Итак, одна из главных проблем токамаков, похожих на ИТЭР — это охлаждение их гигантских сверхпроводящих магнитов. Поддержание температуры в 4,5К — весьма энергоемкая задача — на каждый натекший джоуль тепла мы вынуждены потратить 500 джоулей на работу холодильника. Если бы магниты были никак не теплоизолированны, на работу криосистемы ИТЭР уходили бы десятки гигаватт мощности. Поэтому охлаждение “глубоко эшелонировано” от внешнего и внутреннего тепла установки.
Обзор «криокомбината» — самой мощной в мире холодильной системы для обеспечения криохладагентами ИТЭР.
Для начала весь реактор погружен в вакуумный объем криостата. Это позволяет не думать о теплопередаче в магниты от воздуха. От теплового излучения в свою очередь защищают криоэкраны — зеркальные листы из стали, покрытые охлаждающей системой, которые имеют температуру в 80К.
Тепловые экраны, «укутывающие» сверхпроводящие магниты ИТЭР со всех сторон.
Таким образом сами сверхпроводящие магниты “видят” вокруг себя поверхности только с температурой 80К (а не 300 или даже 520К — максимальная температура, до которой нагреваются внешние элементы токамака) и это снижает теплопоток на магниты в ~10 раз. Криоэкраны имеют сложную форму, и сами являются потребителями мощностей холодильников ИТЭР.
Один из перых серийных элементов криоэкрана, изготовленный недавно в Южной Корее.
Наконец, небольшой оставшийся поток тепла снаружи забирается жидким гелием, прокачиваемым сквозь каждый магнит (для чего кабель, которым намотаны магниты выполнен довольно хитрым образом). Кроме того, тепло в магнитах возникает при быстром изменении тока (характерном для магнитов CS и PF) и от нейтронного излучения реактора.
Сверхпроводящий кабель тороидальной катушки ИТЭР. Спираль внутри и видимые пустоты между стрендами — для жидкого гелия.
Тепловая мощность, которую выдают охлажденные магниты в работе равна 110 киловаттам, и это означает, что мощность холодильника для них должна быть не менее 55 мегаватт. Однако команда ИТЭР для снижения мощности и стоимости криокомбината, где и расположены холодильники, использует тот факт, что ИТЭР будет работать в импульсном режиме — один “выстрел” длительностью до 700 секунд раз в полчаса.
Магниты — основной потребитель холода. Схема расположения вводов гелия и тока в магниты.
Среднюю отбираемую тепловую мощность таким образом сократили до 65 киловатт на уровне 4,5К, а расплачиваться за это приходится организацией емкостей с жидким гелием, которые воспринимают пиковую нагрузку. Отдельные группы потребителей жидкого гелия — криосорбционные и криоконденсационные вакуумные насосы, магниты гиротронов, есть потребители холода при температуре 50 Келвинов (сверхпроводящие вводы), 80К — криоэкраны.
Еще один важный потребитель — криопомпы (зеленое на нижней панели).
Криокомбинат, который снабжает всю систему хладагентами, расположен в отдельном строении. Он разделен на мощности по производству жидкого азота, в который в свою очередь сбрасывает лишнее тепло цех производства жидкого гелия. В целом и гелиевые и азотные установки работают по одинаковому принципу — компрессор сжимает газ, от чего он нагревается, лишнее тепло с газа сбрасывается в внешний контур, после чего он подается на турбодетандер, где расширяется и охлаждается.
Гелиевый турбодетандер производства «Гелиймаш». В ожижителях гелия криокомбината ИТЭР будут стоять примерно такие же.
Поток газа от компрессора к турбодетандеру и обратно запихивается в еще один встречный теплообменник, что позволяет постепенно снизить температуру газа на выходе из турбодетандера до конденсационный. При этом турбодетандеры и теплообменники расположены в специальных вакуумированных “холодных объемах” (или coldbox на английском). Тепловая мощность азотного цеха — 1,3 мегаватта тепла, что соответствует ожижению ~5 килограмм азота в секунду. Мощность гелиевого — всего 65 киловатт, и это мощнейшая система в мире. Она будет обеспечиваться 3 параллельно работающими установками, каждая из которых включает 6 компрессоров и 2 турбодетандера.
Упрощенная схема криокомбината.
