超导材料在大型装置中的应用  (aPPlication of superconductor in  large-scale devices)  

和常规磁体相比，超导磁体既节能又适于在大空间产生较高的磁场，因此在高能物理、受控热核聚变、磁流体发电与推进、磁浮列车、超导电机和超导储能中，各种大型超导磁体已得到愈来愈多的应用。

高能物理研究用的大型超导装置在高能物理研究中要用磁场来加速、聚焦、控制和分析带电粒子束，以便研究物质的基本结构，大型超导磁体是加速器和探测器必不可少的装置。

超导加速器方面已建成并投入运行的有美国费米实验室(FNL)的800GeV的Tevatron装置和德国电子同步加速器中心的HERA装置；正在建造的有前苏联谢尔普霍夫高能研究所的3TeV的uNK装置和美国的2×20TeV的SSC装置；正在设计并准备建造的有欧洲核研究中心(CERN)的8．5TeV的LHC装置。大型超导加速器的规模非常庞大。例如，电子质子对撞机HERA装置由一个30GeV的电子环和一个820GeV的质子环组成，其中质子环装备着422个超导二极磁体，224个超导四极磁体和416个超导四/六极校正磁体。超导二极磁体的磁长8.9m，中心场4.68T；超导四极磁体的磁长1．9m，中心场梯度90T/m；四/六极校正磁体的长度为6m。HERA工程用6年多时间建成，投资达3亿马克。

探测器方面早期的泡室超导磁体已被间接迫流冷却的大口径薄壁螺管超导磁体所取代，并且已经采用绕组的内绕技术。目前，世界上有12个大型探测器，所用的超导磁体口径为1．6到5．5m，储能20到140MJ，中心场一般为1．5T，最大达3T。美国FNL的CDF探测器是80年代最大的装置，其超导线圈的内外径为3m和3．4m，长度为5m，中心场1．5T，储能30MJ。日本的国立高能物理实验室(KEK)的TOPAz探测器用的超导磁体是世界上首先采用内绕技术绕制的，其线圈内外径为2．86及3．22m，线圈长度5．1m，储能19．5MJ。CERN的ALEPH探测器是目前世界上储能最大的装置(137MJ)，其超导磁体的内外径为5．52及5．98m，总长7m，中心场为1．5T。

受控热核聚变用的大型超导装置  用磁场约束极热的氘一氚等离子体是实现受控热核聚变最有希望的途径。因为使用常规磁体时，其功率消耗可能超过电力输出，所以任何形式的反应堆不得不用超导磁体。

超导托卡马克装置是最有希望实现受控热核聚变的一种装置。目前世界上有前苏联原子能研究所的T一7和T一15，日本九州大学的TRIAM一1M和法国卡达拉切核中心的Tore—Supra四个装置。其中，T一15采用4．5K迫流冷却的Nb。sn磁体，线圈平均直径2．59m，最强场9．1T，最大储能760MJ。Tore—supra装置采用NbTi磁体，在1．8K超流氦下运行，线圈平均直径2．6m，最强场9T，储能为600MJ。

环形超导磁体装置是未来托卡马克反应堆的核心部件。为了使研制的磁体能可靠地放大到反应堆尺寸，使超导技术成功地由实验室向工厂转移，80年代中期建成了国际合作的称为“大线圈计划”的环形超导磁体装置。该装置由6个D形线圈组成，美国研制3个，西欧、日本和瑞士各造1个，线圈中孔尺寸为2．5m×3．5m，环的最强场达9T。

反应堆级的托卡马克环形磁体的最强场将达12T，为进行有关的研制发展工作，美国利弗摩尔实验室和瑞士核研究所先后建成并运行12T、口径0．4m的强场试验装置FENIX和SuLTAN。在未来反应堆的极向场系统中要用超导磁体系统，日本、德国和美国都在研制有关的实验室大型超导磁体装置，进行这方面的研究。

磁镜曾是与托卡马克相竞争的一种聚变途径，80年代中期美国利弗摩尔实验室建成大型超导MFTF—B装置。

超导螺旋装置是受控热核聚变研究的另一途径。80年代后期日本大力进行该研究，名古屋的国立聚变科学研究所已成功建成一个小模型线圈KY一0T0一SC，已于1995年建成大型螺旋装置(LHD)，其超导线圈大半径为4m，小半径为O．96m，最强场8T，储能200MJ。

磁流体发电与推进用的大型超导装置  磁流体发电与推进的实际应用必须采用超导磁体来产生很强的横向磁场。70年代，日本电气综合研究所制成最强场6．8T、储能60MJ的大型跑道形MARK—V超导磁体，美国阿贡实验室(ANL)建成温孔O．4～O．6m、磁长2m、中心场5T的U一25鞍形超导磁体。80年代初，前苏联把U一25磁体用于自己的U一25装氍的旁路中，发出2Mw的电功率。1983年美国ANL建成UTsI鞍形磁体，其温孔O．8～1m、磁长3．5m、中心场6T、储能168MJ。1992年，中国科学院电工研究所建成温孔O．42m、磁长0．85m、中心场4T、储能8MJ的LSM鞍形超导磁体。前苏联高温研究所为其u一500装置设计了温孔3．5～4m、有效长25m的巨型鞍形超导磁体。1985年，日本东京工业大学在FUJI一1装置上装备了分离螺管大型超导磁体，磁体的内外径为O．5m和1．27m、室温间距O．2m、中心场4．7T、储能8MJ，进行盘式磁流体发电机的研究。

磁流体推进方面，美国ANL用UTsI磁体进行实验研究；日本神户商船大学用72个超导鞍形线圈成功地建成中心场4T的太和一号超导实验船，船长30m，船速8节/h。

磁浮列车用大型超导装置  日本积极开展具有高速、无噪声、安全和便宜等优点的超导磁浮列车研制工作，车并进行载人试验，最高速度达550km/h。

大型超导装置还有超导电机及电力系统调峰用的超导储能装置。