Недавно компания Yanchao Juneng (Shanghai) Technology Co., Ltd. завершила два ключевых этапа изготовления трёхмерной фигурной сверхпроводящей прототипной катушки стелларатора в высокопрочной стальной бронеоболочке — прецизионную трёхмерную намотку и наложение изоляции относительно земли. Общая погрешность пространственной формы катушки стабильно удерживается на уровне миллиметров, что свидетельствует о том, что компания в производстве сверхпроводящих магнитов для стационарных стеллараторов с сильным магнитным полем уже в основном отработала ключевые технологические этапы — подбор материалов, прецизионное трёхмерное формообразование и наложение изоляции.
Стелларатор — важная установка для исследований стационарного управляемого термоядерного синтеза; трёхмерные сверхпроводящие катушки используются для формирования сложного магнитного поля, необходимого для удержания плазмы. В отличие от обычных плоских катушек, катушки стелларатора обычно представляют собой непрерывно изменяющуюся по кривизне непланарную пространственную структуру, что предъявляет высокие требования к точности формообразования проводника, механическим характеристикам и надёжности изоляции.
По имеющимся данным, в ряде зарубежных установок в настоящее время применяются алюминиевые или медные бронеоболочки проводников. Yanchao Juneng в данном случае выбрала высокопрочную стальную бронеоболочку с пределом текучести при криогенных температурах свыше 700 МПа, обладающую хорошей усталостной и ударной прочностью, что повышает несущую способность магнита в условиях сильного магнитного поля, больших токов и значительных электромагнитных нагрузок. Изготовление прототипной катушки выполнено на специализированной производственной линии компании для трёхмерных фигурных сверхпроводящих магнитов стеллараторов.
Прецизионное трёхмерное формообразование — одна из главных сложностей при изготовлении катушек такого типа. Окно пластической деформации нержавеющей стали относительно узкое, а после изгиба и скручивания легко возникают остаточные внутренние напряжения, которые могут приводить к искажению криволинейной поверхности и смещению контура; в процессе укладки нескольких слоёв и витков ошибки формообразования также постепенно накапливаются. За счёт итеративного численного моделирования и технологических испытаний Yanchao Juneng разработала комбинированную технологию изгиба и скручивания, обеспечивающую прогнозирование и компенсацию упругого возврата нержавеющей стали, а также замкнутый контроль натяжения намотки и искажения сечения проводника.
В настоящее время компания завершила намотку и формообразование полного комплекта катушки в стальной бронеоболочке из 72 витков; катушка имеет структуру из 6 слоёв по 12 витков в каждом, общая пространственная погрешность формы удерживается на уровне миллиметров, а геометрические показатели соответствуют требованиям проектирования сложного магнитного поля.
После завершения намотки катушки Yanchao Juneng также выполнила операцию наложения изоляции относительно земли. С учётом возможных деформаций и проблем качества изоляции трёхмерной катушки в процессе изолирования компания применила метод многоточечной фиксации формы при наложении изоляции относительно земли в сочетании с жёсткой цельной рамой и разъёмными профильными фиксирующими приспособлениями. В рамках данной прототипной катушки завершено сплошное многослойное наложение изоляции относительно земли по всей площади; толщина изоляционного слоя равномерна, дефектов расслоения или вздутия не выявлено, а соответствующие показатели удовлетворяют требованиям эксплуатации в условиях сверхнизких температур и сильного магнитного поля.
На следующем этапе Yanchao Juneng планирует провести вакуумно-компрессионную пропитку, сборку сверхпроводящих контактных узлов наноомного уровня и другие последующие технологические операции, а также комплексные испытания сверхпроводящих характеристик в полном диапазоне условий сверхнизких температур и сильного магнитного поля для проверки электромагнитных характеристик обмотки в стальной бронеоболочке и долгосрочной надёжности изоляции.
