“人造太阳”核心部件是如何制造的?

36氪四川的朋友们 · 2019-07-12
中 国 环 流 器 二 号 M 装 置(HL-2M),其等离子体参数将大幅度提高到近堆芯水平,等离子温度将超过2亿摄氏度,有望将中国的聚变堆技术提升到新的高度。

编者按:本文来自《四川日报》,记者:雷倢,36氪经授权转发。

近日,东方电气集团东方电机有限公司(下称“东方电机”)为中国新一代核聚变实验装置中国环流器二号M(HL-2M)装置制造的主机磁体线圈中心柱在成都成功交付,正式启动中国自主研制的新一代“人造太阳”总体安装,标志着中国人朝着实现聚变清洁能源的梦想又前进一步。

“接下来,我们要做的就是去成都配合安装装置的外围部套。”东方电机项目经理李友伟说。

“2012年,东方电机拿下主机磁体线圈的制造项目,从最初的图纸转换到结构优化,从工艺试验研制到多条线的批量生产,一路磕磕碰碰,也走了不少弯路。”李友伟坦言。

这台“德阳造”是如何从无到有,它又有哪些特别之处?记者走进东方电机进行探访。

“人造太阳”核心部件是如何制造的?

提供磁场让“人造太阳”释放能量

受控核聚变就好比按照太阳释放能量的方式,在地球上人造“太阳”。“可控核聚变电站的核聚变反应堆不会产生污染环境的硫、氮氧化物,更不会释放温室效应气体,只要停电,核聚变反应堆就会自动停运。可以说它是一种无污染,无核废料,资源近乎无限的理想能源。”李友伟说,同时,核聚变电站不用建在沿海,降低了受地域和资源的限制影响。

李友伟介绍,核聚变装置是一种叫托卡马克(Tokamak)的环形装置,通过约束电磁波驱动,创造氘、氚实现聚变的环境和超高温,并实现人类对聚变反应的控制。目前,托卡马克装置对聚变等离子体控制时间还不够长,不足以维持聚变的自持反应。要实现商业运行的能力,还需要装置实验运行的真正成功。

中核集团核工业西南物理研究院预计今年将建成我国新托卡马克装置—— 中 国 环 流 器 二 号 M 装 置(HL-2M),其等离子体参数将大幅度提高到近堆芯水平,等离子温度将超过2亿摄氏度,有望将中国的聚变堆技术提升到新的高度。

中国环流器二号M装置要运行,首先要由主机磁体线圈系统在真空室内产生环向磁场,然后在超高真空室内环境中,注入中性气体氘、氚,紧接着中性气体被由线圈系统的欧姆线圈感应产生的环向电场击穿形成等离子体,在环向电场的驱动下,等离子体环向运动形成高达数兆安培的环向等离子体电流。

东方电机便承担了其核心部件主机磁体线圈的制造。李友伟介绍:“主机磁体线圈是为装置提供磁场,没有磁场的话,原子核也没法动起来。”

攻克难题自主创新20项专利

中心柱的研制是整个线圈系统最具挑战性的任务,线圈中心柱由20组环向场线圈中心段组件和中心螺旋管线圈装配而成,总体重量约90吨。该装置规模大、参数高,涉及磁场位形、电磁力、发热与冷却、电气绝缘、结构强度的设计、分析和计算。

李友伟坦言,制造这个环流器二号M装置的主机磁体线圈,是专做发电机设备的东方电机从来没有遇到过的。不仅东方电机没有这样的经验,在全国也是首次。

“线圈系统就是把线圈拼装在一起。”听起来很简单,虽然没有电机的旋转部件,不用考虑动平衡,但其设计和建造涉及磁场位形、电磁力、发热与冷却、电气绝缘、结构强度的设计、分析和计算,以及数控加工、装配制造工艺的研发等方面的内容。

“为了这个线圈系统,我们项目团队进行了28项工艺试验,过程既复杂又曲折。”

而按照最初的设计,线圈结构是5段结构,铜合金材料是采购长5米厚60毫米的银镁铜合金板材,但这种板材导电率、平面度都达不到要求。为此,东方电机改用铬锆铜锻铜材料,将5段结构变为3段,类比国外同类装置,减少了线圈铆焊链接,提高了导电率。

线圈只是李友伟与团队所遇到的困难之一。结构、绝缘材料、工装等都是要攻克的难题。

在加工方面,团队也做了大量工作。从前期高精度五坐标龙门铣单件铜板加工试制到工艺优化、设备资源落实,最终由7台四坐标龙门铣同步加工315件铜板,一人盯着一个机床,整整守了一个月,操作者熟悉后才肯放心。线圈组件的锯齿斜面加工,是在长810毫米宽350毫米的线圈表面内,加工形成840个的小锯齿,整个锯齿面还要加工49个把合孔,这些把合孔位置都要单独编程配加工,1960个孔,意味着检测1960次,数据编程1960次。

在整个研制过程中,东方电机进行了20项关键工艺试验。这就是说,在主机磁体线圈项目的攻关中,东方电机至少拥有了20项专利。

受益的不仅是东方电机,德阳许多民营企业也参与其中。李友伟说:“我们采用的绝缘材料就来自一家德阳民企,线圈的部分机加工也是由广汉一家民企负责。”

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