Холодные объемы линий ожижения гелия имеют размер 4х22 метра — больше железнодорожной цистерны!
Один из трех холодных объемов, в котором собрана установка для получения жидкого гелия.
Подготовленные криогенные жидкости и газы передаются в здание токамака по специальным линиям, разумеется устроенным довольно хитрым образом (если вы в проекте ИТЭР что-то сделаете просто — вас выгонят за профнепригодность). Это вакуумированная труба, диаметром до 1 метра где протянуты линии с гелием разнообразных температур и фаз — сверхкритических гелий при температуре 4.5 К, газообразный возвратный при 5.3, газ при 50, 80К, возврат при 300К,
Макетные сборки криолиний на индийском производстве.
Но к сожалению, на этом сложности еще не заканчиваются. Потребители холода — разнообразные элементы ИТЭР требуют сложного контроля температуры, давления и расхода хладагентов. Для этого внутри здания токамака расположено порядка 50 холодных клапанных ящиков, занимающихся смешиванием, разделением, перенаправлением потоков криожидкостей и газов. Кроме того, 5 больших вспомогательных холодных объемов ACB, по одному на каждую большую систему магнитов и криопомп, будут включать в себя криогенные насосы, теплообменники и буферные емкости с жидким гелием.
Упрощенная схема системы распределения хладагентов в здании токамака.
И полная одного из ACB!
Еще одной подсистемой в этой паутине являются линии сброса кипящего гелия, которые нужны в случае потери каким-нибудь из магнитов сверхпроводимости. Однако магнитная и криогенные системы ИТЭР спроектированных таким образом, что бы восстанавливать работоспособность токамака после такого сброса всего за пару часов.
Проектное изображение ACB.
Интересно представить, как это все должно работать. После запуска криокомбината захолаживаются криолинии и холодные ящики, производится откачка криостата до давления 10 Па. Криосорбционные помпы заполняются жидким гелием и доводят давление в криостате до рабочих 10^-4 Па. После чего начинается неторопливое охлаждение магнитов до 80К темпом 0,5К в час. После того, как магниты остынут на 100 градусов, начинается захолаживание тепловых экранов (такая последовательность нужна для того, что бы не допустить конденсацию воздуха и воды на криоэкранах). Через 2,5 недели вся система приходит к температуре жидкого азота, которая является базовой для среднесрочных остановок ИТЭР на обслуживание. При этом работает ? гелиевого комбината и ? азотного. Дальнейшее охлаждение до 4,5 К занимает неделю, после чего можно заряжать магниты и начинать плазменные операции. При этом сама работа токамака будет происходить по 16 часов в сутки, во время которых будет делаться до 40 “выстрелов” и 8 часового восстановления вакуумной и криосистемы, во время которого будет производиться полная регенрация криосорбционных помп от натекшего воздуха и влаги, и пополнение запасов жидкого гелия в емкостях ACB.
Тепловые нагрузки от различных элементов и операций.
На сегодняшний день полностью завершена разработка проекта всей криосистемы, закончены исследовательские работы, розданы контракты (основную их часть получила французкая Air Liquide) и даже начато изготовление оборудования — например в июле Sumitomo Precision Products передала Air Liquide 2 первых (из 6) теплообменника на 80К, обеспечивающих ожижение азота, а в начале года были изготовлены оболочки тех самых грандиозных холодных объемов жидкогелиевых установок.
Сборка одной из трех установок ожижения гелия. Белый циллиндр — холодный вакуумный объем.
В свою очередь на площадке ИТЭР в июне этого года стартовало строительство зданий №51,52, где расположится оборудование криокомбината, оно продлится до лета 2017 года. В Индии изготавливается макет сегмента линий распределения хладагентов и разнообразных холодных ящиков, и уже в следующем году первые элементы криолиний начнут поступать на площадку.
Комментарии (36)
grozaman
16.08.2015 14:35Я ведь правильно понимаю, что достаточно один раз построить работающий реактор, чтобы начать практически новую эру, улучшая следующие модели, используя предыдущие как дебаг-версии? После ITER вроде планируют строить DEMO, который по своему названию будет призван показать коммерческую выгоду.
tnenergy
16.08.2015 14:40+1>Я ведь правильно понимаю, что достаточно один раз построить работающий реактор, чтобы начать практически новую эру, улучшая следующие модели, используя предыдущие как дебаг-версии?
