¬аше окно в мир —јѕ–
 
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

26 сент€бр€ 2016

“ермо€дерный реактор »“Ё– Ц инженерна€ разработка сложности, рекордной дл€ современного человечества

¬алентин √ибалов, публицист, эксперт по термо€дерной энергетике

»“Ё– √ибалов

ќт редакции isicad.ru: »“Ё– Ч проект международного экспериментального термо€дерного реактора. ITER Ц сокращение от International Thermonuclear Experimental Reactor, ассоциируетс€ с латинским словом iter Ч путь, курс, контурЕ. ƒа, и в английском есть слово с тем же корнем: iterinary Ц маршрут.  стати, английский словарь переводит iter и вовсе как трубчатый проход.

«адача »“Ё– заключаетс€ в демонстрации возможности коммерческого использовани€ термо€дерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретитьс€ на этом пути. ѕроектирование реактора полностью закончено и выбрано место дл€ его строительства Ч исследовательский центр  адараш (Cadarache) на юге ‘ранции, в 60 км от ћарсел€, неподалЄку от французского €дерного научно-исследовательского центра —≈ј. ѕодготовка строительной площадки началась в €нваре 2007 года. —тройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаема€ сумма расходов выросла до 19 миллиардов, и затем срок начала экспериментов сдвинулс€ к 2025 году
Ѕольша€ стать€ об »“Ё– в ¬икипедии


¬алентин √ибалов Ц эксперт в области термо€дерной энергетики. –екомендуем познакомитьс€ с 37-минутным видеоинтервью Ђ“ермо€дерна€ энергетика: пустой миф или тернистый путь в будущее?ї, которое ¬алентин недавно дал порталу ЂЌовый деньї. Ёто интервью, на наш взгл€д, может служить эффективным введением и в проблематику в целом, и конкретно в публикуемую сегодн€ статью.

¬алентин √ибалов ведЄт весьма содержательный и живой блог, который мы рекомендуем нашим читател€. ¬алентин любезно разрешил воспроизвести на isicad.ru один из его недавних постов Ц Ђ»“Ё–: ƒиагностические сборкиї, который характеризует р€д ключевых аспектов »“Ё–. Ќадеемс€, что знакомство с таким весьма сложным инженерным сооружением окажетс€ полезным нашим —јѕ–-читател€м.

—просите себ€, Ђпочему »“Ё– строитс€ так долгої? ≈сли вы честно читали мои заметки по этому проекту, то первое что приходит в голову Ц Ђэто запредельно сложна€ установкаї.
»“Ё–

ќдна из двух дес€тков диагностических сборок реактора »“Ё–, о которых сегодн€ пойдет речь

—ложность инженерных сооружений - трудноизмерима€ субстанци€, в отличии, к примеру, от алгоритмов. »сторически, человечество непрерывно усложн€ло свои сооружени€, машины и системы, и боролась c возрастающей сложностю проектировани€ как путем декомпозиции на более мелкие работы и выполнени€ их параллельно, так и стандартизации полученного опыта. ѕервый подход можно проиллюстрировать, например, вот так: здание проектируетс€ не путем отрисовки готовых кусочков со всеми элементами (структура, электрика, вентил€ци€, фасады, вод€ные коммуникации и т.п.), а параллельно из общей концепции разными людьми. ¬торой подход про€вл€етс€ в использовании стандартных компонентов, проработке готовых алгоритмов и решений (Ђдл€ медного провода проводки используетс€ максимальное значение тока 8-10 ампер/мм2ї -- не надо каждый раз исследовать вопрос, какой ток не вызовет пожара, это уже положено в нормы и правила разработчика). ќднако, декомпозици€ и распараллеливание задач инженерного творчества имеет очевидную обратную сторону - падение отдачи на каждого добавл€емого человека.  оммуникации, поиск ошибок и синхронизации процессов разработки занимают все большую часть потраченных человеко-часов.

ќсобенно плохо приходитс€ там, где декомпозици€ даетс€ непросто, где очень много св€занных проблем, и решени€ по одной т€нут за собой необходимость переделывать другие. Ќа практике такие сложности по€вл€ютс€ там, где в одной точке сходитс€ множество различных дисциплин, которыми занимаютс€ разные специалисты, плохо знающие Ђпол€нуї друг друга. Ќапример, если дл€ разработки чертежей конструкции надо учитывать расчеты по нейтронной физике, тепломеханике и теплогидравлике, электромагнитным усили€м а заодно требовани€ массы инженерных дисциплин - вакуумной техники, надежности €дерных сосудов под давлением, технологичности и собираемости, возможности обслуживани€ роботамиЕ кажетс€ вы понимаете про какую установку € говорю.

