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中國核聚變設施CRAFT超導磁體完成關鍵突破

2026-09-22 09:02  來源:中國科學院  瀏覽:  

中國“人造太陽”工程在核聚變堆超導磁體研發上取得新進展。6月27日,國家重大科技基礎設施“聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施”(CRAFT)最大的超導部件——環向場磁體完成最后制備工藝,并通過專家驗收;高溫超導中心螺管線圈磁體同步完成滿工況參數測試,核心性能達到國際領先水準。兩套核心磁體接連完成關鍵節點,為中國后續建設核聚變堆提供了更完整的超導工程基礎。

環向場磁體是聚變堆主機系統中的核心部件之一,承擔構建環向磁場、約束等離子體的重要任務。核聚變反應需要在上億攝氏度高溫等離子體中實現,普通材料無法直接接觸這種極端狀態,必須依靠強磁場把等離子體約束在真空室內,減少高能粒子對裝置壁面的沖擊和能量損耗。環向場磁體的性能,直接關系到聚變裝置的磁場強度、穩定運行能力和工程可擴展性。

此次通過驗收的環向場超導磁體長21米、寬12米、高3.3米,總重量達582噸,是當前全球尺寸最大的聚變堆超導磁體。該磁體體積達到國際熱核聚變實驗堆ITER環向場磁體的1.3倍,儲能達到其3倍。大尺寸、高儲能、強約束能力疊加在一起,對導體材料、絕緣系統、結構支撐、低溫環境、繞制工藝和整體裝配精度都提出極高要求。

該環向場磁體歷時6年完成設計、研制、測試和驗收等流程。整套磁體全鏈條關鍵環節實現國產自主可控,核心技術實現100%國產化,項目過程中申請授權專利47項,制定標準14項。對核聚變工程而言,這意味著中國在大型聚變堆超導磁體的材料、制造、工藝、測試和系統集成上形成了較完整的自主能力,不再只是單項技術驗證,而是進入大部件工程化交付階段。

高溫超導中心螺管線圈磁體完成滿工況參數測試,是另一項關鍵突破。中心螺管線圈的作用是感應并驅動等離子體電流,同時動態調節等離子體約束形態。它相當于聚變裝置中的“啟動與調控核心”,需要在強磁場、大電流和復雜電磁力環境下保持穩定工作。測試結果顯示,該線圈穩定載流60千安,儲能6.03兆焦,最大磁場變化率達到每秒5.1特斯拉,接頭電阻為0.87納歐,關鍵指標和核心性能達到國際領先水平。

中心螺管線圈磁體從超導材料、結構設計到成套制備工藝均實現完全國產化。項目團隊采用應力分散強力支撐結構和高低溫混合磁體設計方案,圍繞聚變堆高穩定性磁體設計、大電流高溫超導導體研制等環節開展攻關,解決了極端運行條件下的結構強度、導體穩定、低溫運行和大電流連接等工程難題。滿參數測試完成后,該磁體已具備支撐未來裝置運行需求的關鍵技術基礎。

超導磁體是核聚變堆工程化建設中的關鍵系統。聚變堆不僅要實現等離子體點火和維持,還要長時間穩定運行,并與真空室、低溫系統、電源系統、偏濾器、包層和控制系統協同工作。磁體系統如果不能滿足尺寸、載流、儲能、穩定性和壽命要求,后續裝置放大就會受到限制。CRAFT兩套核心磁體取得突破,說明中國正在補齊從實驗裝置向聚變堆主機關鍵系統驗證過渡的工程能力。

核聚變被視為未來清潔能源的重要方向,但它的難點不只在等離子體物理,也在大型復雜裝備制造。超導磁體需要在極低溫環境中承載巨大電磁力,還要與真空、熱屏蔽、低溫、供電和控制系統形成一體化運行。此次環向場磁體驗收和高溫超導中心螺管線圈滿工況測試完成,核心意義在于把關鍵部件從設計圖紙和局部樣機推進到大尺度、全工況、可驗收的工程實體。

中國核聚變堆超導磁體研發取得新突破后,后續重點將轉向系統集成、裝置聯調、長期運行驗證和工程化復制能力。兩項成果為聚變堆建設提供了大型環向約束磁場和中心電流驅動磁體的技術支撐,也將提升中國在聚變能源裝備、超導材料、大電流導體、低溫工程和高端制造領域的自主研發與工程建造能力。

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