ИТЭР в 2016 году03.01.2017 19:07

Проект

Если 2015 год для проекта международного термоядерного реактора ITER был полон драматизма и борьбы за спасение проекта, то про 2016 на его фоне сказать особо и нечего. Строительство 39 зданий и сооружений ИТЭР, по сути, стартовало именно в 2015 и продолжилось хорошим темпом в 2016. Расширяется производство компонентов будущего реактора. Отгремели баталии в парламентах Европы и США по поводу утверждения финансирования на 2017 год — помог именно заметный прогресс в управлении проектом в 2015. Все идет по плану.

Однако, даже на обзорном уровне, в 2016 году произошло несколько важных событий, которые стоит упомянуть.

Во-первых в 2016 году утвержден подробный план сооружения ИТЭР, закрепивший невеселые новости по эпохальным датам проекта. Сборка реактора должна быть закончена в декабре 2024 года, первая плазма — в декабре 2025. Затем последует аж десятилетний набор возможностей реактора — будут добавляться системы нагрева плазмы, научное оборудование, топливная система, а главное — система обращения с тритием и будет проведено ядерное лицензирование объекта. И только в 2035(!) мы увидим дейтерий-тритиевое горение с мощностью примерно 100 мегаватт, а в 2037 — полноразмерные запуски (500 мегаватт, до 400 секунд). У потенциальных конкурентов ИТЭР с точки зрения энергетики явно есть хорошая временная фора.

Вторым важным событием в жизни управленцев ИТЭР стало подписание контракта на управлением сборкой ИТЭР летом 2016 года. Постепенно проект сдвигается от уже надоевшего строительства к монтажу оборудования — сначала поддерживающих систем (электропитание, криоснабжение, водяное охлаждение, промышленные газы, системы нагрева плазмы и т.п.), а с 3 квартала 2019 года и самого реактора (интересно, кстати, что монтаж реактора в шахте будет проходить в условиях «чистой комнаты»).

Не менее важное следствие «перезапуска» ИТЭР стало присоединение к проекту Австралии и Ирана. Пока условия их участия не ясны —, но скорее всего это будет взнос «кэшем» взамен на допуск к внутренней информации о проекте. Такой вариант несколько снимет остроту вновь возросшей стоимости (сейчас официальная стоимость проекта — 22 миллиарда евро).

Однако, спустимся с глобального уровня обозрения к деталям: здесь можно отметить немало интересностей и локальных побед.

Строительство

Начаты 3 важных комплекса зданий — два здания магнитных конверторов и комплекс сброса избыточного тепла на 1 гигаватт с вентиляторными градирнями.

Проектное изображение системы сброса тепла ИТЭР с пиковой мощностью в 1150 МВт.

Комплекс зданий токамака — полность закончен нижний подвальный этаж «B2» и на 90% этаж «B2, начато сооружение первого наземного этажа L1 (то что у строителей называется ground breaking). Впервые за 6 лет истории строительства ИТЭР достигнут проектный темп строительства, и появляется надежда, что в 2 квартале 2019 году комплекс зданий токамака будет сдан под монтаж собственно реактора. Самое интересное, что стройка здания токамака, очень долго телепавшаяся где-то на уровне фундамента, вот-вот преодалеет экватор —, а здание диагностики уже его прошло.

Первый сданный этаж здания ИТЭР. На этом месте через прямоугольные окна спереди будут идти криофидеры магнитной системы ИТЭР.

Смонтирована высоковольтная часть систем питания постоянных и импульсных нагрузок, в январе 2017 года ожидается постановка под высокое напряжение. Это довольно важный объект — в 2018 году начнется пусконаладка криокомплекса и вентиляторных градирен — этих потребителей уже не запитать по временной схеме от двух 15 киловольтных линий, что используются стройкой сейчас, поэтому нужна штатная система постоянных нагрузок, мощностью 110 мегаватт.

Закончено первое здание (B61) на площадке ИТЭР — до этого все сдаваемые сооружения находились за формальным периметром. Это вспомогательное здание — здесь будут базироваться компрессоры и баллоны для разных газов, водоочистка и одно из многочисленных устройств распределения электропитания — в общем сугубо вспомогательный цех.

Практически сдано под установку оборудования здание предварительной сборки с шлюзом для очистки компонент. Это гигантский ангар (50×80 метров в плане и 60 метров высотой), где в условиях чистой комнаты будут укрупнятся элементы токамака. Кроме сдачи собственно здания, в 2016 была выполнена установка 4 мостовых кранов — 2×750 тонн и 2×50 тонн, а в 2017 ожидается установка систем вентиляции, дверей и монтаж двух гигантских стендов сборки сегментов реактора.

