9月21日,由上海电气核电设备有限公司承担的全球尺寸最大、重量最重、制造难度最大的CRAFT环向场(TF)线圈盒正式发运。该产品的成功交付,标志着我国在超导磁体高端装备制造领域取得突破,多项核心技术达到国际领先水平。
一、CRAFT项目介绍
CRAFT,即聚变堆主机关键系统综合研究设施,基本思路是建设具有国际领先水平的超导磁体研究系统和偏滤器研究系统,为磁约束聚变堆主机关键系统研究提供粒子流、电、磁、热、力等极端实验条件。设施包括主体部分和园区配套部分,其中设施主体由超导磁体研究系统及偏滤器研究系统两部分组成,超导磁体研究系统包括8个子系统,偏滤器研究系统包括11个子系统。
设施建成后,将成为国际磁约束聚变领域参数最高、功能最完备的综合性研究平台,为开展聚变堆核心部件研发和建设提供建设技术基础,可开展聚变堆条件下热与粒子排除关键问题研究、大规模低温和超导技术研究、强流粒子束与基础等离子体研究,可以将建设我国聚变堆的进程大幅提前,同时为高场核磁共振、深空推进探索等提供完备的实验平台和强大的技术支撑。
二、环向场(TF)线圈与TF线圈盒
环向场(TF)线圈是托卡马克中最核心的部件之一。它们是一组巨大的、围绕环形真空室呈环向排列的D形线圈(CRAFT共计有16个)。当强大的电流通过这些线圈时,会产生一个强大的环向磁场。这个磁场的主要作用是约束等离子体,防止高温等离子体与真空室壁接触,从而维持聚变反应的进行。
而环向场线圈盒,简单来说,就是容纳和保护TF线圈超导导体的高强度金属外壳,在整个磁体系统中扮演着至关重要的角色:
承受并传递电磁载荷:线圈在通电后会产生巨大的向心压和相互排斥力,线圈盒作为刚性机械骨架,将这些电磁力(可达数千吨)安全地传递到托卡马克的整体支撑结构,防止线圈变形或失效。
保护脆弱的超导导体:超导材料(如 Nb₃Sn、NbTi)对机械应力极为敏感。线圈盒为超导缆线提供刚性支撑,限制其在电磁载荷下的微小形变,从而保持超导性能并避免因应变导致的临界电流下降。
冷却通道与热沉功能:线圈盒内部布置有多条冷却通道,冷却水或氦流在其中循环,直接带走导体产生的热量。设计研究表明,增加冷却通道数量可显著降低导体热流,提升整体散热效率。在失超(超导状态被破坏)时,线圈盒的金属质量还能作为热沉,帮助导体快速恢复低温状态。
提供结构接口与支撑其他部件:线圈盒外表面设有法兰、螺栓孔等标准接口,用于安装极向场线圈、真空室支撑结构、辐射屏蔽层等关键部件,确保整体装配的刚性和对准精度。
三、研发突破
上海电气核电设备有限公司在中科院等离子体物理研究所的悉心指导以及核电集团的统筹协调下,与合作伙伴协同攻关,历经5年时间攻克四大制造难题,最终成功研制TF线圈盒:
创造了行业最大深度达380mm的奥氏体不锈钢窄间隙TIG(钨极惰性气体保护焊)焊接新纪录;
突破了316LN极低温材料的激光深熔焊技术;
实现了超大尺寸部件精密加工,轮廓精度控制在0.5mm以内;
完成了30米长空间弯管的精密成形,轮廓度误差小于2mm。
这些技术的成功应用,不仅确保了产品的顺利完工,并在9月12日通过专家验收,更为我国未来聚变工程示范堆(CFEDR)的建设提供了坚实的技术保障和装备支撑。