聚变能作为国家战略能源需求,是解决未来能源短缺问题的有效途径,磁约束托卡马克是最有希望实现聚变能可控利用的装置之一。中国聚变工程试验堆（CFETR）项目是在消化吸收国际热核聚变实验堆（ITER）技术基础上,由我国自主提出的致力于率先实现聚变能可控利用的大科学工程项目。聚变功率正比于磁场强度的四次方,磁场强度直接决定高温等离子体的约束性能和稳定运行性能,因此磁体系统是托卡马克装置的关键系统之一。为保证CFETR超导磁体顺利研制,在“国家磁约束发展专项”及“十三五”国家重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）”等项目的支持下,率先启动CFETR中心螺线管模型线圈（CSMC）及环向场线圈（TF）的研制工作。面向CFETR强磁场、大尺寸、大电流超导线圈的应用需求,研制以Nb3Sn超导材料为主的高场超导磁体线圈,是未来CFETR发展的关键核心部件之一。大型Nb3Sn超导线圈的研制一般采用“先绕制成型、后反应成相”的技术路线。热处理是Nb3Sn线圈发生固态扩散反应,生成超导相的重要工艺环节,热处理质量直接决定磁体的超导性能。国内首个聚变用大型Nb3Sn超导线圈热处理研究过程中,面临大型磁体热处理装备缺失,热处理经验匮乏两大问题,即需要解决热处理装备研制、时效工艺研究和热处理全过程安全可靠运行等关键技术难题。本论文以聚变堆用大型Nb3Sn CICC超导线圈热处理需求为牵引,针对热处理过程中的时效机制、材料物性、热-流场分布、系统研制、工艺可靠性等关键科学问题与工程技术难点,进行理论分析与实验研究。摒弃了造价昂贵的真空热处理方案,发展了全氩气保护的大型超导磁体热处理新技术,最终攻克大型Nb3Sn超导线圈热处理的系统性关键技术瓶颈。首先,基于Nb3Sn热处理成相机制及国内外磁体热处理经验提出了适用于大型Nb3Sn CICC超导线圈的热处理制度。开展了磁体单元及各组分在高温环境下的导热系数和比热容的实际表征。深入解析了多尺度变形条件及敏化热处理协同作用下的铠甲结构材料力学行为演变机理。建立了真实工况导体材料热、力物性参数数据库,为后续理论传热分析与实验提供了参考。其次,以传热学为理论基础建立了适用于多饼、多匝CICC线圈热处理导热、对流和辐射基本模型,揭示了磁体大尺度空间内流固耦合传热本构关系。提出了线圈热处理二维传热精细模型并对其施加真实工况的材料热物性参数,验证了超导线圈电缆区截面芯部的热处理温度均匀性。基于有限元模拟与仿真,研究了加热炉温度波动对线圈表面温度的热响应问题,针对热敏感部件提出了防护措施。此外,对时效工况下的CICC管内流阻特性进行理论分析和实验研究,构建了高温下CICC管内保护气氛压降数值计算方法,实验揭示了线圈管内杂质气体置换的基本规律,为后续热处理系统研制和气氛工艺控制提供了经验。根据大型线圈的几何结构特征和热处理技术要求,成功研制了大型线圈保护气氛热处理系统。设计了以循环风机配合专用导流装置的炉内热风大循环结构,结合炉温均匀调控技术,实现了炉内温度均匀性优于±5℃的技术要求,成功避免了炉内温度耗散不均的风险。构造了大尺度炉内气体置换修正因子的气体置换本构方程,炉内杂质气体的有效置换,确保了热处理后磁体内外材料的良好状态。基于危险与可操作性（HAZOP）方法对热处理工艺进行了可靠性研究,分析表明热处理中断处于故障链条的顶层。针对热处理薄弱环节进行了故障模拟与应急防护,通过系统冗余设计及报警联锁装置增强了系统可靠度。同时,模拟了 8种热处理极端故障失效场景,对热处理极端故障态下的Nb3Sn股线性能进行了实验研究,提出了“中断回温”的热处理极端故障处理方法,有效避免了极端故障态下超导线圈性能衰退风险,从本质上提高了线圈热处理技术的可靠度。最后,经系统安装调试、实验线圈热处理,逐步发展一套由前期准备,至升温热处理,再到评估与分析的大型Nb3Sn CICC超导线圈普适的热处理程序规范。最终完成了 CFETRCSMC线圈热处理,分析和评估了超导线圈热处理各项参数,测试结果均满足热处理技术要求,充分验证了装备与工艺的可靠性。热处理关键技术的突破,为未来大型超导磁体热处理系统研制及工艺研究奠定了基础。