isicad: Термоядерный реактор ИТЭР – инженерная разработка сложности, рекордной для современного человечества

От редакции isicad.ru: ИТЭР — проект международного экспериментального термоядерного реактора. ITER – сокращение от International Thermonuclear Experimental Reactor, ассоциируется с латинским словом iter — путь, курс, контур…. Да, и в английском есть слово с тем же корнем: iterinary – маршрут. Кстати, английский словарь переводит iter и вовсе как трубчатый проход.

Задача ИТЭР заключается в демонстрации возможности коммерческого использования термоядерного реактора и решении физических и технологических проблем, которые могут встретиться на этом пути. Проектирование реактора полностью закончено и выбрано место для его строительства — исследовательский центр Кадараш (Cadarache) на юге Франции, в 60 км от Марселя, неподалёку от французского ядерного научно-исследовательского центра СЕА. Подготовка строительной площадки началась в январе 2007 года. Стройку, стоимость которой первоначально оценивалась в 5 миллиардов евро, планировалось закончить в 2016 году, однако постепенно предполагаемая сумма расходов выросла до 19 миллиардов, и затем срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году
Большая статья об ИТЭР в Википедии

Валентин Гибалов – эксперт в области термоядерной энергетики. Рекомендуем познакомиться с 37-минутным видеоинтервью «Термоядерная энергетика: пустой миф или тернистый путь в будущее?», которое Валентин недавно дал порталу «Новый день». Это интервью, на наш взгляд, может служить эффективным введением и в проблематику в целом, и конкретно в публикуемую сегодня статью.

Валентин Гибалов ведёт весьма содержательный и живой блог, который мы рекомендуем нашим читателя. Валентин любезно разрешил воспроизвести на isicad.ru один из его недавних постов – «ИТЭР: Диагностические сборки», который характеризует ряд ключевых аспектов ИТЭР. Надеемся, что знакомство с таким весьма сложным инженерным сооружением окажется полезным нашим САПР-читателям.

Спросите себя, «почему ИТЭР строится так долго»? Если вы честно читали мои заметки по этому проекту, то первое что приходит в голову – «это запредельно сложная установка».

Одна из двух десятков диагностических сборок реактора ИТЭР, о которых сегодня пойдет речь

Сложность инженерных сооружений - трудноизмеримая субстанция, в отличии, к примеру, от алгоритмов. Исторически, человечество непрерывно усложняло свои сооружения, машины и системы, и боролась c возрастающей сложностю проектирования как путем декомпозиции на более мелкие работы и выполнения их параллельно, так и стандартизации полученного опыта. Первый подход можно проиллюстрировать, например, вот так: здание проектируется не путем отрисовки готовых кусочков со всеми элементами (структура, электрика, вентиляция, фасады, водяные коммуникации и т.п.), а параллельно из общей концепции разными людьми. Второй подход проявляется в использовании стандартных компонентов, проработке готовых алгоритмов и решений («для медного провода проводки используется максимальное значение тока 8-10 ампер/мм2» -- не надо каждый раз исследовать вопрос, какой ток не вызовет пожара, это уже положено в нормы и правила разработчика). Однако, декомпозиция и распараллеливание задач инженерного творчества имеет очевидную обратную сторону - падение отдачи на каждого добавляемого человека. Коммуникации, поиск ошибок и синхронизации процессов разработки занимают все большую часть потраченных человеко-часов.

Особенно плохо приходится там, где декомпозиция дается непросто, где очень много связанных проблем, и решения по одной тянут за собой необходимость переделывать другие. На практике такие сложности появляются там, где в одной точке сходится множество различных дисциплин, которыми занимаются разные специалисты, плохо знающие «поляну» друг друга. Например, если для разработки чертежей конструкции надо учитывать расчеты по нейтронной физике, тепломеханике и теплогидравлике, электромагнитным усилиям а заодно требования массы инженерных дисциплин - вакуумной техники, надежности ядерных сосудов под давлением, технологичности и собираемости, возможности обслуживания роботами… кажется вы понимаете про какую установку я говорю.

Сегодня мы поговорим про диагностические сборки, иначе называемые еще «диагностические порт плаги» – менее грандиозные, чем основные системы ИТЭР, но невероятно сложные и прецизионные устройства.

План этажа ИТЭР. В центре шахта реактора, вокруг нее - порт-камеры (Port Cells), в которых может быть вставлена система нагрева, испытательная бланкетная сборка или диагностическая сборка

Диагностиками в ИТЭР называется оборудование, измеряющее какие-то параметры плазмы (именно плазмы, датчики, измеряющие состояние машины, называются «инструментирование»). То есть, фактически это научные приборы реактора. Например это может быть нейтронный монитор, измеряющий поток нейтронов от плазмы, характеризующий термоядерную мощность реактора. Или микроволновый рефлектометр получающий профиль температуры и плотности плазмы поперек плазменного шнура. Всего на ИТЭР будет установлено 47 диагностических систем всех мыслимых типов (и больше десяти тысяч датчиков инструментирования только на реакторе).