Вроде того. Есть еще несколько довольно принципиальных инженерных и физических вопросов, которые должен решить ИТЭР. И материаловедение должно быть закрыто IFMIF. DEMO чем-то должен быть даже проще ИТЭР.
Проблема в основном пока в экономике — такая сложность реактора может окупаться, если только он будет очень большой, например 10 гигаватт. Экономика — одна из причин того, что термоядерная энергетика топчется на месте уже 20-30 лет.
senia
16.08.2015 15:12Раз уж речь зашла про выработку энергии: есть уже реалистичные идеи как снимать энергию с токамака в таких количествах?
Единственное, что я могу вспомнить — производство топлива для «классических» реакторов.tnenergy
16.08.2015 15:20Пар, турбины — более чем реалистично. Вот с ИТЭР будут снимать до 1000 мегаватт тепла водой с температурой до 270С — была бы задача турбину крутить, энергетики в миг бы сбацали ее.
Mad__Max
16.08.2015 21:32270С для энергетики маловато. Турбина конечно будет работать, но с низкой эффективностью.
Ее можно поднять и такая температура выбрана по причине, что никакого практического применения у снимаемого тепла нет и без разницы как его сбрасывать, поэтому ограничились меньшими температурами (и соответственно давлениями)? Или же поднимать нельзя, т.к. это приведет к недопустимому перегреву тех элементов, которые она охлаждает?tnenergy
16.08.2015 21:44+2>270С для энергетики маловато. Турбина конечно будет работать, но с низкой эффективностью.
Безусловно так, да.
>Ее можно поднять и такая температура выбрана по причине, что никакого практического применения у снимаемого тепла нет и без разницы как его сбрасывать, поэтому ограничились меньшими температурами (и соответственно давлениями)? Или же поднимать нельзя, т.к. это приведет к недопустимому перегреву тех элементов, которые она охлаждает?
Думаю, тут масса факторов, в т.ч. раз уж мы про кпд не думаем, то обеспечить условиях охлаждения покомфортнее. В энергетических реакторах думают о точке съема в 500-600С, разумеется уже гелием, или сверхкритической водой.
evtomax
16.08.2015 23:55А если не успеем до того момента, как добыча традиционных источников энергии существенно усложнится? Я думаю, что тут весь мир должен быть очень заинтересован и инвестировать столько, сколько нужно.
tnenergy
17.08.2015 00:50Ну, я думаю, что циничная логика заключается в том, что 50 лет у нас еще видимо есть, и хочется какую-то альтернативу токамакам попроще и подешевле. Она может быть и на поле термоядерных установок, и ядерным реактором, а скорее всего — чем-то из области возобновляемых источников. Т.е. токамаки двигают вперед минимальным темпом, что бы не потерять наработки и людей.
qbertych
16.08.2015 15:06линии сброса кипящего гелия, которые нужны в случае потери каким-нибудь из магнитов сверхпроводимости.
Это очень радует. Помнится подобная авария остановила LHC почти на год. Но появляется вопрос: неужели закипание гелия вполне нормально для этой системы и не является признаком серьезных проблем? Типа «закипел — подождали немного и дальше работать»?
Кстати, давление в Паскалях — это что-то типа соглашения между разработчиками? Немного удивило, потому что для маломощного вакуума чаще встречаются миллибары.tnenergy
16.08.2015 15:18+2>Это очень радует. Помнится подобная авария остановила LHC почти на год.
Это две разных стороны одной проблемы. У них не сработала пассивная система сброса энергии магнитов, если мне память не изменяет. Кипящий гелий на этом фоне — не большая проблема, основное — это возникающие пробои изоляции, дуги и т.п. — напряжение на бывших сверхпроводниковых магнитах нагоняется до единиц-десятков киловольт.
>Но появляется вопрос: неужели закипание гелия вполне нормально для этой системы и не является признаком серьезных проблем? Типа «закипел — подождали немного и дальше работать»?
Нет, не так. При потери сверхпроводимости надо за несколько десятков секунд сбросить энергию на резисторы. В ИТЭР этой задачей занимается довольно монструозная система, детекторов квенча, из переключателей, резисторов. При этом магниты не нагреются больше чем до 50К, что хорошо.
