Яньчао Цзюйнэн завершила VPI сверхпроводящей прототипной катушки со стальной броней для стелларатора

Недавно компания «Яньчао Цзюйнэн (Шанхай) Technology Co., Ltd.» завершила вакуумно-пропиточную пропитку (VPI) трехмерной сверхпроводящей прототипной катушки нестандартной формы со стальной броней для стелларатора следующего поколения. Ранее эта прототипная катушка прошла две ключевые операции: трехмерную прецизионную намотку и обмотку изоляции относительно земли. Завершение данного этапа VPI означает, что компания отладила собственную технологическую цепочку от намотки и формообразования катушки и обмотки изоляции до интегрированного отверждения изоляции.

Стелларатор является важным типом установки в области управляемого термоядерного синтеза, ориентированным на стационарный режим работы, и позволяет снизить риск крупных срывов плазмы. Трехмерная сверхпроводящая катушка нестандартной формы является ключевым компонентом стелларатора для создания магнитного поля, удерживающего плазму. Согласно открытым данным, немецкий стелларатор W7-X использует алюминиевую броню, а японская установка LHD — медную броню. В сравнении с ними высокопрочная нержавеющая стальная броня обладает преимуществами по пределу текучести при криогенных температурах, криогенной вязкости и усталостной прочности; ее предел текучести при криогенных температурах превышает 700 МПа, что способствует повышению несущей способности магнита при высоких электромагнитных нагрузках и долгосрочной стабильности эксплуатации.

Проводник со стальной броней имеет узкое окно пластического формообразования и выраженный эффект упругого последействия. В сочетании с многослойной, многовитковой и сложной пространственной конфигурацией прототипной катушки стелларатора это обусловливает высокую сложность ее изготовления и отверждения изоляции. «Яньчао Цзюйнэн», опираясь на первую в стране специализированную производственную линию для трехмерных сверхпроводящих магнитов нестандартной формы для стеллараторов, введенную в эксплуатацию в начале 2026 года, продолжает продвигать опытно-промышленную верификацию соответствующих технологических процессов.

Рис. 1 Катушка после завершения обмотки изоляции относительно земли (6*12 витков)

Прототипная катушка, для которой на этот раз была завершена верификация VPI, представляет собой трехмерную обмотку нестандартной формы из 6 слоев и 72 витков с непрерывно изменяющейся кривизной и неплоской сложной пространственной конфигурацией. По сравнению с ранее прошедшей верификацию двухблиночной катушкой у данной прототипной катушки заметно увеличилось число витков и слоев, а многослойная укладка обмотки приводит к более выраженному накоплению внутренних напряжений. Стальная броня отличается от традиционной алюминиевой и медной брони по жесткости и коэффициенту криогенного теплового расширения, что дополнительно повышает сложность управления процессом VPI.

Вакуумно-пропиточная пропитка является ключевой операцией в производстве изоляции сверхпроводящих магнитов и обычно включает вакуумную дегазацию и сушку, пропитку смолой под высоким давлением и ступенчатое отверждение с контролем температуры; цель — сформировать интегрированную изоляционную структуру без пузырьков, пустот и трещин. Для крупногабаритных многослойных трехмерных прототипных катушек нестандартной формы в ходе процесса легко возникают такие проблемы, как неравномерное заполнение смолой, отказ адгезии на межслойных границах, а также выход за допуски по точности формы и положения катушки из-за снятия напряжений на стадии отверждения, что может повлиять на ранее достигнутую миллиметровую точность формообразования.

С учетом конструктивных особенностей данной прототипной катушки команда НИОКР «Яньчао Цзюйнэн» провела итерационную оптимизацию схемы VPI, выполнила несколько групп технологических испытаний, скорректировала процедуру дегазации, давление пропитки и ступенчатую кривую отверждения с контролем температуры, решив проблемы слепых зон заполнения смолой внутри обмотки сложной криволинейной формы, межслойного отслоения и остаточных пузырьков.

После завершения VPI команда получила полную трехмерную модель катушки методом трехмерного сканирования и провела проверку путем моделирования сборки с теоретической моделью корпуса катушки. Результаты показали, что после обработки VPI в катушке не возникло заметных деформаций, а общая трехмерная погрешность формы и положения стабильно сохраняется на миллиметровом уровне; пространственных интерференций между катушкой и моделью корпуса катушки нет, что удовлетворяет требованиям по установке в корпус. Результаты контроля также показали, что смола внутри катушки заполнена плотно, в изоляционном слое нет пузырьков, пустот и трещин, граница между проводником в стальной броне и изоляцией соединена плотно; показатели изоляции относительно земли и межслойной изоляции соответствуют требованиям, что позволяет применять изделие в условиях эксплуатации при сочетании сверхнизких температур, сильных магнитных полей и больших электромагнитных напряжений.

«Яньчао Цзюйнэн» заявила, что завершение VPI данной прототипной катушки свидетельствует о том, что компания освоила полный комплект технологий сверхпроводящих магнитов с высокопрочной стальной броней — от проектирования проводника, высокоточной трехмерной формовки сочетанием изгиба и кручения, многоточечной фиксации формы и обмотки изоляции относительно земли до интегрированного отверждения изоляции методом вакуумно-пропиточной пропитки. По соответствующим технологиям уже получен ряд национальных патентов.

На следующем этапе «Яньчао Цзюйнэн» продвинет ключевые операции, включая сборку сверхпроводящих соединений наноомного уровня и установку катушки в корпус, завершит интеграцию прототипной катушки и проведет полномасштабные комплексные испытания сверхпроводящих характеристик в условиях сверхнизких температур и сильных магнитных полей для оценки электромагнитных характеристик катушки, надежности изоляции и несущей способности конструкции. Компания также продолжит совершенствовать технологическую систему сверхпроводящих магнитов со стальной броней и содействовать инженерному применению соответствующих технологий в установках-стеллараторах.