Процесс установки кранов в здании предварительной сборки в декабре 2016 года. Дальняя стенка — временная, когда здание токамака будет достроено ее разберут и обеспечат путь для собираемых компонентов до шахты реактора.

Установка первых единиц оборудования в здании трития комплекса заданий токамака — баки для хранения воды с тритием и баки аварийного слива.

Здание предварительной сборки (по центру, на заднем плане), первый надземный этаж здания диагностики (левее) на фоне заливки фундамента одного из двух зданий магнитных конверторов.

Наступивший 2017 год должен стать вершиной строительной активности проекта — дальше масштаб строительства будет постепенно падать, а вот усилия по монтажу и пусконаладке должны выйти на первое место. В частности нас ждет сдача зданий систем радиочастотного нагрева, криокомбината, подведение под крышу здания диагностик плазмы, возведение двух зданий магнитных конверторов.

Производство компонентов

В преддверии к переходу к монтажной части проекта производство компонентов ИТЭР продолжает набирать темп. Если уникальные компоненты термоядерного реактора типа его вакуумной камеры или гиротронов пока еще в основном находятся на заводах, то более стандартные промышленные изделия вроде трансформаторов или трубопроводов массово поступают на площадку, где уже начинает заканчиваться 16000 квадратных метров складов промышленных компонентов. Из всех этих изделий хочется отметить:

Элементы трубопроводов: здание ИТЭР будет настоящим царством труб, относящихся как минимум к 5 системам: вакуума, криогенных жидкостей, технических газов, водяного охлаждения, трития.
Массу разнообразного оборудования для второй в мире по производительности криосистемы, компрессоры, емкостное оборудование, ректификационные колоны, газгольдеры и т.п. Под конец года, например, на площадку прибыли 3 гелиевых ожижителя в вакуумных сосудах — сборки размером 4,5×22 метров и весом по 120 тонн.

Гелиевые компрессоры криокомбината ИТЭР на заводе-изготовителе.

Токопроводы для магнитной системы ИТЭР. Изолированные алюминиевые шины сечением 200×300 мм для токов до 70 кА поставляются Россией — в декабре была произведена очередная отгрузка на 70 тонн изделий (всего будет поставлено до 2020 года порядка 500 тонн).

Электротехническое оборудование, связанное с системой питания постоянных нагрузок ИТЭР — трансформаторы, распределительные устройства и выключатели на 22 и 0.4 кВ. Напомню, что общая мощность постоянных нагрузок составит 114 мегаватт, в основном это система водяного охлаждения (~60 МВт) и криокомбинат (~32 МВт).
Отдельно по компонентам реактора я бы хотел выделить событие, произошедшее 8 сентября. В этот день началась сварка основания криостата — гигантской вакуумной камеры диаметром 30 и высотой 30 метров, в которой будет расположен весь токамак и его магниты. Основание криостата — деталь весом 1250 тонн диаметром 30 и высотой 5 метров сваривается из 18 деталей поменьше на площадке ИТЭР в специально построенном в 2014 году цеху, в 200 метрах от шахты реактора.

30-метровая рама для основания криостата, 19-метровое днище и сварщик (да, он есть на этой фотографии).

Одной из самых сложных технологически тем проекта является изготовление вакуумной камеры, где собственно будет идти плазменный разряд. Напомню, что камера высотой 12 и диаметром 15 метров будет свариваться прямо в шахте реактора из 9 секторов, каждый по 350 тонн весом. Основная сложность состоит в том, что это изделия со двойными стенками их нержавеющей стали толщиной до 60 мм, при своем размере и весе должны собраться в конструкцию с допуском около 1 мм, Сектора изготавливаются в Корее на предприятии Hyundai Heavy Industries и в Италии на предприятии Walter Tosto. В 2016 году принято решение о перераспределении 2 последних секторов от сильно выбивающихся из графика европейцев корейцам, а также о передаче части задач по изготовлению от итальянцев испанской фирме Ensa. По графику первый сектор должен быть собран в Корее в конце следующего года.

А это ¼ часть сектора, который должна сдать Корея в следующем году. Кроме головоломной геометрии, толстых стенок вакуумная камера технологически неприятная наличием тысяч креплений, которые необходимо наварить изнутри на ее поверхность.