>Кстати, давление в Паскалях — это что-то типа соглашения между разработчиками?
Это общепринятый в мире постепенный переход на единицы СИ.
qbertych
16.08.2015 15:38Резисторная сборка впечатляет!
А про закипание я так и не понял, нормально это или нет. В нормальном режиме омического нагрева нет. Значит, закипание говорит о проблемах с криогеникой или вакуумом. Быстро снять мощность с катушек — это само собой, но ведь после этого надо найти то, что вызвало закипание и исправить это. Или там могут быть какие-то штатные причины?tnenergy
16.08.2015 16:14+1>Или там могут быть какие-то штатные причины?
Насколько я знаю, сверхпроводник может потерять сверхпроводимость от косого взгляда. Это рассматривается как штатное поведение. Т.е. это не неисправность, а именно свойство такой системы — иногда спонтанно терять сверхпроводимость. Она теряется в очень небольшом объеме, он тут же начинает греться и распространять вокруг нормальное состояние. Через минуту вся катушка нормальная, за это время надо с нее снять ток. Энерговыделение внутри нее будет, но не очень большим. Более того, для ВТСП это поведение еще более неприятное, и методы обнаружения-ликвидации квенчей там еще более навороченные.
>В нормальном режиме омического нагрева нет.
Кстати есть — см предпоследнюю картинку. Первый две строчки — это тепловыделение прям внутри сверхпроводника.
Al_Azif
16.08.2015 20:21Со сверхпроводниками очень много проблем, когда их начинают укладывать в обмотки — локальное повышение, флуктуация температуры где-то в одной точке одного витка вызывает цепную реакцию — разогрев и практически взрыв из-за плотной укладки.
Лет 10 назад была научно-популяторная статья о проблемах сверхпроводников.
jar_ohty
16.08.2015 20:39+2В свое время мне пришлось воочию наблюдать, что осталось от небольшого сверхпроводящего магнита (от ЯМР-спектрометра) после того, как он случайно перестал быть сверхпроводящим. Его просто разворотило, а остатки обмотки оказались рассеяны по всей комнате.
qbertych
16.08.2015 20:47Да, это страшный сон криогенщика. Страшнее термоса с азотом и закрученной крышкой.
Al_Azif
16.08.2015 20:47Интересно, насколько проще/сложнее было бы построить такую систему на орбите, скажем, какого-нибудь Нептуна?
Стоимость и сроки доставки материалов опустим, предположим что уже научились харвестить ресурсы из астероидов и переплавлять на нужные полимеры.
Интересуют именно недостатки/преимущества космической схемы. Что там с охлаждением/теплорассеиванием в вакууме и собственно сам вакуум?tnenergy
16.08.2015 21:48+2Похоже, пора уже собирать какой-то FAQ, я уже отвечал. Станет хуже, потому что от космического вакуума мало пользы (только теплоизоляция), а вот проблем со сбросом тепла добавиться значительно. Я в свое время перебирал основные проблемные места токамаков — ничего кроме теплоизоляции между элементами реактора из плюсов не нашел.
IonDen
16.08.2015 21:51+2Так в вакууме охлаждать то сложнее всего: habrahabr.ru/company/dauria/blog/234121
AlexanderG
09.09.2015 15:39+1Но появляется вопрос: неужели закипание гелия вполне нормально для этой системы и не является признаком серьезных проблем?
Точно такая же ситуация, как и с элементами системы локализации аварии на атомных электростанциях. Например, на РБМК-1000 имеется бассейн-барботер, в которой должен сбрасываться перегретый пар из контура при авариях и охлаждаться спринклерной системой. Понятно, что такое событие крайне маловероятно и барботер в нормальной эксплуатации практически не используется, однако система существует. И логика его работы тоже очень похожа: закипел контур — сбросили в ББ — откачали воду — работаем.
kumbr_87
16.08.2015 16:25Расход гелия 100 кубометров в секунду? о_О
tnenergy
16.08.2015 16:297.9 кг в секунду при температуре 4.5К и 50К. — порядка 44 нормальных кубометров + какой-то расход в тепловые экраны. А где цифра 100 кубов?