—егодн€ мы поговорим про диагностические сборки, иначе называемые еще Ђдиагностические порт плагиї Ц менее грандиозные, чем основные системы »“Ё–, но неверо€тно сложные и прецизионные устройства.

»“Ё–

ѕлан этажа »“Ё–. ¬ центре шахта реактора, вокруг нее - порт-камеры (Port Cells), в которых может быть вставлена система нагрева, испытательна€ бланкетна€ сборка или диагностическа€ сборка

ƒиагностиками в »“Ё– называетс€ оборудование, измер€ющее какие-то параметры плазмы (именно плазмы, датчики, измер€ющие состо€ние машины, называютс€ Ђинструментированиеї). “о есть, фактически это научные приборы реактора. Ќапример это может быть нейтронный монитор, измер€ющий поток нейтронов от плазмы, характеризующий термо€дерную мощность реактора. »ли микроволновый рефлектометр получающий профиль температуры и плотности плазмы поперек плазменного шнура. ¬сего на »“Ё– будет установлено 47 диагностических систем всех мыслимых типов (и больше дес€ти тыс€ч датчиков инструментировани€ только на реакторе).
»“Ё–

ƒиагностические системы в масштабе строени€ »“Ё– (выделены зеленым). ‘изические части приборов собраны в диагностических сборках в портах, а электроника и сервера вынесены в отдельное пристроенное здание

ѕоскольку плазма в токамаках окружена вакуумной камерой и мощной клеткой магнитов, то доступ к плазме возможен только через отверсти€ в этих двух системах. ¬ »“Ё– отверсти€ называютс€ порты и организованы на трех €русах: нижний - диверторный, экваториальный посередине и верхний €рус так и называетс€ верхним. ¬сего портов 44: 9 диверторых, 17 экваториальных и 18 верхних.
»“Ё–

ячейки портов, соединительные патрубки, вакуумна€ камера.  стати, обратите внимание на гармошки на соединительных патрубках - они нужны дл€ компенсации изменени€ размеров реактора при захолаживании и вс€ких движени€х вызванных срывами плазмы

ѕорты имеют разные предназначени€: через некоторые на плазму смотр€т системы нагрева (радиочастотные, например, антенны IRCH), 4 диверторных порта будет зан€то криосорбционными помпами, через некоторые будет осуществл€ть доступ роботов внутрь тора, 3 экваториальных порта будет зан€то экспериментальным сборками размножающего бланкета (тут будет производитьс€ тритий из лити€ и оценка разных инженерных вариантов такого бланкета), наконец 6 экваториальных и 11 верхних портов будут зан€ты диагностиками.
»“Ё–

»“Ё–

–асположение диагностической сборки экваториального порта є1. Ўтука с серыми трубками - радиальна€ нейтронна€ камера, получающа€ нейтронное изображение плазмы низкого разрешени€

ƒл€ каждого диагностического порта изготавливаетс€ вставка порта - длинна€ сборка весом до 150 тонн, котора€ может устанавливатьс€ и сниматьс€ роботизированной системой обслуживани€ »“Ё–. Ёта сборка включает в себ€ до 10 научных инструментов, их и защиту и охлаждение от нейтронной и электромагнитной радиации от плазмы, необходимые коммуникации и т.п.
»“Ё–

ƒиагностическа€ сборка экваториального порта є11, разрабатываема€ в Ќовосибирском »я‘. ƒлина сборки - около 17 метров

»з-за их расположени€ в порт-плагах сход€тс€ противоречивые требовани€ многих дисциплин. ƒавайте дл€ начала их перечислим:

  • ¬ставка порта включает в себ€ переднюю вакуумную часть (называемую порт-плаг) и заднюю атмосферную (называемую вставка порт-камеры), а значит все коммуникации разрываютс€ вакуумно-плотными затворами, окнами и т.п. ѕри этом вакуумна€ часть порт-плага должна удовлетвор€ть крайне жестким услови€м ультравысокого вакуума тора »“Ё–, что означает такие требовани€, как узкий выбор материалов, отсутствие замкнутых полостей (которые могут травить остатками воздуха), например, глухих резьб, необходимость очищать весь вакуумный блок от органических загр€знений перед установкой в реактор.
»“Ё–

ѕоэтому все оптические/микроволновые тракты необходимо провести через такие вакуумно-плотные окна, а электрические разъемы выполнить с промежуточной полостью с охранным вакуумом

