[发明专利]一种极细芯丝超导线材的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种线材的制备方法，尤其是一种超导线材的制备方法。

背景技术

全超导可控磁约束热核聚变能（托卡马克）发电技术是人类未来可持续发展的战略性新能源技术之一。正是由于可控核聚变能的资源充裕和环境友好等优点，其被公认为最可能解决未来全球能源危机、推动人类社会可持续发展行之有效的理想能源。目前，由多国参加的国际热核聚变实验堆计划（ITER）的启动对于推动可控聚变能基础科学发展和工程技术进步具有重要意义，2006年11月我国正式加入ITER计划。2010年，我国制订的战略规划已明确将“超导磁约束核聚变技术”列为国家中长期重点支持的发展方向。

大型超导磁体是全超导可控磁约束聚变堆的关键，其主要功能是将超高温（6,000~10,000万℃）等离子体约束在磁容器中，实现可控的核聚变反应。在ITER设计中，高场磁体（TF和CS）需要产生非常高的磁场（11.8特斯拉，T），同时承受巨大的洛仑兹力，目前该磁体采用Nb₃Sn超导材料绕制。然而，未来示范堆和商用堆运行参数（磁场>15T、电流>100kA，承载>150吨/米、功率>2GW）远高于目前ITER设计参数，大的洛仑兹力产生的应力/应变导致Nb₃Sn超导材料性能衰减问题变得尤为严重，难于满足高场超导线圈应力/应变容限要求。因此，寻求具有更为优良综合性能的高场磁体用超导材料是未来可控磁约束聚变示范堆和商业化过程中必须解决的基本问题。与Nb₃Sn相比，Nb₃Al超导材料具有更高的临界磁场和优良的应变容许特性，是未来磁约束聚变堆，尤其是示范堆阶段高场磁体的理想选择。目前，我国实用Nb₃Al超导长线的研究和制作基本上处于空白。

超导磁体产生磁场的原理是利用超导材料绕制成螺线管线圈，然后在线圈中通上交变电流，于是线圈的周围就会产生感应磁场，其中线圈的中心磁感应强度最大。

由于超导材料内部存在晶界、位错、杂相等缺陷，因此在超导磁体运行过程中会存在“交流损耗”，从而产生热量。超导磁体长期运行在液氦或液氮等冷却剂中，热量的产生一方面会造成制冷成本的上升，另一方面会在超导磁体局部造成热量的聚集，形成“热岛”；一旦这些“热岛”温度超导线材的超导转变温度（Tc），就会导致超导磁体“失超”，从而对整个超导磁体产生“致命”的影响。因此，在超导线材的结构设计中，如何降低交流损耗和提升热稳定性成为现有技术亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极细芯丝超导线材的制备方法，解决现有技术中存在的由于超导磁体运行过程中的“交流损耗”引起的“失超”问题，并且提升超导线材的热稳定性。

本发明具体的技术方案是：一种极细芯丝超导线材的制备方法，包括如下步骤：

组装密封：将1000~3000根Cu/Nb/Al复合棒装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，获得复合锭体；

热挤压加工：将所述复合锭体在4000kN~6000kN的压力下进行等静压加工，然后将锭体预加热到100℃~500℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分钟0.5m~5.0m速率进行热挤出加工，获得一次组装复合棒材；

制作亚组元：将所述一次组装复合棒材以每道次10%~20%变形率和每分钟1~10米的速率进行多道次的拉拔加工，获得与所述Cu/Nb/Al复合棒尺寸相同的亚组元；

制作二次组装复合棒材：将1000~3000根所述亚组元装入Cu包套管内，并采用焊接的方式将Cu包套管密封，再将所述密封的Cu包套管在4000kN~6000kN的压力下进行等静压加工，然后预加热到100℃~500℃，并在4000kN~40,000kN的推力作用下，以每分钟0.5m~5.0m速率进行热挤出加工，获得二次组装复合棒材；

拉伸加工：将所述二次组装复合棒材以每道次10%~20%变形率和每分钟1~10米的速率进行多道次的拉拔加工，获得直径为0.60~2.0mm的线材；

热处理：将所述线材放入真空热处理炉中，以8~20℃/min的加热速率加热到650~1050℃，保温10~100h，然后自然冷却到室温，即获得具有Cu包套的极细芯丝Nb₃Al超导线材。