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某核聚变项目真空室关键制造工艺研究

摘要：本文主要介绍了某核聚变项目真空室的关键制造工艺。主要从主体材料研发、制造、核心部件装配等方面阐述了真空室关键制造工艺过程。关键制造工艺的成功实施，保证了真空室的加工及装配精度，其关键尺寸及公差符合图纸要求。

关键词：核聚变；真空室；关键；制造工艺；

1背景

人造太阳一直是人类追求的梦想，它可以带来无限的清洁能源，并且可以解决人类面临的能源危机问题。而聚变反应堆作为实现人造太阳的关键技术之一，近年来得到了越来越多的关注和研究。聚变堆是核能发展的终极目标。

目前，聚变反应堆的发展还处于研究和实验阶段，尚未正式实现商业化应用。然而，聚变反应堆的发展近年来取得了一些重要的进展。例如，ITER和CFETR项目，它们的建设和研究工作正在进行中。

相比ITER和CFETR项目，小型聚变科研装置尺寸相对较小，投资少，周期短，见效快，在资本的推动下，诞生了一大批聚变科技公司，对小型聚变科研装置也产生了极大需求，聚变反应堆需要高温、高压的环境，对聚变反应堆的材料和设备提出了极高的要求。同时，这些小型聚变科研装置采用的都是磁约束技术路线，都是托卡克马克装置，它们的材料、结构形式等均具备相似特点，攻克其制造难题非常有助于聚变行业的发展。

该项目真空室为聚变装置系统的核心部件，具有为高温等离子体提供超真空环境、为内部件提供支撑、提供核辐射的第一道屏蔽等功能。其关键制造工艺的攻克，将大大缩短聚变主设备的制造周期，从而加速推进聚变行业的发展。

2真空室主要设计要求

真空室设计参照GB/T150-2011《压力容器》、GB/T6071-2003《超高真空法兰》、GB/T36176-2018《真空技术氮质谱真空检漏方法》、NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》、NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》、NB/T47013-2015《承压设备无损检测》等标准制造。泄漏率要求如下：单条焊缝的漏率应不大于1x10-9Pa·m3/s，本体真空度1x10-2~1x10-3Pa（动态定容法）整体泄漏率≤1x10-9Pa·m3/s。设计压力-0.1MPa；内壁表面粗糙度Ra（μm）0.63；窗口（80个）窗口为金属密封；相对磁导率1.05（焊接处1.1），材料：Inconel625（中心管）+31603。

3真空室结构介绍

真空室为多孔薄壁容器结构，其主要材料为镍基Inconel625（中心管组件）和31603低磁材料，其材料磁导率不大于1.05，总高约3885mm，外径φ3450mm，壁厚20mm，主要由顶盖、筒体、底盖、支座、中心管组件组成，总重约19吨。

图1真空室结构图

4真空室原材料选择及磁导率控制

4.1原材料选择

真空室本体选用SA31603不锈钢，对应国内标准GB/T24511-2017S31603《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》，该类型奥氏体不锈钢具有磁导率低，高温下机械性能良好及放气率低的特点，普遍被聚变试验装置所采用。

为了增大真空室电阻，同时保证真空室内侧最小壁厚和结构强度，真空室中心管采用Inconel625，为保证结构的整体强度，中心管的直段部分采用镍基锻件加工而成。

4.2材料磁导率控制

市场上常规标准的板材经调研，大部分板材磁导率在1.3左右，磁导率远大于1.05，且不均匀，也不稳定。鉴于此，需定制专用低磁材料。通过多次试验，采用以下方法控制材料磁导率，达到了良好效果并极大节约了成本和周期。

通过控制原材料，调整化学成分，减少δ－铁素体及马氏体含量达到了降低磁导率的要求，具体工艺如下：

（1）化学成分控制?

Ni元素的含量对获得稳定的奥氏体组织非常关键，因此增加Ni元素的含量1.5%左右，另外通过控N方式使磁导率进一步降低。

（2）增加材料预备处理序?

为获得更好的金相组织，先用自由锻对钢锭进行开坯处理，以使组织均匀化。?

（3）严格管理程序?

因为客户用途的特殊性，从原材料进厂到后序加工的每一个步骤都必须有严格的磁导率监测记录，且每一道工序处理前后都要有对比的磁导率记录，以方便掌握磁导率的变化情况，并有的放矢的优化工艺，另外聚变用奥氏体不锈钢应有专用的放置场地，避免放置在碳钢或强磁性环境中。?

（4）优化固溶处理工艺?

采用适当提高固溶温度处理磁导率稍微偏高的工件，并延长相应的保温时间。

（5）出厂前的贴膜处理

油磨处理会导致磁导率提高，但采用抛磨处理的方式进行贴膜处理可控制磁导率。

生产工艺路线如下：冶炼—开坯—打磨—锯切—精轧—固溶—校平—酸洗切边—油膜贴膜。

完工后实测磁导率均可控制在在1.02左右，满足设计考核要求。

5真空室制造关键技术

5.1磁导率控制

磁导率贯穿项目制造始终，严格控制过程中的磁导率对设备最后的整体磁导率有