无法延用于 N b A
15、l。人们发现符合 化学 计 量 比的组 分 对 于得 到 高 和 高 B 的 N b A l 至关重要，而从 N bA l 二元相 图可知这 一组分只有在高于 1 9 0 0 C时才能稳定存在，低温 下将导致贫 A l 相的出现，此外，在 N b A l 中钉扎 中心由晶粒间界提供，较高的热处理温度将导致 晶粒过度长大，晶界减少，不利于临界电流密度 的提高，这都给 N h，A l 的制造带来 困难。尽管这 样，在 N b A 1 优异性能 的吸引下，上世纪八 十年 代中后期人们还是逐渐发展了制造 N b A 1 线的工 艺，并持续提高 了其性能。这些方法的 目标是得 到具 有 化学 计 量 比
16、的 成 分 和 微 小 品粒 的 N b A 1，其中具有化学计量比的成分是高 和高 的保 证，而微小 晶粒之间的晶界提供 的钉扎力则是高 的需 要。制造 N b，A 1 股线的工艺可分为三类，一类是 传统的固态扩散法(S o l i dS t a t eD i f f u s i o n)，另 一类 是 激 光 电 子 束 加 热 法(L a s e r E l e c t r o n B e a mH e a t i n g)，还有一类是淬火法。固态扩散 法和制造 N b S n超导线时所采用 的扩散法类似但 避免 了 N b、A 1 和 C u的直接接触，通过机械加工 使待反应的两种元素
17、在空间上接近，即使得扩散 偶细微化，然后在低温下通过长时间的热处理促 使两 种 元 素 通 过 扩 散 反 应 生 成 目标 化 合 物 N b A 1。在 固态 扩散法 中，依据扩 散偶形态 的不 同，可 以分 为棒材装管 法(R o di nT u b e)5 3、果冻卷法(J e l l y R o l 1)J、粉末装管法(P o w d e r i nT u b e)7 J、包覆切片挤压法(C l a dC h i pE x t r u s i o n)。由于固态扩散法采用 较低 的扩散反 应温 度，得到 的线材 中部分成分 偏离化学计量 比，导致较低 的 和 B ，为此人们 又发展
18、了激 电子束加热法，期望采用激光或 电子束辐照 来提高反应温度以得到更好的化学计量 比，但是 这样 的到晶粒尺寸却不可避免地过度粗化，降低 了线材在低场下的临界电流密度。为了得到既满 足化学计量 比的成分又具有细小 晶粒的材料，退 火法通过快 速降温将高温 下得到 的 N b一2 5 a t A l 合金转变为亚稳态 的体 心立方过饱和 固溶体 N b(A 1)然后在低温下经过晶体结构的改变而 非局域组分的改变使 N b(A 1)转变为 N b，A l。依 据 淬火方式 的不 同，淬火法 可分为液体 淬火 法(L i q u i d Q u e n c h)和急热急冷转 变法(R a p i
19、dH e a t i n gQu e n c h i n ga n dT r a n s f o r m a t i o n，R H Q T)。其 中液体淬火法使用移动的 c u基带来使液态的 N b一2 5 a t A 1 合金淬 火，因此无 法得到多芯 结 构，限制 了其大规模应用，而急热急冷转变法以 2 6 超 导技 术 S u p e r c o n d u c t i v i t y 第 6期 通过机械加工方式得到的具有多芯结构的线材作 为 N b一 2 5 a t A 1 合金 的先驱，采用 欧姆加热 的 方法将其 温度快速 升到约 1 9 0 0 C以得 到 N b一 2 5 a
20、 t A 1 合金，然后用约 5 0 的熔融 G a浴将其 淬火从而将高温下得到的亚稳态的体心立方过饱 和固溶体 N b(A 1)保 留至低温下，进而在约 8 0 0 下退火将 N b(A 1)转变为 N b，A l。急热急冷转 变法的特点是 N b(A 1)。在室温下具有 良好的延 展性，这使得在转变为 N b A 1 前成缆和线圈绕制 非常便利，而且由急热急冷转变法得到的 N b A l 具有较好的化学计量 比成分和微小的晶粒，因此 其、和 较 固态扩散法得到的高，近来受 到越来越多的重视。3 N b A l 超导材料在聚变堆中的应用 N b A 1 以其优异的本征高场性能和抗应变性 能受
21、到越来越多的重视，在 G H z 级高分辨率核磁 共振谱仪磁体、粒子加速器磁体和聚变堆磁体 中 的应用正在深入 开展 中。在 聚变堆磁体 应用方 面，从上个世纪 8 0年代中期开始，采用 固态反应 法中的果冻卷法，日本原子能研究机构(J a p a n A t o t n i e E n e r g y A g e n c y，J A E A)以在聚变示范堆环 向场磁体中应用为 目标建立了大规模生产 N b。A J 股线的方法，制造 出单根长度 1 1 k m 的股线，在 4 2 K和 1 2 T下股线 的非 C u临界 电流密度达到 6 0 0 A mm，并用此股线制造 出 1 5 0 m长
22、的 C I C C 导体。更进一步，他们用此导体制造 出世界上首 个用于大型磁体的 N b A】内插线圈，并将其置于 I T E R中心螺线管模型线圈中进行 了测试，在 1 3 T 的磁场下，线圈可 以承载 4 6 k A的电流。这一 探索开启了 N b A l 应用的先河，建立 了 N b，A l 股 线、导体和线圈的制造技术，确认 了 N b，A 1 导体 可以满足聚变堆超导磁体 的需要。另外，从上个 世纪 9 O年代中期开始，日本 国立材料科学研究 所(N a t i o n a l I n s t i t u t e f o r Ma t e r i a l s S c i e n c