a5b
16.08.2015 18:13Вот 100 кубов в секунду: криопомпы «Torus cryo-pumping ~100 m^3/s pumping speed»
habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/ecd/850/5d9/ecd8505d9ea408c3a8f123bc5eaed486.png
Указана производительность для всех газов:
staff.polito.it/roberto.zanino/sub1/teach_files/current_topics/lect_day.pdf «ITER Torus cryopump, With integrated valve… S=100 m?/s (all gases)»
Соседние криопомпы еще мощнее:
www-pub.iaea.org/mtcd/meetings/pdfplus/fusion-20-preprints/IT_P3-17.pdf
«The task of the NBI cryopumps is to maintain low pressure in the injector outside the ion source and the neutralizer, see FIG. 6. The required integral pumping speeds are 3800 m?/s for H2, and 2600 m?/s for D2, respectively.»tnenergy
16.08.2015 19:00+2А, ну это 100 м^3 при очень низком давлении — 1 Па. Т.е. это соответствует литру в секунду при атмосферном давлении.
nagimov
17.08.2015 01:38+2«Холодные ящики», «холодные объемы»… :) По-русски эти «ящики» называются ожижителями (рефрижераторами), аналогичного руского жаргонизма в криогенной технике, увы, нет :)
А по существу — рассказ видится мне слишком сумбурным. Текста и картинок много (очень), последовательность повествования немного странновата. Почему бы не рассказать последовательно про требования 4К холода (см. фазовую диаграмму ниобия), методы его получения (пару слов про строение ожижителей), типов теплоизоляции (вакуум, промежуточные защитные шилды) и возникающие инженерные challenges…
Air Liquide публиковал множество докладов о криоплантах, как гелиевых так и азотных… Все немного в кучу и такой интересный аспект ITER как криогеника получился хуже чем все остальное. Читаю вас с удовольствием, но криогеникой вы меня огорчили :P
Насколько я знаю криогенмаш с криоплантами ITER не связан никак, что-то изменилось в контракте с Air Liquide?tnenergy
17.08.2015 09:31>По-русски эти «ящики» называются ожижителями (рефрижераторами), аналогичного руского жаргонизма в криогенной технике, увы, нет :)
Что и coldbox с управляющими клапанами (который ACB) будет ожижителем? Да и тот факт, что в ожижителе расположен еще ожижитель — нонсенс :). Я видел два варианта перевода — «холодный объем» и «криососуд»,
>А по существу — рассказ видится мне слишком сумбурным.
Вполне вероятно. Тема не моя, времени у меня сейчас очень мало. Начинал я с того, что по полгода собирал информацию, а здесь — всего месяц.
>Почему бы не рассказать последовательно про требования 4К холода (см. фазовую диаграмму ниобия)
Это лишнее. Начнем с того, что 4.5К выбрано криогенниками по соображением — с каким гелием им удобнее работать, и где оптимум по мощности холодильников. Такие вещи нельзя рассказать в одной фразе, как я сейчас — надо углубляться, а на это нет времени.
>Все немного в кучу и такой интересный аспект ITER как криогеника получился хуже чем все остальное.
Ну, дальше темы будут интереснее для меня и получатся, я надеюсь, лучше. Например робототехническая подсистема ИТЭР.
>Насколько я знаю криогенмаш с криоплантами ITER не связан никак, что-то изменилось в контракте с Air Liquide?
Вроде в тексте про криогенмаш ничего нет… Не в курсе про этот кусок работы, знаю только, что он PPTF делает, но к криоплантам это отношения не имеет.
macik_spb
19.08.2015 15:37Забавно, конечно… Двигать вперед проект не спешат, денег давать тоже. Хотя стоимость проекта ITER в несколько раз ниже чем, например, разработка проекта бомбардировщиков B-2 (и это не считая стоимости произведенных машин).
man_without_face
20.09.2015 16:49Поясните не понимающему, зачем этот завод? Чего он делает?
tnenergy
20.09.2015 17:03Он будет производить необходимое количество жидкого гелия/азота, которое будет охлаждать части токамака нуждающиеся в криогенных температурах: сверхпроводящие магниты, криосорбционные вакуумные насосы, и защищающие их от перегрева тепловые экраны.
man_without_face
20.09.2015 20:44Простите, всё равно не понял. Скажите просто, это для науки, как коллайдер? Или для чего-то другого?
Halt
Спасибо за интересный рассказ!
Забавно, что для достижения самых высоких температур, приходится использовать самые низкие.