使东方超环上爆发超强磁场的神秘材料

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EAST托卡马克装置是我国自行设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置,其实它的原名是“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置”。后来为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义,在年10月正式将其名字改为改为EAST。它由四个单词的首字母拼写组成。

实验“Experimental”先进“Advanced”超导“Superconducting”托卡马克“Tokamak”

连起来就是“先进实验超导托卡马克”,同时因为EAST具有“东方”的含意。所以我们又称其为“东方超环”。

我们可以看到上面其中的一个关键字就是超导。在EAST里面有纵场线圈和极向场线圈,组成这些线圈的都是超导材料。今天我们就来聊聊这个超导材料。

超导纵场线圈

超导极向场线圈

超导材料的特性

顾名思义超导材料就是一种超级导体。荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯在年意外发现当温度降低到足够低时,有些材料的电阻变为零。年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的完全抗磁性,也称迈纳斯效应。这就是超导体的两大主要特性。

汞在4.2K电阻完全消失

迈纳斯效应导致的磁悬浮现象

超导材料的特殊性质使得超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。比如超导列车和超导船;还可制造无磨损轴承,将轴承转速提高到每分钟10万转以上;如果用来输电,可以最大限度地降低损耗。

有些遗憾的是室温超导还没有实现;是不是还存在其他体系的高温超导体等等。都等待着我们继续探索。

EAST上用的超导材料

回到EAST,有没有人觉得托卡马克装置看上去有点像一个大甜甜圈,依靠周围的线圈所产生的超强磁场把高能离子约束在环形圈中。磁场的大小与核聚变能量呈四次方的比例增长,意味着磁场强度提高2倍,核聚变能量将能提高16倍。要达到这么高的磁场强度,普通材料显然是不行的,只能使用超导材料。所以,超导材料在托卡马克装置中扮演了重要角色。

现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。在这些超导材料中,铌钛超导合金是用得最多的一种超导电材料。EAST上用的超导材料就是铌钛合金(NbTi)。

铌钛合金是指是由金属铌和金属钛所组成的合金,虽然它可以算是超导材料界的元老了,但目前依旧是一种重要的合金型超导材料。它的超导转变温度为8~10K,可在液氦温度下运行。而且铌钛合金超导材料具有优良的加工特性,良好低温超导性能,相对低廉的成本以及长期的应用开发经验,堪称是当今世界上最重要的实用超导电材料。很多大型回旋高能加速器和医疗部门广为使用的磁核共振成像诊断仪使用的都是铌钛合金超导材料。

实用Nb-Ti超导材料大多是简单二元合金,含35%~55%Nb,也可添加部分钽和锆来改善超导性能。由于超导稳定性原因,Nb-Ti超导材料常用纯铜、纯铝或铜镍合金作为基体材料,嵌镶入多股Nb-Ti细芯组合成复合多芯超导材料。一根超导线可包含有数十股至上万股的Nb-Ti芯,芯径最小达到1μm。另外,根据使用场合不同,还常常要把多芯线进行扭转和换位,达到降低损耗和增加电磁稳定性效果。

虽然80年代中期科学家发现了能在液氮温度(77K)下运行的铜氧化合物高温超导体;21世纪初始科学家们又发现了铁基超导材料,都一定程度上引发的超导材料的研究热潮。铌钛合金(NbTi)依旧是目前应用最为广泛的超导材料。希望在科学家们的不断努力下,能够发现更多更方便使用的超导材料。




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