  • ¬с€ конструкци€ вставки порта, включающа€ себ€ прецизионные оптические системы ученых должна быть собрана роботами с невысокой точностью, а значит все системы, требующие точной установки должны уметь подстраиватьс€ Ц иметь подвижные зеркала.  роме того, стыковка всех коммуникаций тоже должна производитс€ автоматически - получаетс€ весьма и весьма автоматизированна€ система такого типа, которых никто в мире еще не делал.
»“Ё–

ќдним из инженерных кошмаров »“Ё– €вл€ютс€ оптические системы, передающие излучение плазмы на убранные в "хвост" нежные спектрографы. “ут и проблемы термодеформаций, и проблемы юстировки, и проблемы Ђразводаї нейтронного потока и потока света

  • ¬с€ конструкци€ будет подвержена нейтронному облучению более жесткому (с точки зрени€ энергии), чем в €дерных реакторах, поэтому впереди будет располагатьс€ нейтронна€ защита из стали, воды и карбида бора. ƒл€ того, чтобы конструкци€ сборки не превращалась в высокорадиоактивные отходы нейтронное излучение на заднюю часть порт-плага нужно ослабить в 10 миллионов раз. ѕри этом необходимо изогнуть в защите все каналы диагностик, смотр€щих на плазму так, чтобы нейтроны не могли проходить по этим каналам пр€мо назад. ≈сли же изогнуть каналы нельз€ (например дл€ рентгена, гамма-излучени€, нейтронного излучени€ нет зеркал ), то необходимо окружить их отдельными элементами нейтронной защиты.
»“Ё–

ѕример теплогидравлического расчета одних из самых теплонагруженных элементов портплага (диагностических защитных модулей)

»“Ё–

ј вот пример оптимизации охлаждени€ оптической сборки

  • «ащита от нейтронного и электромагнитного излучени€ (ее роль выполн€ют диагностическими защитными модул€ми ƒ«ћ и диагностической первой стенкой ƒѕ— соотвественно) будет подвержена мощнейшим тепловым потокам от термо€дерной реакции, идущей в нескольких метрах. “еплова€ нагрузка может достигать единиц мегаватт, причем она объемна - значит все конструкции порт-плага необходимо пронизать каналами с текущей водой дл€ охлаждени€.
  • ¬ случае срывов плазмы в конструкции порт-плага будут наводитьс€ токи мощность в сотни тыс€ч ампер, что вызывает не только дополнительный нагрев, но и электромагнитные силы (из-за взаимодействи€ с магнитным полем токамака) в тыс€чи тонн, которые необходимо рассчитать, учитывать и проектировать конструкцию так, чтобы она выдерживала эти усили€.
»“Ё–

Ёлектромагнитный расчет ƒ«ћ верхнего порта. “екущие токи, взаимодейству€ с магнитным полем »“Ё– создают "выдирающие" ƒ«ћ из гнезда усили€ масштаба дес€тков тонн силы

  • ƒа, в силу наличи€ трити€ в реакторе порт-плаг €вл€етс€ барьером нераспространени€. Ќеобходимо доказать французскому атомнадзору, что при всех возможных нагрузках (например сейсмических) барьер не будет нарушен.
  • ј также продиагностировать все сварные швы, которые будут в этой конструкции, чтобы показать, что и они не потекут. Ёта задача осложн€етс€ головоломной геометрией, в которой к некоторым швам практически невозможно подобратьс€ с двух сторон, чтобы сделать рентген-контроль.
»“Ё–

“еплогидравлический расчет каналов охлаждени€ ƒ«ћ. »з высверливание в глухом металле через окна с последующей заваркой окон - отдельна€ тема в области инженерии бланкета и порт-плагов

  • Ќапомню, что работать эта конструкци€ должна не менее 20 лет, а обслуживатьс€ в лучшем случае персоналом с ограниченным временем доступа и в защитной одежде, а лучше Ц роботами http://tnenergy.livejournal.com/24011.html .
  • ¬ам мало? ј теперь представьте себе, что инженери€ этой установки делаетс€ командами, расположенными в ‘ранции, –оссии, »ндии, —Ўј и ёжной  орее.
  • ¬ итоге любое, даже самое малейшее изменение конструкции приводит к необходимости многочисленных пересчетов, согласований, и скорее всего - следующих изменений конструкции.
–осси€ отвечает за интеграцию научного оборудовани€ и разработку конструкции вставок экваториального порта є11 (где будет сто€ть 8 научных систем, о которых мы еще поговорим) и верхних портов є2 и 8. Ђ»нтеграци€ї подразумевает здесь разработку и изготовление конструкции, котора€ объединит 8 диагностик и выполнит все требовани€, указанные выше. Ёту работу выполн€ет Ќовосибирский »нститут ядерной ‘изики (»я‘), задействовано в ней около 30 человек. ѕока команда »я‘ готовитс€ к предварительной защите проекта в  адараше, а собственно изготовление прототипов, нужных дл€ защиты технического проекта оборудовани€ экваториального порта є11 начнетс€ через пару лет.
»“Ё–