Диагностические системы в масштабе строения ИТЭР (выделены зеленым). Физические части приборов собраны в диагностических сборках в портах, а электроника и сервера вынесены в отдельное пристроенное здание

Поскольку плазма в токамаках окружена вакуумной камерой и мощной клеткой магнитов, то доступ к плазме возможен только через отверстия в этих двух системах. В ИТЭР отверстия называются порты и организованы на трех ярусах: нижний - диверторный, экваториальный посередине и верхний ярус так и называется верхним. Всего портов 44: 9 диверторых, 17 экваториальных и 18 верхних.

Ячейки портов, соединительные патрубки, вакуумная камера. Кстати, обратите внимание на гармошки на соединительных патрубках - они нужны для компенсации изменения размеров реактора при захолаживании и всяких движениях вызванных срывами плазмы

Порты имеют разные предназначения: через некоторые на плазму смотрят системы нагрева (радиочастотные, например, антенны IRCH), 4 диверторных порта будет занято криосорбционными помпами, через некоторые будет осуществлять доступ роботов внутрь тора, 3 экваториальных порта будет занято экспериментальным сборками размножающего бланкета (тут будет производиться тритий из лития и оценка разных инженерных вариантов такого бланкета), наконец 6 экваториальных и 11 верхних портов будут заняты диагностиками.

Расположение диагностической сборки экваториального порта №1. Штука с серыми трубками - радиальная нейтронная камера, получающая нейтронное изображение плазмы низкого разрешения

Для каждого диагностического порта изготавливается вставка порта - длинная сборка весом до 150 тонн, которая может устанавливаться и сниматься роботизированной системой обслуживания ИТЭР. Эта сборка включает в себя до 10 научных инструментов, их и защиту и охлаждение от нейтронной и электромагнитной радиации от плазмы, необходимые коммуникации и т.п.

Диагностическая сборка экваториального порта №11, разрабатываемая в Новосибирском ИЯФ. Длина сборки - около 17 метров

Из-за их расположения в порт-плагах сходятся противоречивые требования многих дисциплин. Давайте для начала их перечислим:

Вставка порта включает в себя переднюю вакуумную часть (называемую порт-плаг) и заднюю атмосферную (называемую вставка порт-камеры), а значит все коммуникации разрываются вакуумно-плотными затворами, окнами и т.п. При этом вакуумная часть порт-плага должна удовлетворять крайне жестким условиям ультравысокого вакуума тора ИТЭР, что означает такие требования, как узкий выбор материалов, отсутствие замкнутых полостей (которые могут травить остатками воздуха), например, глухих резьб, необходимость очищать весь вакуумный блок от органических загрязнений перед установкой в реактор.

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

Вся конструкция вставки порта, включающая себя прецизионные оптические системы ученых должна быть собрана роботами с невысокой точностью, а значит все системы, требующие точной установки должны уметь подстраиваться – иметь подвижные зеркала. Кроме того, стыковка всех коммуникаций тоже должна производится автоматически - получается весьма и весьма автоматизированная система такого типа, которых никто в мире еще не делал.

Одним из инженерных кошмаров ИТЭР являются оптические системы, передающие излучение плазмы на убранные в "хвост" нежные спектрографы. Тут и проблемы термодеформаций, и проблемы юстировки, и проблемы «развода» нейтронного потока и потока света

Вся конструкция будет подвержена нейтронному облучению более жесткому (с точки зрения энергии), чем в ядерных реакторах, поэтому впереди будет располагаться нейтронная защита из стали, воды и карбида бора. Для того, чтобы конструкция сборки не превращалась в высокорадиоактивные отходы нейтронное излучение на заднюю часть порт-плага нужно ослабить в 10 миллионов раз. При этом необходимо изогнуть в защите все каналы диагностик, смотрящих на плазму так, чтобы нейтроны не могли проходить по этим каналам прямо назад. Если же изогнуть каналы нельзя (например для рентгена, гамма-излучения, нейтронного излучения нет зеркал ), то необходимо окружить их отдельными элементами нейтронной защиты.

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

А вот пример оптимизации охлаждения оптической сборки

Защита от нейтронного и электромагнитного излучения (ее роль выполняют диагностическими защитными модулями ДЗМ и диагностической первой стенкой ДПС соотвественно) будет подвержена мощнейшим тепловым потокам от термоядерной реакции, идущей в нескольких метрах. Тепловая нагрузка может достигать единиц мегаватт, причем она объемна - значит все конструкции порт-плага необходимо пронизать каналами с текущей водой для охлаждения.
В случае срывов плазмы в конструкции порт-плага будут наводиться токи мощность в сотни тысяч ампер, что вызывает не только дополнительный нагрев, но и электромагнитные силы (из-за взаимодействия с магнитным полем токамака) в тысячи тонн, которые необходимо рассчитать, учитывать и проектировать конструкцию так, чтобы она выдерживала эти усилия.

