2013年11月15日08:31
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在1億度以上的超高溫下，等離子相互碰撞后會發(fā)生核聚變反應(yīng)，從而產(chǎn)生巨大的能量。這就是理想的新一代能源——核聚變的發(fā)生原理。那么，實(shí)現(xiàn)這一反應(yīng)的核聚變設(shè)備是在什么樣的車間生產(chǎn)出來的呢？筆者此前一直憑空想象，那是個(gè)大量使用最尖端機(jī)器人的近未來生產(chǎn)現(xiàn)場。
10月10日，三菱重工業(yè)公司向媒體公開了神戶造船廠的二見工廠。這里正在生產(chǎn)用于全球主要國家參與的國際項(xiàng)目——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的核心部件。其生產(chǎn)現(xiàn)場的確全是高科技。不過，即使是高科技，也比較貼近“工匠的技藝”和“創(chuàng)造性努力”。
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| 可將巨大線圈像“九連環(huán)”一樣組裝起來的巨大裝置。 |
二見工廠生產(chǎn)的是名為“環(huán)向場線圈”的部件。雖說是部件，但其體積十分龐大，長14米，寬9米，采用形似字母“D”的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在不銹鋼制容器的內(nèi)側(cè)，嵌入了多根用于產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的導(dǎo)線。
國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆將等離子密封在環(huán)狀真空容器中。排列設(shè)置18個(gè)這種巨大的環(huán)狀部件，在其內(nèi)側(cè)形成強(qiáng)大的磁場，以控制容器內(nèi)的等離子。
精度要求比反應(yīng)堆還高
雖說結(jié)構(gòu)物體積龐大，但由于是在苛刻的環(huán)境下使用，因此不允許有半點(diǎn)誤差。二見工廠此前主要生產(chǎn)反應(yīng)堆的壓力容器等。但核聚變推進(jìn)室室長井上雅彥稱，用于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目的設(shè)備“精度要求比反應(yīng)堆還要高很多”。
工廠的一角設(shè)置了一個(gè)白色的巨大裝置。這也是為了實(shí)現(xiàn)高精度而開發(fā)的設(shè)備。在繞成字母D形狀的導(dǎo)線上，組合使用同樣焊接成字母D形狀的不銹鋼強(qiáng)化材料“輻板”（radial plate）。三菱電機(jī)公司負(fù)責(zé)線圈部分的工程師稱，整個(gè)工序就像一個(gè)“九連環(huán)”。
雖說是導(dǎo)線，但每一根都很粗。將水平排列 4根導(dǎo)線做成的D字形線圈上下重疊堆放，在其中插入輻板。
說起來簡單，但實(shí)際上所要求的精度水平非常高。插入輻板時(shí)，需要加大上下線圈導(dǎo)線的間隔。但線圈的應(yīng)變必須控制在0.1％以內(nèi)。需要在這個(gè)極度有限的范圍內(nèi)加大間隔，使輻板在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)與線圈組合在一起。
線圈周長約為30米。由于體積龐大而且非常重，根本無法進(jìn)行人工作業(yè)。因此開發(fā)出了可自動(dòng)完成上述向九連環(huán)一樣工序的專用裝置。
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| 三菱電機(jī)的技術(shù)人員在介紹線圈中插入輻板的工序。 |
充分利用日本制造業(yè)的優(yōu)勢
“九連環(huán)”是整個(gè)生產(chǎn)工序的一部分。此外也都是一些特殊的高難度工序。比如，線圈容器與輻板的焊接。巨大的不銹鋼構(gòu)造很難一體成型。需要首先對多個(gè)單件進(jìn)行加工，然后將這些單件焊接連在一起。
此道工序也在精度方面存在課題。通常情況下進(jìn)行焊接，在焊接部分，材料無論怎樣都會出現(xiàn)應(yīng)變。焊接的零部件越厚，焊接所需時(shí)間越長，因此這一趨勢會更為明顯。對象物體越大，應(yīng)變產(chǎn)生的誤差就會越大。
但在輻板上，相對于設(shè)計(jì)圖紙，平面上的誤差必須控制在1毫米以內(nèi)。這是因?yàn)�，如果不這樣，就無法與其他零部件組合，或者會影響到對強(qiáng)大電磁場的耐久性能。
三菱重工開發(fā)出了一種特殊激光焊接技術(shù)，解決了這一問題。此前，該公司為了制造反應(yīng)堆等，積累了激光焊接技術(shù)。此次針對國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆對其進(jìn)行了改良，提高了輸出功率。
核聚變研究自正式開始以來，至今已經(jīng)過去50多年時(shí)間。雖然在原理方面已經(jīng)達(dá)到一定水平，但如何制作承受巨大負(fù)荷并具有極高精度的巨大結(jié)構(gòu)物成為亟需解決的課題。
由于國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆是由各國政府投入巨額資金實(shí)施的計(jì)劃，因此也有很多人批評稱這是個(gè)“無底洞”。但可以肯定的是，這個(gè)計(jì)劃讓擅長創(chuàng)造性努力及高精度加工技術(shù)的日本制造業(yè)有了大顯身手之地。（作者：熊野信一郎，日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）