Ёкваториальный порт є11 Ч это перва€ диагностическа€ сборка »“Ё–, котора€ встанет на реактор, и здесь собраны диагностики, нужные уже к первой плазме (котора€ планируетс€ в декабре 2025 года), дл€ анализа поведени€ плазмы в машине. ¬ их число вошли:
  1. –ефлектометр слабого пол€ (—Ўј) - микроволновый широкополосный радар (15-220 √√ц) изучающий распределение электронной плотности по профилю плазмы. ¬ажна€ диагностика, измер€юща€ плотностные и температурные характеристики плазмы.
  2. јнализатор остаточных газов (—Ўј) - масс-спектрометр, измер€ющий химический состав газов, остающихс€ в вакуумной камере после откачки
  3. —пектрометр водородных линий H-alpha (–осси€). ќдна из главнейших диагностик реактора, изучающа€ пространственное распределение изотопов водорода дл€ понимани€ поведени€ плазмы - ћ√ƒ и ЁЋћ-нестабильности, переход в H-режим удержани€ и прочую базовую физику плазмы.
  4. јнализатор нейтральных частиц (–осси€) - аналог анализатора остаточных газов, но выполн€ющий эту работу с нейтральной (не ионизированной) составл€ющей плазмы. ѕозвол€ет независимым образом изучать содержание различных химических элементов в плазме. »нтересен тем, что требует пр€мой канал от плазмы (без окон, задвижек и защит) длиной 12 метров и т€желенной защиты вокруг этого канала и прибора.
  5. »“Ё–

    —труктурна€ схема јнализатора Ќейтральных „астиц - два масспектрометра (кстати, страшно не люб€щих внешние магнитные пол€ - и расположение р€дом с мощнейшими магнитами мира не сама€ лучша€ иде€ дл€ таких приборов) и небольшой ускоритель между ними

  6. —овмещенный с каналом предыдущего прибора спектрометр гамма-излучени€ и нейтронный спектрометр дл€ измерени€ свойств термо€дерного горени€ плазмы.
  7. —пектрометр вакуумного ультрафиолета основной части плазмы (¬”‘-ћ) и диверторного региона (¬”‘-ƒ) ( оре€). ¬ажный инструмент дл€ изучени€ концентрации элементов т€желее гели€ в плазме. Ёти элементы при термо€дерных температурах очень быстро охлаждают плазму излучением, поэтому борьба с ними (и измерени€ концентрации) поставлено на широкую ногу. ¬ вакуумном ультрафиолете свет€т разогретые ионы от берилли€ до аргона.
  8. —истема нейтронного активационного анализа ( оре€). ќдна из нейтронных диагностик, устроенных очень интересно - это фактически пневмопочта с небольшой капсулой, в которых расположены образцы различных материалов (индий, серебро, кобальт, гафний, хром и т.п.), которые активируютс€ нейтронным потоком. ѕосле выдержки в потоке капсула доставл€етс€ в диагностическую систему, где гамма-спектрометром измер€етс€ содержание активированных нуклидов и рассчитываетс€ флюэнс (мощность) и спектр нейтронного потока.
  9. –ентгеновский кристаллический спектрометр (»нди€) - еще один инструмент дл€ определени€ концентрации т€желых элементов в плазме, в этот раз в основном вольфрама, железа, хрома, никел€, меди и т.п.
»“Ё–

»ндийский рентгеновский кристаллический спектрометр

Ёлементы восьми диагностик собираютс€ в виде трех блоков, которые стыкуютс€ уже в порту »“Ё–: порт-плаг, опорна€ рама в продолжении порта (ќѕќѕ), опорна€ рама портовой камеры. Ќаиболее сложной дл€ разработки €вл€етс€ порт-плаг - вакуумна€ часть сборки, вес которой не может превышать 45 тонн.

ѕорт-плаг состоит из оболочки, поставл€емой »“Ё–-»ќ, диагностических первых стенок, защищающих порт от электромагнитной радиации (здесь расположено 10 мм берилли€ на интенсивно охлаждаемом медном основании) и плазмы, и диагностических защитных модулей, поглощающих нейтронную радиацию - в принципе структурно порт-плаг схож с защитными модул€ми и первой стенкой бланкета »“Ё–.