23、 e，N I MS)开展了急热急冷转变法制造 N b。A 1 股线的研究工 作。他们与 日本原子能研究机构合作，采用急热 急冷转变法制造了 N b A 1 股线，并探索了其在核 磁共振谱仪磁体、加速器磁和聚变堆磁体 中的应 用。在聚变堆磁体用导体方面，他们用线径 0 8 m m 内部 A g稳 定 化 的 N b基 股线 试 制 了小 型 C I C C导体，一级子缆采用一根超导股线加两根 C u股线的方式，形成 3 x 4 3的绞缆结构。经过 测试，在 4 2 K的 L H e浴和 1 4 T的外场下导体可 以承载约 3 5 k A的电流。4研究趋势 用固态扩散法制造 N b A 1 股线的
24、优点是成本 较低，但是如何进一步细化扩散偶以提高股线中 目标化合物 N b A l 的含量，同时保证有足够多的 晶粒间界 以提供磁通线的钉扎中心，是需要进一 步深入研究的问题，此外，通过 在 A l 中添加 G e 形成三元系的 N b (A 1，G e)是提高股线性能的有 效方法，但是 目前还没有用 固态扩散法制造 N b (A 1，G e)股线的报道，这方面 的工作急需开展。而对 于急热急冷转变法，在进行 欧姆加热时，由 于被加热股线的弯 曲、振动和熔融 G a浴液面的 随时变化，为了得到热处理均匀的股线，欧姆加 热电流大小很难控制，热处理均匀的长股线的产 率很低，生产成本很高。而且多芯结
25、构的先驱线 材要被加热至约 1 9 0 0，这一温度远高过 c u的 熔点 1 0 8 3 C，因此急热急冷转变法中需采用难融 的 N b或 r r a 作为基体材料，起稳定化作用的 C u 只能通过其他方式附加到线材上：采用的方式之 一是淬火后在线材上包覆 C u片后再 进行槽轧，这样得到的覆 c u扁带 中 N b A 1 和 c u之间的电 导率和热传递系数有限且其形状也无法满足聚变 堆用 C I C C导体对圆形股线的需要；方式之二是 内部稳定化，即在进行亚元组装时用 N b包裹 的 鲰 棒或 rr a 包裹 的 C u棒取代截面中心部位的部 分 N b A 1 棒，这样却不利于股线失
26、超时在内部产 生的焦耳热被股线表面附近的 L H e 快速带走；方 式之三则是淬火后通过离子镀 电镀在股线表面 沉积一层 c u，这样得到的热稳定效果最好，但是 股线制造成本大幅度增加。此外，由急热急冷转 变法得到的 N b A 1 股线中在进行转变退火时会产 生很多固态扩散法中不曾有的堆垛层错，这样的 缺陷导致股线局部成分富 A l 而偏离化学计量比，限制了 和 B 的提高。可 以说，急热急冷转变，法有很大的潜力，但是还有待进一步的改善，除 了上面提到的问题外，N b A 1 先驱线截面配置、退火前有助于提高晶界密度的机械变形制度和适 第 6 期 超 导技 术 S u p e r c o n
27、 d u c t i v i t y 2 7 合减小堆垛层错密度的退火制度等也都还需进一 步的优化，对此还需要进行大量的研究工作。除了对于 N b A 1 超导股线 的工作需要进一步 深人之外，对于 N b A 1 超导导体，随着股线制造 工艺的不断改进 和性 能的逐步提高 ，股 线 的 性能将会接近其本征性能所能达 到的水平，结合 更合理的导体设计方式，聚变堆用 N h A l 导体的 性能的提高还有广阔的空间，尤其是 N h A l 优异 的抗应变性能将可能允许采用先反应后绕制的工 艺制作线圈，这给磁体技术方面的研究带来很大 的挑 战和机 遇。5 结论 超导技术是二十一世纪世界各国普遍重视
28、 的 高技术。继 N b T i 和 N b S n之后 的新一代 高场性 能、抗 应 变性 能优 良的 N b A l 超 导 材 料 在 日本 等 国研究人员持续、深入的研究工作 的推动下越来 越受到世界各 国的关注，其在 聚变堆磁体、核磁 共振谱仪磁体及加速器磁体中的实用化进程迅猛 发展。对 于 N h A l 在聚变堆中的应用研究，除 日 本外，其他 国家都给予了 N h A l 极大 的关注，但 还没有见到开展相关工作的报道，技术的制高点 亟待 占领。目前我国的西部超导材料科技有限公 司已经具备加工高性能 I T E R用 N b T i 和 N b S n超 导材料的能力，而中国科
29、学院等离子体物理研究 所具备聚变堆用大型 N b T i 超导磁体的设计 和制 造能力，但在极具潜力的 N b A l 超导材料 的制备 及应用研究方面还没有突破。结合西部超导材料 科技有限公司和中国科学院等离子体物理研究所 在材料制备和应用研究两方面的优势，拓展我 国 聚变堆磁体用超导材料的研究领域，推进 N b A 1 超导材料 的国产化与实用化进程，以使我国在未 来高性能聚变堆用超导材料和应用研究方面在世 界上 占有一席之地，并满足我 国未来聚变科学与 工程技术发展的需要，是当务之急。参 考文献 1 T a c h i k a w a K，T a k e u c h i T T h e
30、H i s t o r y a n d F u t u r e o f A1 5 s i n J a p a n J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y，2 0 0 5，1 5(2)：2 4 4 32 4 4 9 2 S p e c k i n g W，K i e s e l H，N a k a j i m a H，e t a 1 F i r s t R e s u l t s o f St r a i n Ef f e c t s o n I C o f Nb
31、3 A1 Ca b l e i n Co n d ui t Fu s i o n S u p e r c o n d u c t o r s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c 0 n d u c t i V i t y，1 9 9 3，3(1)：1 3 4 21 3 4 5 3 K o i z u m i N，N u n o y a Y，Ma t s u i K，e t a 1 E v a l u a t i o n o f s t r a i n a p pl i e d t o s t r a n