Электромагнитный расчет ДЗМ верхнего порта. Текущие токи, взаимодействуя с магнитным полем ИТЭР создают "выдирающие" ДЗМ из гнезда усилия масштаба десятков тонн силы

Да, в силу наличия трития в реакторе порт-плаг является барьером нераспространения. Необходимо доказать французскому атомнадзору, что при всех возможных нагрузках (например сейсмических) барьер не будет нарушен.
А также продиагностировать все сварные швы, которые будут в этой конструкции, чтобы показать, что и они не потекут. Эта задача осложняется головоломной геометрией, в которой к некоторым швам практически невозможно подобраться с двух сторон, чтобы сделать рентген-контроль.

Теплогидравлический расчет каналов охлаждения ДЗМ. Из высверливание в глухом металле через окна с последующей заваркой окон - отдельная тема в области инженерии бланкета и порт-плагов

Напомню, что работать эта конструкция должна не менее 20 лет, а обслуживаться в лучшем случае персоналом с ограниченным временем доступа и в защитной одежде, а лучше – роботами http://tnenergy.livejournal.com/24011.html .
Вам мало? А теперь представьте себе, что инженерия этой установки делается командами, расположенными в Франции, России, Индии, США и Южной Корее.
В итоге любое, даже самое малейшее изменение конструкции приводит к необходимости многочисленных пересчетов, согласований, и скорее всего - следующих изменений конструкции.

Россия отвечает за интеграцию научного оборудования и разработку конструкции вставок экваториального порта №11 (где будет стоять 8 научных систем, о которых мы еще поговорим) и верхних портов №2 и 8. «Интеграция» подразумевает здесь разработку и изготовление конструкции, которая объединит 8 диагностик и выполнит все требования, указанные выше. Эту работу выполняет Новосибирский Институт Ядерной Физики (ИЯФ), задействовано в ней около 30 человек. Пока команда ИЯФ готовится к предварительной защите проекта в Кадараше, а собственно изготовление прототипов, нужных для защиты технического проекта оборудования экваториального порта №11 начнется через пару лет.

Экваториальный порт №11 — это первая диагностическая сборка ИТЭР, которая встанет на реактор, и здесь собраны диагностики, нужные уже к первой плазме (которая планируется в декабре 2025 года), для анализа поведения плазмы в машине. В их число вошли:

Рефлектометр слабого поля (США) - микроволновый широкополосный радар (15-220 ГГц) изучающий распределение электронной плотности по профилю плазмы. Важная диагностика, измеряющая плотностные и температурные характеристики плазмы.
Анализатор остаточных газов (США) - масс-спектрометр, измеряющий химический состав газов, остающихся в вакуумной камере после откачки
Спектрометр водородных линий H-alpha (Россия). Одна из главнейших диагностик реактора, изучающая пространственное распределение изотопов водорода для понимания поведения плазмы - МГД и ЭЛМ-нестабильности, переход в H-режим удержания и прочую базовую физику плазмы.
Анализатор нейтральных частиц (Россия) - аналог анализатора остаточных газов, но выполняющий эту работу с нейтральной (не ионизированной) составляющей плазмы. Позволяет независимым образом изучать содержание различных химических элементов в плазме. Интересен тем, что требует прямой канал от плазмы (без окон, задвижек и защит) длиной 12 метров и тяжеленной защиты вокруг этого канала и прибора.

Структурная схема Анализатора Нейтральных Частиц - два масспектрометра (кстати, страшно не любящих внешние магнитные поля - и расположение рядом с мощнейшими магнитами мира не самая лучшая идея для таких приборов) и небольшой ускоритель между ними

Совмещенный с каналом предыдущего прибора спектрометр гамма-излучения и нейтронный спектрометр для измерения свойств термоядерного горения плазмы.
Спектрометр вакуумного ультрафиолета основной части плазмы (ВУФ-М) и диверторного региона (ВУФ-Д) (Корея). Важный инструмент для изучения концентрации элементов тяжелее гелия в плазме. Эти элементы при термоядерных температурах очень быстро охлаждают плазму излучением, поэтому борьба с ними (и измерения концентрации) поставлено на широкую ногу. В вакуумном ультрафиолете светят разогретые ионы от бериллия до аргона.
Система нейтронного активационного анализа (Корея). Одна 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 активируются нейтронным потоком. После выдержки в потоке капсула доставляется в диагностическую систему, где гамма-спектрометром измеряется содержание активированных нуклидов и рассчитывается флюэнс (мощность) и спектр нейтронного потока.
Рентгеновский кристаллический спектрометр (Индия) - еще один инструмент для определения концентрации тяжелых элементов в плазме, в этот раз в основном вольфрама, железа, хрома, никеля, меди и т.п.

