“人造太陽”關鍵核心材料實現國產工業化製備

在全球可控核聚變商業化進程加速的背景下，第二代高温超導帶材（REBCO）作為“超級磁體”的關鍵材料，其性能突破成為核聚變工程的核心環節。

中國科學院金屬研究所網站10月28日消息，近日，中國科學院金屬研究所戎利建研究員團隊利用自主研發的純淨化製備技術，成功攻克可控核聚變用第二代高温超導帶材金屬基帶的關鍵技術瓶頸，實現了高純淨噸級哈氏合金（C276）金屬基帶的工業化製備，標誌着我國在該領域核心材料自主可控方面取得重要進展。而這一成果意味着“人造太陽”關鍵核心材料實現了國產化和工業化製備，相關研究成果全文如下。

中國科學院金屬研究所製備的千米級基帶

隨着全球可控核聚變技術的快速突破，商業化進程逐漸加速，可控核聚變已經被國家列為重點發展領域。第二代高温超導帶材（REBCO）被視為可控核聚變中“超級磁體”的核心材料，其技術突破直接決定了能否製造出約束上億度等離子體的超強磁場。我國二代高温超導材料的製備和應用居國際前列，但高温超導帶材用金屬基帶長期依賴進口，近年來國內雖有生產，所採用的是進口的冷軋卷材進行後續加工，不僅價格昂貴，而且供貨時間難以保證。金屬基帶作為緩衝層和超導層生長的襯底，其作用如同蓋房時打下的地基——緩衝層和超導材料需要一層一層地“生長”在這一基帶上，它不僅為超導帶材提供了必要的機械強度和變形能力，更是整個超導結構得以穩定成型的基礎。

REBCO用金屬基帶目前主要採用哈氏合金(C276)，厚度<0.050mm，寬度12±0.05mm，長度要求1000m以上，表面粗糙度(AFM標準50×50um)要求Ra<50nm，同時要求抗拉強度＞1300MPa。近日，在中國科學院超導專項的支持下，中國科學院金屬研究所戎利建研究員帶領的團隊利用發明的材料純淨化製備技術，成功實現了高純淨噸級C276合金的製備。合金中雜質元素含量控制滿足：C≤0.002%；Mn≤0.5%；S≤0.0005%；P≤0.002%；O≤0.0006%；N≤0.003%；2μm以上夾雜等級：A細、B細、C細為0，D細為0.5；0.3μm以上尺寸夾雜數量＜6個/0.5mm2，材料的純淨度各項指標均達到了進口材料水平，個別指標優於進口材料。高純淨材料確保了合金具有優異的冷熱加工性能和基帶的表面質量。在此基礎上，突破了合金的鍛造、軋製、熱處理、相析出調控、光亮表面質量控制等關鍵技術，攻克了長期以來制約國產化基帶應用的技術難題，成功實現了長度達2000m、厚度0.046mm、寬度12mm的REBCO高温超導用C276基帶的批量化製備。基帶表面粗糙度小於20nm(AFM標準50×50um)，液氮温度下抗拉強度大於1900MPa，經900℃加熱5min後室温抗拉強度大於1200MPa，表現出優異的熱穩定性和力學性能。

基帶的表面粗糙度(AFM標準50×50um)Ra=19nm

日前，由中國科學院金屬研究所批量化製備的C276基帶已在上海超導科技股份有限公司和上海上創超導科技有限公司開展了驗證工作，並在東部超導科技(蘇州)有限公司成功完成近千米高温超導帶材的規模化製備。東部超導科技(蘇州)有限公司採用千米級的基帶已製備出845m的MF系列超導帶材，77K自場下平均Ic為594A，STDEV＜9.8A。在4.2K、10T垂直場下，Ic達到1058.78A-4mm，N值75.6，與採用進口基帶批量化製備的REBCO超導材料的臨界電流水平相近。製備的REBCO超導材料已應用於江西聯創超導科技有限公司的相關項目中。這標誌着我國在高温超導帶材用關鍵材料國產化製備方面實現重要突破，將為二代高温超導材料的全國產化生產和應用提供重要保障。