32、d s i n a 1 3 T 一4 6k A Nb 3 A1 c a b l e i nc o n d u i t c o n d u c t o r J S u p e r c o n d u c t o r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，2 0 03，1 6：1 09 21 0 9 6 4 I i j i m a Y，K i k u c h i A，I n o u e K N e w N b 3 A 1 一b a s e d A1 5 m u h i fi l a m e n t a r y w i r e s w i t h h i g
33、h J i n h i g h f i e l d s J Cryo g e n i c s，2 00 0，4 0：34 53 4 8 5 I n o u e K，L i j i m a Y，T a k e u c h i T S u p e r c o n d u c t i n g p r o p e r t i e s o f N b 3 A I mu h i f a m e n t a r y w i r e J A p p 1 P h y s L e t t ，1 9 8 8，5 2(2 0)：t 7 2 41 7 2 5 6 C e r e s a r a S，R i c c i
34、M V，S a c c h e t t i N，e t a 1 N b 3 A 1 F o r ma t i o n a t T e m p e r a t u r e s L o w e r t h a n 1 0 0 0 C J I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s，1 9 7 5，MA G一1 1(2)：2 6 3 2 6 5 7 L o h b e r g R，E a g a r T W，P u f f e r I M，e t a 1 F a b r i c a t i o n a n d J (H，T)m e a
35、s u r e me n t s o n N b 3 A 1 o 7 5 G e 5 ri b b o n J A p p 1 P h y s L e t t ，1 9 7 3，2 2(2)：6 9 7 1 8 S a i t o S，I k e d a K，I k e d a S，e t a 1 N b 3 A 1 s u p e r c o n d u c t i n g wi r e s f a b r i c a t e d b y t h e c l a d c hi p e x t r us i o n me t h o d A I n：S e k i g u c h i T，S
36、h i ma mo t o S 1 l t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ma g n e t T e c h n o l o g y(MT一1 1)(C)L o n d o n，UK：El s e v i e r Ap p l i e d S c i e n c e，1 9 9 0：9 7 49 9 T a k e u c h i T N b 3 A 1 c o n d u c t o r s f o r h i g hfi e l d a p p l i c a t i o n s J S u p e r c o n
37、 d S c i T e c h n o 1 ，2 0 0 0，1 3：R 1 0 1 一R11 9 1 O K o i z u m i N，T a k a h a s h i Y，N u n o y a Y，e t a1 C r i t i c a l c u r-r e n t t e s t r e s u l t s o f 1 3 T 一4 6kA Nb3 A1 c a b l ei nc o n d u i t c o n d u c t o r J C ryo g e n i c s，2 0 0 2，4 2：6 7 5 6 9 0 1 1 T a k e u c h i T，K
38、i k u c h i A，B a n n o N，e t a 1 R H Q T J R Nb 3 A1 c o n du c t o r s de v e l o p e d for n uc l e a r f u s i o n d e v i c e s J F u s i o n E n g i n e e ri n g a n d D e s i g n，2 0 0 6，8 1：2 4 4 3 2 48 1 2 Y a ma d a R，K i k u c h i A，B a r z i E，e t a 1 C o m p a ri s o n B e t we e n Nb 3 A1 a nd Nb 3 S n S t r a nd s a n d Ca b l e s f o r Hi g h F i e l d A c c e l e r a t o r Ma g n e t s J I E E E T r a n s a c t i o n s o n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y，2 0 1 0，2 0(3)：1 3 9 91 4 0 3