Индийский рентгеновский кристаллический спектрометр

Элементы восьми диагностик собираются в виде трех блоков, которые стыкуются уже в порту ИТЭР: порт-плаг, опорная рама в продолжении порта (ОПОП), опорная рама портовой камеры. Наиболее сложной для разработки является порт-плаг - вакуумная часть сборки, вес которой не может превышать 45 тонн.

Порт-плаг состоит из оболочки, поставляемой ИТЭР-ИО, диагностических первых стенок, защищающих порт от электромагнитной радиации (здесь расположено 10 мм бериллия на интенсивно охлаждаемом медном основании) и плазмы, и диагностических защитных модулей, поглощающих нейтронную радиацию - в принципе структурно порт-плаг схож с защитными модулями и первой стенкой бланкета ИТЭР.

Собранный порт-плаг вставляется в порт (с помощью телеуправляемой системы TCS) и уплотняется болтовым фланцем, причем сам фланец еще и закрывается покрывной крышкой с охранным вакуумом. К портплагу подводиться первая опорная рама, которая подключает продолжение трактов диагностик (а так же трубопроводы охлаждения, электрические разъемы инструментирования порт-плага, валы и тяги для юстировки зеркал и т.п.) к вакуумным окнам на фланце порт-плага. Все эти элементы конструктивно расположены внутри криостата, т.е. в шахте реактора. За первой опорной рамой стоит пробка биозащиты защищающая от гамма излучения плазмы и активированных конструкций реактора, а за ней - вторая рама, с основной массой измерительной аппаратуры.

Вакуумный фланец порт-плага, и его стыковочная механизация диагностических трактов и трубопроводы охлаждения

Интересно, что на сегодня 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. Эти требования были вписаны в предварительный проект ИТЭР как выполнимые, но на практике оказалось, что выполнить их с помощью стале-водной защиты невозможно. Сейчас в конструкцию порт-плагов вводится защита из карбида бора - хотя он не желателен для вакуума реактора (бор под нейтронным потоком выделяет гелий, который нужно откачивать, что дает незапланированную нагрузку на вакуумную систему ИТЭР). Этот эпизод опять показывает, что декомпозиция и параллельная разработка таких сложных систем всегда будет натыкаться на недостаток общего понимания на этапе дробления задачи на мелкие.

Расчет нейтронного потока и энерговыделения от нейтронов в конструкциях порт-плага ЭП11. Энерговыделение в 5 Вт/см3 означает, что чашка воды закипит через минуту, а стальная болванка за минуту нагреется до 250 С

Важным сюжетом для интеграторов порт-плагов так же является то, что ИТЭР – ядерная установка. Необходимо не только защита от ионизирующих излучений, но и организация барьеров нераспространения от вакуумной камеры токамака - т.е. внутри камеры после первых термоядерных кампаний накопится тритий и радиоактивная пыль с конструкций. С практической точки зрения это значит, что всю конструкцию необходимо сертифицировать по французским правилам в области ядерного регулирования ESPN и RCC-MR 2007. Причем не только конструкцию, но и методики, знания и навыки конструкторов, систему качества - объем бумажной работы может быть сопоставим с объемом расчетно-конструкторских проработок.

В проекте ИТЭР официально используется только CATIA. Прежде всего, это означает, что, если вы собираетесь что-то проектировать для ИТЭР с прохождением рецензирования вашего проекта в агентствах ИТЭР, то должны использовать CATIA. Однако то, что не попадет на собственно площадку ИТЭР, уже не так строго должно быть сделано в CATIA: например, технологическое оборудование для намотки магнита PF1 проектировали в Pro/ENGINEER (Creo), пайки бериллия первой стенки — в NX и т.п.

Диагностическая сборка экваториального порта №11 будет собираться частично из стандартных компонентов поставки ИТЭР-ИО и из компонент, которые будет изготавливать ИЯФ на своем производстве. Например, вот прототип корзины для блоков карбида бора нейтронной защиты, которая изготовлена для тестирования:

Под этот проект Новосибирский ИЯФ модернизирует свое производство, в том числе, обустроит немаленькую сборочную и испытательную площадку - напомню, что самые тяжелые компоненты тут будут весить до 45 тонн.

Я думаю, что будет очень интересно посмотреть на производство и испытания железа подобной сложности. Не побоюсь сказать, что сегодня подобные разработки определяют новые рекорды человечества по инженерной сложности, и устанавливают границы возможного.

От редакции isicad.ru: Если вы всё-таки захотите посмотреть научно-популярное интервью о термоядерной энергетике, вот оно: