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 боролось с возрастающей сложность 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 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”). Т.е. 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 смотря 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 низкого разрешения нейтронного поля плазмы
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 очистки оптики, и проблемы «развода» нейтронного потока и потока света
Вся конструкция будет подвержена нейтронному облучению более жесткому, 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 самых теплонагруженных элементов портплага (диагностических защитных модулей)
А вот пример оптимизации охлаждения оптической сборки
Защита от нейтронного и электромагнитного излучения (называемая диагностическими защитными блоками ДЗМ и диагностической первой стенкой ДПС) 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.
Напомню, что работать эта конструкция должна не менее 15 лет, а обслуживаться в лучшем случае персоналом с ограниченным временем доступа и в защитной одежде, а лучше — роботами.
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.
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.
- 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 дигностик 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 (в идеале — с помощью роботов) 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 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.
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 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.
Комментарии (37)
VT100
20.09.2016 21:59Сногсшибательно! Будущее-то — наступило?
Интересно, подоспеет-ли ИИ к роботам или будут телеуправляемые? Доверят-ли такую важную работу ИИ?
aemon
20.09.2016 22:04+2Вот так вот, без картинок, очень сложно себе представить объемы этого инженерного чуда. И даже смотря на картинки весь паззл не укладывается в голове.
tnenergy
21.09.2016 09:55+7В принципе я написал по статье практически о каждой системе ИТЭР:
1. Физические принципы
2. Магниты (одна из лучших моих статей, я считаю)
3. Конструктив: вакуумная камера, бланкет, дивертор.
4. Радиочастотный нагрев (советую)
5. Нагрев нейтральными пучками (дважды советую)
6. Вакуумная система
7. Криосистема
8. Криостат
Плюс диагностика, затронутая в этом посте и робототехника, ссылка в комментарии выше.
Не знаю, весь ли это паззл, но заметная его часть.XDeViL
21.09.2016 15:36Хотелось бы почитать о решениях несущих строительных конструкций.
tnenergy
21.09.2016 23:10+3Ммм, вот тут честно говоря мало информации, да и вроде ничего сверхестественного там нет — обычное ядерное здание, где-то тяжелый бетон, где-то плотное армирование, нельзя сверлить бетон, поэтому все покрыто стальными пластинами для наварки креплений оборудования…
Если вы разбираетесь в технологиях строительства, то очень много технологий по стройке есть здесь
Vjatcheslav3345
21.09.2016 11:29+3Серию можно продолжать, рассказав о научных системах приборов, о том чего от них ждут; о робототехнике реактора, о автоматике. Потом — о том какое влияние на инженерную мысль и, общество, стандарты, окажут технические достижения этого проекта и как их переносить в типовые решения реакторов будущего.
А то вот для большинства людей «интернет вещей» — это забавные игрушки, мобилки, да, в лучшем случае — продвинутый домофон/холодильник, а вовсе такие инфраструктурные вещи ближайшего (+50-+70 лет) будущего, типа термоядерной ТЭЦ/ТЭС для родного городка или его «градообразующего предприятия».mx2
21.09.2016 13:19Так «интернет вещей», о котором пишут статьи, и состоит из розеток с вайфаем и прочего хлама со смартфонным управлением. Большинство не виновато.
Vjatcheslav3345
21.09.2016 16:36Это сейчас мы знаем, допустим, что сталь для паровоза — «топочная сталь» — она д. б. по ГОСТ 399-41 а лифты — ГОСТ Р 53770-2010. Но сейчас во термоядерной энергетике «времена Уатта», поэтому весьма интересы будут и технические статьи о ядерном материаловедении и вообще о проблемах реализации реакторов в металле.
tnenergy
21.09.2016 17:16+2Ну, по материаловедению у меня есть такая статья https://geektimes.ru/post/259638/. Немножко про другое, но думаю, будет интересно.
JayK
21.09.2016 15:36+1Смотря на это запредельно сложное устройство, с трудом верится что настанет время когда данный уровень технологии выйдет в ширпотреб (относительный конечно)
tnenergy
21.09.2016 16:32+2Смотря что считать ширпотребом. Всякие высокотехнологичные отрасли, типа аэрокосмической, производства медицинского или ядерного оборудования ИТЭР обогащает прямо сегодня. Например по сверхпроводникам ИТЭР был заметным источником R&D трат последние 15 лет. Чуть более косвенные разработки проникают на рынок на стыке науки и прикладных приложений через кадры — ну например нейтронный геологический каротаж и нейтронные датчики ИТЭР имеют в России имеют общих разработчиков.
Наконец, есть такой выхлоп в виде обученных кадров — инженеры, ученые, менеджеры проектов — это все потом может дать выхлопы в совершенно неожиданных местах. Ну скажем, в автоматизации ИТЭР принимает участие РТСофт, и думаю, они потом полученные наработки смогут использовать в других местах.JayK
22.09.2016 09:52+1Ну вот допустим манхэттэнский проект, соразмерное по масштабу явление, требующее напряжения сил тысяч человек и неимоверные финансовые затраты. Что получится в итоге доподлинно тоже никто не знал, до самого испытания «изделия», только теоретически. А теперь процесс обогащения доступен любому государству средней руки, даже помоечным «народным» демократиям.
Другой пример, гироскоп. Изначально штучное прецизионное изделие, настолько дорогое и редкое что устанавливали их только в приступах «человеколюбия» на изделия типа фау2 или эр7. А теперь гироскопы. пусть работающие на совсем другом принципе есть в кажом смартфоне.
Хочется задать вопрос человеку в теме: Насколько технологически пересекаются и влияют друг на друга проекты ИТЭР и БАК. Ведь и там и там применяются монструозные конструкции с криогенной техникой, сверхпроводимостью и супервакуумным вакуумом?
tnenergy
24.09.2016 22:27+1>Хочется задать вопрос человеку в теме: Насколько технологически пересекаются и влияют друг на друга проекты ИТЭР и БАК. Ведь и там и там применяются монструозные конструкции с криогенной техникой, сверхпроводимостью и супервакуумным вакуумом?
Сильно пересекаются и поддерживают друг друга в областях криогенники (БАК и ИТЭР будут обладателями 1 и 2 в мире холодильных фабрик по мощности на температуре жидкого гелия), вакуума, сверхпроводников и сверхпроводящих магнитов, систем автоматизации и снятия информации с больших научных приборов, радиочастотных систем. Довольно много проектировщиков по этим тематикам перешли из БАК на ИТЭР, кстати.
roller
21.09.2016 17:00Жаль что все это приходится проектировать живым мясным людям. И нельзя например дать CAD системе команду «размести-ка все это научное барахло с учетом граничных условий в этом ящике», которая бы методом, пусть перебора, но подобрала бы оптимальную конфигурацию. Вот такая система (ну или просто достижение технологической сингулярности:)) существенно ускорила бы проектирование.
А еще высверливание каналов охлаждение, а потом заваривание технологических отверстий — это же идеально можно заменить 3d печатью металлом. В этом случае каналы могут быть вообще любой формы и возможно это ускорило бы проектирование.tnenergy
21.09.2016 17:15+4>А еще высверливание каналов охлаждение, а потом заваривание технологических отверстий — это же идеально можно заменить 3d печатью металлом.
Вы сначала убедите французский атомнадзор, что при всех мыслимых комбинациях это выдержит и не потечет — тогда можно делать.
tezqa
21.09.2016 19:47Возможно, инженерная сложность должна иметь какой то вероятностный коэффициент при приближении к которому проект не стоит затрачиваемых на него усилий, так как через некоторое время появятся технологии способные произвести тоже самое, но с меньшими затратами.
tnenergy
21.09.2016 19:51+2Ну, это в теории так. На практике любая новая технология требует опробации в конкретном поле, где вы ее собираетесь применять, особенно во всяких ответственных направлениях, типа ядерных реакторов. Это означает, что все равно вам нужны инженеры с передовой практикой разработки в данном направлении, которые могли бы оценить исходя из своего опыта плюсы, минусы и подводные камни, а заодно на практике «способна ли технология Х произвести тоже самое, но с меньшими затратами».
Так что деятельность подобной той, что описана абсолютно необходима для того, что бы двигаться вперед. Сидеть и ждать появления чудесной технологии, которая все изменит самонадеяно — скорее всего применять ее будет не к чему.
MichaelBorisov
21.09.2016 22:45+3Да уж, впечатляет. Я раньше думал, что ИТЭР — это долгострой, ставший таковым по причине бюрократии и недостаточной заинтересованности каждой отдельной страны-участницы. И что если бы за этот проект взялась одна страна, но как следует — то результат был бы уже давно достигнут. А однако, вон оно как… Проектировщики заложили в проект прорывы в целом ряде областей науки и техники. Такое, действительно, под силу только всему человечеству, если вообще возможно.
Мне даже страшно стало за этот проект. Слишком во многих областях ИТЭР проектрировщики замахнулись на раздвигание границ возможного. Велик технический риск. И удастся ли совместить все разработки так, чтобы вся установка в итоге заработала? Кроме того, невообразимая сложность системы будет препятствием на пути широкомасштабного внедрения таких реакторов. Надежда только на то, что это исследовательский реактор, и часть его оборудования является опытной, предназначенной для изучения и оптимизации технологии, и что в серийных энергетических реакторах удастся избавиться от части сложных систем.
Что ж, подождем. Хотя ждать придется явно долго. А почему строители, кстати, задерживаются? Там тоже сложности?tnenergy
21.09.2016 22:59+3>Да уж, впечатляет. Я раньше думал, что ИТЭР — это долгострой, ставший таковым по причине бюрократии и недостаточной заинтересованности каждой отдельной страны-участницы.
Ну, проект очень долго тормозила бюрократия и политика… Только последние два года тренд развернулся.
>Проектировщики заложили в проект прорывы в целом ряде областей науки и техники.
Изначальный ИТЭР, спроектированный в 1993-1998 в каком-то смысле был попроще, но он был больше и заметно дороже. ITER-FEAT, который реализуют сегодня (проектировавшийся в основном в 2001-2007 годах) вынужденно требует прорывов по некоторым направлениям, особенно пострадал бланкет и первая стенка.
>Слишком во многих областях ИТЭР проектрировщики замахнулись на раздвигание границ возможного. Велик технический риск.
Пока тем «продавливания» технических барьеров неплох, удалось изготовить рекордные магниты (ну почти, они еще делаются), гиротроны, спроектировать и верифицировать технологии изготовления и сборки по большинству систем. Основной из крупных проблем сейчас считается стойкость дивертора, но что бы ее решить, в принципе еще есть лет 10. Хотя за предыдущие 10 не решили.
>Надежда только на то, что это исследовательский реактор, и часть его оборудования является опытной, предназначенной для изучения и оптимизации технологии, и что в серийных энергетических реакторах удастся избавиться от части сложных систем.
Ну вот например все диагностики, описанные в этом посте энергетическому реактору скорее всего будут не нужны.
>А почему строители, кстати, задерживаются?
Строителей очень долго задерживали переделки проекта (и зданий). Одна из крупных переделок была связана с постфукусимской переоценкой опасности землетрясений и перепроектированием фундамента. Биго по приходу в директоры проекта первым делом заморозил чертежи зданий, и стройка начала разгоняться: буквально недавно строители впервые выдержали темп «1 этаж за полгода» в здании токамака.
Pavel-Well
22.09.2016 02:30+1Впечатляющая статья.
Вопрос по последствиям этого адского нейтронного потока для материалов: есть ли оценки сколько часов/лет работы реактора на полной мощности выдержат без особого структурного повреждения стенки реактора (тора токамака) из специальной стали?
И насколько сталь будет радиоактивной с внутренней стороны после того, как стенки выйдут из строя? Или в момент, когда консилиум скажет «всё, дальше реактор экплуатировать нельзя, стальные стенки могут начать трескаться прямо в следующем сеансе!»tnenergy
22.09.2016 10:41+3С нейтронным потоком есть такая особенность — мгновенный поток очень жесткий из-за высокой энергии нейтронов (в 14 раз выше, чем в быстром реакторе), и довольно высокий флюэнс (плотность потока нейтронов), всего в 10 раз ниже, чем пиковый в ядерном реакторе и сравнимый со средним в ядерном реакторе.
Но при этом интегральная величина за время работы не так велика — ИТЭР же импульсный и экспериментальный.
В итоге, живучесть первой стенки (а это основная деталь, подверженная нейтронным нагрузкам) — 5 лет, причем определяется не структурными повреждениями как таковыми, а в основном плазменной эрозией и деградацией медного теплоотводящего основания (тут уже как раз из-за нейтронов). Для сравнения — нагрузка ПС до съема будет 0,3 с.н.а, а нагрузка, скажем, выгородки ВВЭР-1000 до съема — 30 с.н.а., нагрузка оболочек твэлов в быстром реакторе — 60 с.н.а. и в перспективных материалах — 100+ с.н.а.
При этом материаловедение, действительно, сейчас сильно ограничивает возможность создания высоконагруженного коммерческого термоядерного реактора.
Насчет радиоактивности от термояда у меня есть специальная статья.Pavel-Well
22.09.2016 19:04+2Спасибо за подробный ответ (и ссылку)! Но ответ породил следующий вопрос: а плазменная эрозия первой стенки как количественно оценивается/вред от неё? Грубо говоря: сколько мм стенки за эти 5 лет сожрёт эрозия?
tnenergy
22.09.2016 19:36+2>а плазменная эрозия первой стенки как количественно оценивается/вред от неё?
Насколько я понимаю, до конца определенности с этим вопросом нет — т.к. вопросы плазменно-поверхностного взаимодействия очень непросты и плохо изучены (например в августе видел доклад, что лазерный удар по вольфраму, имитирующий плазменную нагрузку в ИТЭР заставляет вращаться кристаллические плоскости в зернах материала, что вызывает очень своеобразное отшелушивание этого вольфрама, ну вообще за последние 20 лет открыли очень много неприятностей от плазменных ударов :)).
Теоретически бериллий хорошо защищен магнитным полем от попадания на него быстрой и горячей плазмы, но есть две до конца не решенные проблемы — брызги вольфрама дивертора при срывах плазмы, которые будут вызывать вспышки ультрафиолета мощностью в сотни мегаватт, которые будут сносить бериллий и убегающие электроны, вызывающие испарение бериллия а месте прихода (они такими «лучами» возникают в реакторе).
В итоге создатели реактора решили, что бериллиевая стенка будет толщиной 5 мм, из которых достаточно для нормальной работы ~2 мм. В ИТЭР будут находится 6 манипуляторов с лазерными сканерами (система IVVS), которые будут изучать эрозию бериллия + демонтируемые образцы бериллия. Думаю, что 5 лет пока скорее назначенный срок, чем реальный расчет.Pavel-Well
22.09.2016 20:53Понятно. Хорошо, что будут манипуляторы и сканеры, чтобы замерить эрозию, так сказать, в динамике.
barsuksergey
22.09.2016 12:55Причем не только конструкцию, но и методики, знания и навыки конструкторов, систему качества — объем бумажной работы может быть сопоставим с объемом расчетно-конструкторских проработок.
Это ведь необходимое «добро» в триаде производства-управления-обмена, такое же важное, как и финансовая составляющая.
Валентин, а каким образом происходит управление работами/проектами, их распределение, как организована информационная система проекта ИТЭР? Также было бы здорово узнать, как это всё финансируется.tnenergy
22.09.2016 19:50+2>Валентин, а каким образом происходит управление работами/проектами, их распределение, как организована информационная система проекта ИТЭР?
Ну, у меня очень обрывочная информация по этому поводу, я постараюсь как-нибудь проинтервьюировать кого-нибудь по организации работы.
>Также было бы здорово узнать, как это всё финансируется.
Есть 6 сторон-участников со следующими долями: Евросоюз (45%), США (9%), Китай (9%), Россия(9%), Южная Корея (9%), Индия (9%) — они вкладываються в проект «натурой» (строительством, оборудованием, разработкой, это основной по сути вклад) и кэшем на общую деятельность. Денег в год сейчас собирается порядка 230 млн евро и эта сумма будет постепенно расти. Есть вот финансовый отчет.
dan222
23.09.2016 11:01+1Будут ли в ИТЭР источники поддержания постоянного непрерывного тороидального тока в плазме, как долго планируют осуществлять термоядерную реакцию в одном выстреле, как собираются впрыскивать свежее термоядерное толпливо в плазменную камеру ИТЭР?
tnenergy
23.09.2016 11:10+2>Будут ли в ИТЭР источники поддержания постоянного непрерывного тороидального тока в плазме
Смотря что считать непрерывным. Есть индуктивные режимы горения, когда ток поддерживается разряжающимся соленоидом — до 700 мегаватт, до 400 секунд. Есть неиндуктивные, без апгрейда речь идет о 250 мегаваттах и до 1000 секунд, после апгрейда (установка нижегибридного радиочастотного нагрева, третий NBI) — до 3600 секунд на мощности 500 мегаватт, если мне не изменяет память. Впрочем до этого апгрейда еще очень долго, все может поменяться.
>как собираются впрыскивать свежее термоядерное толпливо в плазменную камеру ИТЭР?
В ИТЭР будут специальные пневмопушки, стреляющие замороженными льдинками дейтерий-трития прямо в центр плазменного шнура (точнее там сложная система, умеющая стрелять в разные точки с разных направлений).
dan222
23.09.2016 11:46+1> Есть неиндуктивные, без апгрейда
В неиндуктивных режимах горения без апгрейда — чем будет поддерживаться тороидальный ток в плазме?tnenergy
23.09.2016 11:51+1Написал же «Есть индуктивные режимы горения, когда ток поддерживается разряжающимся соленоидом». Речь про центральный соленоид — за подробностями отсылаю к статьям про магнитную систему.
tnenergy
23.09.2016 11:55+2А, пардон, невнимательно прочитал.
Поддерживаться будет с помощью NBI и ECRH систем а так же бутстрапного тока плазмы (т.е. плазма за счет несимметричности относительно цилиндрической поверхности имеет свой ток) Общий ток без апргрейда будет меньше, чем индуктивный, поэтому и мощность будет меньше.
Arxitektor
Огромное спасибо за статью.
С нетерпением жду продолжения.
temonix
Даа, без tnenergy информации по ИТЕР и по АЭС в целом для лемнингов было бы в бесконечность меньше.