»“Ё–

—обранный порт-плаг вставл€етс€ в порт (с помощью телеуправл€емой системы TCS) и уплотн€етс€ болтовым фланцем, причем сам фланец еще и закрываетс€ покрывной крышкой с охранным вакуумом.   портплагу подводитьс€ перва€ опорна€ рама, котора€ подключает продолжение трактов диагностик (а так же трубопроводы охлаждени€, электрические разъемы инструментировани€ порт-плага, валы и т€ги дл€ юстировки зеркал и т.п.) к вакуумным окнам на фланце порт-плага. ¬се эти элементы конструктивно расположены внутри криостата, т.е. в шахте реактора. «а первой опорной рамой стоит пробка биозащиты защищающа€ от гамма излучени€ плазмы и активированных конструкций реактора, а за ней - втора€ рама, с основной массой измерительной аппаратуры.
»“Ё–

»“Ё–

¬акуумный фланец порт-плага, и его стыковочна€ механизаци€ диагностических трактов и трубопроводы охлаждени€

»нтересно, что на сегодн€ ни один из порт-интеграторов не выполнил сочетание требований на порт-плаге в 45 тонн максимального веса и ослаблении нейтронного потока в 10^7 раз. Ёти требовани€ были вписаны в предварительный проект »“Ё– как выполнимые, но на практике оказалось, что выполнить их с помощью стале-водной защиты невозможно. —ейчас в конструкцию порт-плагов вводитс€ защита из карбида бора - хот€ он не желателен дл€ вакуума реактора (бор под нейтронным потоком выдел€ет гелий, который нужно откачивать, что дает незапланированную нагрузку на вакуумную систему »“Ё–). Ётот эпизод оп€ть показывает, что декомпозици€ и параллельна€ разработка таких сложных систем всегда будет натыкатьс€ на недостаток общего понимани€ на этапе дроблени€ задачи на мелкие.
»“Ё–

–асчет нейтронного потока и энерговыделени€ от нейтронов в конструкци€х порт-плага Ёѕ11. Ёнерговыделение в 5 ¬т/см3 означает, что чашка воды закипит через минуту, а стальна€ болванка за минуту нагреетс€ до 250 —

¬ажным сюжетом дл€ интеграторов порт-плагов так же €вл€етс€ то, что »“Ё– Ц €дерна€ установка. Ќеобходимо не только защита от ионизирующих излучений, но и организаци€ барьеров нераспространени€ от вакуумной камеры токамака - т.е. внутри камеры после первых термо€дерных кампаний накопитс€ тритий и радиоактивна€ пыль с конструкций. — практической точки зрени€ это значит, что всю конструкцию необходимо сертифицировать по французским правилам в области €дерного регулировани€ ESPN и RCC-MR 2007. ѕричем не только конструкцию, но и методики, знани€ и навыки конструкторов, систему качества - объем бумажной работы может быть сопоставим с объемом расчетно-конструкторских проработок.

¬ проекте »“Ё– официально используетс€ только CATIA. ѕрежде всего, это означает, что, если вы собираетесь что-то проектировать дл€ »“Ё– с прохождением рецензировани€ вашего проекта в агентствах »“Ё–, то должны использовать CATIA. ќднако то, что не попадет на собственно площадку »“Ё–, уже не так строго должно быть сделано в CATIA: например, технологическое оборудование дл€ намотки магнита PF1 проектировали в Pro/ENGINEER (Creo), пайки берилли€ первой стенки Ч в NX и т.п.

»“Ё–

ƒиагностическа€ сборка экваториального порта є11 будет собиратьс€ частично из стандартных компонентов поставки »“Ё–-»ќ и из компонент, которые будет изготавливать »я‘ на своем производстве. Ќапример, вот прототип корзины дл€ блоков карбида бора нейтронной защиты, котора€ изготовлена дл€ тестировани€:
»“Ё–

»“Ё–

ѕод этот проект Ќовосибирский »я‘ модернизирует свое производство, в том числе, обустроит немаленькую сборочную и испытательную площадку - напомню, что самые т€желые компоненты тут будут весить до 45 тонн.

я думаю, что будет очень интересно посмотреть на производство и испытани€ железа подобной сложности. Ќе побоюсь сказать, что сегодн€ подобные разработки определ€ют новые рекорды человечества по инженерной сложности, и устанавливают границы возможного.


ќт редакции isicad.ru: ≈сли вы всЄ-таки захотите посмотреть научно-попул€рное интервью о термо€дерной энергетике, вот оно:



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ќе CAD, а HAD?
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

 ак дополненную реальность подружить с российской промышленностью — яна ѕлатова, специально дл€ »ЌЌќѕ–ќћ (19 но€бр€ 2017)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2017 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.