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

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

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

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

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

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

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

• 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.

1. 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.
2. Анализатор остаточных газов (США) - масс-спектрометр, измеряющий химический состав газов, остающихся в вакуумной камере после откачки
3. 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.
4. 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

5. Совмещенный с каналом предыдущего прибора спектрометр гамма-излучения и нейтронный спектрометр для измерения свойств термоядерного горения плазмы.
6. 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.
7. 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.
8. 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

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.

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

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

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.

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.