“人造太陽”關(guān)鍵核心材料實現(xiàn)了國產(chǎn)化制備，而且這種材料強(qiáng)大到可以在指甲蓋大小的面積上承受 19 噸的重量。這一材料便是由中國科學(xué)院金屬研究所（下稱“金屬所”）研究員戎利建和團(tuán)隊制備的高純凈噸級 C276 合金。

圖 | 光潔如鏡的高純凈噸級 C276 合金（來源：資料圖）

金屬所方面公開表示：“這標(biāo)志著我國在高溫超導(dǎo)帶材關(guān)鍵材料國產(chǎn)化制備上實現(xiàn)了重要突破，將為第二代高溫超導(dǎo)材料的全國產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供重要保障?！?/p>

據(jù)了解，戎利建自上世紀(jì)末便開始在金屬所工作，自那時起一直研究各種合金。在此次高純凈噸級 C276 合金的制備中，他和團(tuán)隊突破了合金的鍛造、軋制、熱處理、相析出調(diào)控、光亮表面質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)，攻克了長期以來制約國產(chǎn)化基帶應(yīng)用的技術(shù)難題，實現(xiàn)了長度達(dá)到 2000m、厚度在 0.046mm（約為頭發(fā)絲直徑一半）、寬度達(dá)到 12mm 的第二代高溫超導(dǎo)帶材（REBCO，Rare-Earth Barium Copper Oxide）的 C276 合金基帶的批量化制備，基帶表面的粗糙度小于 20nm，在液氮溫度下抗拉強(qiáng)度大于 1900MPa，在 900℃下加熱 5 分鐘后室溫抗拉強(qiáng)度大于 1200MPa，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。

與此同時，C276 合金中的雜質(zhì)元素含量能夠滿足較高應(yīng)用要求，在純凈度上的各項指標(biāo)均已達(dá)到進(jìn)口材料水平，個別指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口材料。這種高純凈的材料，能夠確保合金擁有優(yōu)異的冷熱加工性能和基帶的表面質(zhì)量，故能用于被譽(yù)為“人造太陽”的可控核聚變裝置，讓這一成果突破了可控核聚變的第二代高溫超導(dǎo)帶材技術(shù)瓶頸，為制備第二代高溫超導(dǎo)帶材提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的自主保障。

（來源：資料圖）

已在上海超導(dǎo)和上創(chuàng)超導(dǎo)開展驗證，并在東部超導(dǎo)完成規(guī)模化制備

據(jù)金屬所官方消息，此次由戎利建團(tuán)隊批量化制備的 C276 基帶已在上海超導(dǎo)和上創(chuàng)超導(dǎo)開展驗證工作，并在東部超導(dǎo)完成了將近千米高溫超導(dǎo)帶材的規(guī)模化制備。

通過采用千米級的基帶，東部超導(dǎo)已經(jīng)制備出 845m 長的多股化系列超導(dǎo)帶材。在液氮溫度（77K/-196°C）之下，以及沒有施加任何外部磁場的前提下，假如僅考慮通電時自身產(chǎn)生的磁場，這根超導(dǎo)帶材能夠穩(wěn)定承載的平均最大電流為 594A，在多次測量超導(dǎo)帶材的臨界電流之后，所有單個測量值相對于 594A 的平均值的波動大小和離散程度，其標(biāo)準(zhǔn)差被控制在 9.8A 以內(nèi)。

在 4.2K 液氦溫度和垂直于其表面的、強(qiáng)度為 10 萬高斯的極端惡劣磁場環(huán)境下，這一超導(dǎo)帶材表現(xiàn)出世界頂尖的性能：不僅擁有極強(qiáng)的載流能力——每 4 毫米寬度可以承載高達(dá) 1058.78A 的大電流；也擁有極高的品質(zhì)——其超導(dǎo)-正常態(tài)的轉(zhuǎn)變非常銳利（N 值=75.6），這表明這一超導(dǎo)帶材有著極佳的均勻性，在運(yùn)行上非常穩(wěn)定和可靠，性能甚至能夠媲美采用進(jìn)口基帶批量化制備的第二代高溫超導(dǎo)帶材超導(dǎo)材料的臨界電流水平。

目前，戎利建團(tuán)隊所制備的第二代高溫超導(dǎo)帶材超導(dǎo)材料也已被用于聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)的相關(guān)項目中。與此同時，該團(tuán)隊所在的金屬所已經(jīng)和東部超導(dǎo)達(dá)成20 噸 C276 基帶供貨的框架合作協(xié)議，通過進(jìn)一步地優(yōu)化制備工藝，將能推動國產(chǎn)化基帶的規(guī)?；瘧?yīng)用。

（來源：資料圖）

逐步擺脫合金進(jìn)口依賴，或于 2030 年首次演示聚變能發(fā)電

可控核聚變，是探索未來清潔能源的重要方向，也是中國的國家重點發(fā)展領(lǐng)域之一。第二代高溫超導(dǎo)帶材，是可控核聚變中超級磁體中的核心材料，如果沒有它就很難造出能夠約束上億攝氏度等離子體的強(qiáng)大磁場。

對于金屬基帶來說，它是緩沖層和超導(dǎo)層生長的襯底，緩沖層和超導(dǎo)層需要一層一層地生長在這一基帶上，也就是說金屬基帶能為超導(dǎo)帶材提供必要的機(jī)械強(qiáng)度和變形能力，因此是整個超導(dǎo)結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定成型的基礎(chǔ)。

第二代高溫超導(dǎo)帶材所使用的金屬基帶，目前主要采取哈氏合金（C276）。C276，是美國哈氏合金公司為生產(chǎn)這種特定鎳基合金所注冊的商業(yè)牌號。哈氏合金公司將其耐腐蝕合金分為幾個系列，其中“C”系列是專門為抵抗強(qiáng)氧化性和中等還原性腐蝕而設(shè)計的鎳-鉻-鉬合金。這個系列的合金以其出色的抗點蝕、抗縫隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕開裂能力而著稱?！?76”則是一個序列號，用于區(qū)分哈氏合金公司“C”系列中擁有不同化學(xué)成分和性能的具體合金。

C276 是上述家族中一個極其著名和已得到廣泛應(yīng)用的具體型號，它特指一種含有大約 57% 鎳、16% 鉻、16% 鉬、4% 鎢和少量鐵等元素的合金，它的主要特點包括具有出色的耐腐蝕性、良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕開裂能力，這讓其能夠抵抗多種化學(xué)介質(zhì)，包括濕氯氣、次氯酸鹽、二氧化碳、硫酸、鹽酸和磷酸等。

資料顯示，中國在過去相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，在哈氏合金的使用上存在進(jìn)口依賴的現(xiàn)狀，特別是在一些高性能的牌號和高端應(yīng)用領(lǐng)域。盡管近年來國內(nèi)已有廠家生產(chǎn)這種金屬基帶，然而基于進(jìn)口冷軋卷材進(jìn)行后續(xù)加工，不僅價格昂貴，而且供貨時間難以得到保證。由于之前依賴進(jìn)口，也讓哈氏合金的采購價格受到國外供應(yīng)商的主導(dǎo)。此前在國際貿(mào)易政策的影響下，曾導(dǎo)致中國從美國進(jìn)口的哈氏合金的成本進(jìn)一步上升，而這部分成本最終會轉(zhuǎn)嫁到國內(nèi)下游企業(yè)上。

前面提到，戎利建團(tuán)隊此次制備的高純凈噸級 C276 合金能被用于“人造太陽”?！叭嗽焯枴笔且粋€廣義概念。在中國合肥，由中國科學(xué)院等離子體物理研究所打造的“人造太陽”家族中包含多個大科學(xué)裝置。全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak）是一位“老大哥”，它已經(jīng)運(yùn)行多年并曾多次創(chuàng)造世界紀(jì)錄。而緊湊型聚變能實驗裝置（BEST，Burning Experimental Superconducting Tokamak）則是“人造太陽”家族的最新成員，也是當(dāng)前最受矚目的新一代裝置，其使命是在 2027 年建設(shè)工程，并計劃于 2030 年首次在世界上演示聚變能發(fā)現(xiàn)。而此次金屬所團(tuán)隊的成果，在一定程度上緩解了“人造太陽”在材料使用上的進(jìn)口依賴局面，將為“人造太陽”的發(fā)展帶來助力。

參考資料：

戎利建個人主頁http://www.imr.cas.cn/sourcedb/zw/rck/yjy_imr/201804/t20180402_4988725.html

https://www.xinhuanet.com/20251028/338a64f23148484fb1f84023c495e97b/c.html

https://mp.weixin.qq.com/s/U72K_Qr2heRJ9wjnGmND8g

https://mp.weixin.qq.com/s/DlgYWdTljIOOFK0mSt5qEA