В 2016 году по теме вакуумной камеры также были продемонстрированы роботизированные сварочные головки, с помощью которых будет осуществляться замыкание секторов в камеру в шахте реактора.

Еще один важный элемент, связанный с вакуумной камерой — стенды предварительной сборки, где сегмент вакуумной камеры будет одеваться в тепловые криоэкраны и затем на него будут устанавливаться две катушки тороидального поля (каждая весом около 320 тонн). Стенд обладает подвижными площадками (с 6 степенями свободы) для правильной выставки экранов и катушек относительно сегмента, и представляет собой очень немаленькую конструкцию высотой 22 метра и весом 800 тонн. Эти стенды изготавливаются в Корее и весной 2017 года прибудут в Кадараш для монтажа в здании предварительной сборки.

Одна из опорных колон стенда сборки.

Кстати, тепловые криоэкраны, служащие для блокирования теплового излучения от вакуумной камеры и здания на сверхпроводящие магниты токамака тоже активно изготавливались в 2016 году в Корее. В целом они представляют из себя сложные, обтекающие геометрию магнитов, конструкции из посеребренной нержавеющей стали толщиной 20 мм с наваренными на нее трубками для подачи охлаждающего гелия при температуре 80К.

Тепловой экран в процессе наварки трубок теплоносителя.

Необходимо вспомнить и о нейтронной защите, которая устанавливается между стенок вакуумной камеры. Это наборные стальные блоки, изготовленные из борированной стали. Ее общая масса составит 1400 тонн, и она будет набрана из ~9000 элементов. В 2016 году индия изготовила уже порядка 40% защиты, которая отправляется в Корею и Европу для интеграции в изготавливаемые сегменты.

Блоки стальной нейтронной защиты на индийском заводе. Снизу справа пример собранного элемента, как они будут выглядеть внутри двойной стенки вакуумной камеры

Из трех систем нагрева плазмы ИТЭР в 2016 году наибольшего прогресса добились разработчики системы электронно-циклотронного резонансного нагрева, что и неудивительно, т.к. по плану это будет единственная установленная к первому запуску в 2025 году система нагрева. В настоящий момент два из трех (Toshiba и АО «Гиком») производителей гиротронов прошли полномасштабные квалификационные тесты и перешли к изготовлению серийных 1-мегаваттных гиротронов, первые из которых могут быть поставлены на площадку в 2017 году.
В отличии от ЭЦРН, которую изготавливают сразу 3 участника ИТЭР (Евросоюз, Россия, Япония), ионно-циклотронная радиочастотная система нагрева ИЦРН целиком отдана Индии. В 2016 году индусы получили на стенде нужные мощностные характеристики для прототипа одного из 8 модулей усилителей — напомню, что это 2,5 мегаватта радиочастотной мощности на диапазоне частот 40–55 МГц и широком диапазоне КСВ нагрузок. Индийские подрядчики расчитывают уже в 2018 году начать производство серийных модулей, а в 2020–2021 начать и из установку на площадке (хотя на первую плазму ИЦРН не планируется к применению).

Тестовый стенд включает в себя источники питания, 3 каскада ламповых усилителей с выходной мощностью в 1,8 мегаватта, систему контроля, охлаждения, нагрузку с настраиваемым КСВ и многое другое.

Наконец, третья, самая высокотехнологичная и мощная система нагрева — инжектор нейтрального луча, пока довольно далека от реализации. В 2016 году шла сборка стенда источника тока SPIDER в специально построенной в итальянской Падуе лаборатории NBTF. Кроме того собиралась и высоковольтная система питания будущего стенда MITICA. После запуска и испытания SPIDER последует строительство полноразмерного модуля инжектора нейтрального луча ИТЭР под названием MITICA. И лишь после испытаний MITICA Европа приступит к строительству двух инжекторов непосредственно на ИТЭР — произойдет это скорее всего не раньше 2025 года.

Вакуумный сосуд стенда SPIDER, где с 2017 года будет проходить испытание 40-амперного источника отрицательных ионов водорода

Наконец, стоит сказать о прогрессе в производстве магнитной системы проекта. Напомню, что сверхпроводящие магниты ИТЭР по объему использованного сверхпроводника сопоставимы с многолетним общемировым его производством, поэтому для изготовления в общей сложности 43 магнитов 11 типов потребовалось создать значительный кусок новой индустрии, включающую в себя ~15 новых заводов и цехов в 7 странах мира. Проект ИТЭР, как серьезное и масштабное мероприятие, фактически, начался с решения задачи производства магнитной системы, и сегодня она постепенно подходит к успешному финишу. Напомню, что в 2009–2016 году был произведен весь объем свехпроводящего провода (примерно по 600 тонн NbTi и Nb3Sn), в 2010–2017 будет изготовлен весь объем сверхпроводящего кабеля (на сегодня осталось выполнить буквально несколько процентов этой задачи) и усилия сегодня сосредоточены на изготовлении элементов магнитов и сборки их в «летные» изделия.

Часть корпуса тороидальной катушки ИТЭР. 19 корпусов должны быть изготавлены в Японии до 2021 года.

Так, в США после годичной квалификации производства начато изготовление катушек центрального соленоида ИТЭР, а также изготовление механических элементов этого магнита — например 15 метровых натяжных планок, которые должны будут удерживать форму ЦС от деформации силам Лоренца (напомню, что взаимные магнитные силы в ИТЭР будут достигать десятков тысяч тонн силы).

Мехобработка опытной натяжной планки центрального соленоида. 24 таких планки окружат магнит диаметром 4 и высотой 15 метров.

В Европе успешно завершено изготовление первого намоточного пакета (сверхпроводящей обмотки, помещаемой в прочный стальной корпус) тороидальной катушки. В следующем году должна начаться интеграция в корпус, которые производит Япония. В самой Японии, выполняющей часть работы по тороидальным катушкам прогресс продвинулся еще дальше — началась сборка первой тороидальной катушки, которая должна быть поставлена на площадку в 2018 году.

Намоточный пакет катушки тороидального поля — 134 витка кабеля с током 68 кА. В последствии он должен быть установлен внутрь японского корпуса, изображенного выше.

Кроме того, Европейцы в 2016 году собрали и квалифицировали в здании сборки полоидальных катушек в 300 метров от ИТЭР производственную линию по намотке полоидальных магнитов (это кольцевые магниты диаметром 19 и 25 метров, которые невозможно перевозить, поэтому изготавливать их приходится прямо рядом с токамаком). В 2017 году должно начаться изготовление важной катушки PF5 — важной потому что это одно из первых устанавливаемых изделий, и поставка его в срок (не позже 3 квартала 2019 года) определяет сроки всего проекта.

Намоточная линия полоидальных катушек PF5 и PF2. После изготовления компонентов катушек она будет переделана на бОльший диаметр для изготовления PF3 и PF4.

Однако самыми первыми устанавливаемыми магнитами станет PF6 и шесть корректирующих магнитов, изготавливаемых в Китае. Производство этой части магнитной системы разворачивалось в Китае весь 2016 год, и в 2017 нас по плану ждет первая выпущенная штатная корректирующая катушка и начало изготовления PF6.

Одна из 6 нижних корректирующих катушек ИТЭР — 32 витка кабеля с током до 10 кА.

Наконец, в России в 2016 году были изготовлены первые две двойные галеты (из 8) магнита PF1 — характерно, что наш магнит, который будет поставлен последним в ходе сборки сейчас вырвался в лидирующие по прогрессу производства.

Намоточный стенд двойных галет магнита PF1 на территории Средне-Невского завода. Белое — это и есть сверхпроводящий кабель размером примерно 45×45 мм в стеклопластиковой электрической изоляции.

На этом, думаю, стоит завершить обзор производственных успехов ИТЭР, хотя еще осталось немало интересных новостей, например начало сборки первого полномасштабного криоабсорбционного вакуумного насоса. Главный вывод из обзора в том, что благодаря новому директору Бернару Биго ИТЭР преодалел кризис предыдущих годов, и пока неплохо прогрессирует, а задачи, которые строительство международного термоядерного реактора ставит перед промышленностью сегодня являются значительным источником технического прогресса во многих отраслях.

Из минусов же стоит отметить, что реальные сроки, которые определила команда Биго, являются весьма мрачными, и заставляют думать о более простых и маленьких альтернативах классическим токамакам (которые незамедлили появится в последние годы 1,2,3). Тем не менее, на мой взгляд, ИТЭР продолжает оставаться самым интересным инженерно-научным проектом в мире, предлагая немыслимое сплетение проблем и решений из самых разных областей инженерии. В ближайшие годы все больше этих «немыслимых решений» будут превращаться в железо и вставать на свое место в самой сложной машине в мире, ну, а я будут продолжать по мере своих сил следить за этим и рассказывать об этом в своем блоге.

P.S. Для сравнения Итоги 2014 и 2015 года для ИТЭР.