Проект ИТЭР в 2018 году06.01.2019 13:32

Проект

Прошедший год для Международного Экспериментального Термоядерного Реактора ИТЭР (о проекте) стал, для внешнего наблюдателя, наверное, одним из самых спокойных за все годы строительства (с 2009 года). Для меня же лично этот год был отмечен посещением площадки ИТЭР в сентябре 2018 года, поэтому этот ежегодный отчет будет разбавлен личными впечатлениями и фотографиями.

Три года назад у проекта официально сменился директор — им стал энергичный француз Бернар Биго. Осознавая сложное положение, в котором ИТЭР находился в момент начала его правления (нарастающее колоссальное отставание графика и перерасходы ставили вопрос о закрытии), Биго предпринял несколько важных управленческих решений, в том числе — создание «всеобъемлющего плана сооружения». Как известно, графики такого масштаба точно соблюдаются только в момент создания/обновления, и за 2 прошедших года можно констатировать, что 100% следования даже новому графику нет. Однако, ситуация явно лучше, чем было в период 2009–2015 годов, и отставание на сегодня составляет 6–9 месяцев, тем более, что появляются варианты «уплотнения» планов сборки реактора. Величина в пределах года не слишком критична для такого проекта, вопрос в основном — что будет с динамикой отставания дальше?

К сожалению, мне кажется — отставание будет нарастать. Одна из остающихся проблем — недофинансирование американцами своей части программы. Хотя масштаб этого недофинансирования в 2018 году был снижен вдвое, оно все равно остается и означает срывы поставок критичных элементов оборудования, которое оплачивает США. Так, например, система водяного охлаждения вакуумной камеры и дивертора была в итоге передана на разработку и производство от США к Евросоюзу в попытке сэкономить деньги и время. Но, очевидно, сроки этой системы все равно сползут.

Ситуация с американским финансированием хорошо отражает общую проблему — в наднациональном проекте сталкиваются национальные амбиции, помноженные на амбиции конкретных людей, занятых в проекте из-за чего усложняется работа инженеров разработчиков (и так технически предельно сложная).

Закрывая этот «социальный» момент я хочу лишь отметить, что человечество, чем дальше, тем больше будет сталкиваться с масштабными международными проектами и учиться их воплощать. Таким образом и негативный опыт ИТЭР и решения, которые позволяют этот негатив преодолеть ценны сами по себе. Например, если человечество серьезно возьмется за «аварийное» снижение выбросов СО2 — ИТЭР со своим «социальным» опытом тут может принести больше пользы, чем с энергетическим.

Однако, вернемся к проекту. 2018 год, сам по себе, в целом прошел в поступательном движении — было создано много нового оборудования термоядерной установки, заработали важные стенды, получены важные научные результаты. В 2019 году ожидается отметка »70% выполненных работ по строительству зданий». Давайте нырнем в детали.

Строительство и монтаж оборудования

Основная новость 2018 года — строительство пускового минимума практически закончено. Если еще в прошлом году я писал о новых готовых зданиях, то в 2018 году их не было, только достройка. Впрочем, впереди еще полный цикл строительства аж 4 объектов — здания управления комплексом, здания с резисторами сброса магнитной энергии и двух комплексов аварийных дизель-генераторов.

За 2018 год самое сложное сооружение — комплексное здание токамака подросло на десяток метров и практически достигло верха по бетонным конструкциям, над которыми, впрочем, еще предстоит возвести крышу из металлоконструкций. Формально, строителям остается примерно год, чтобы закончить бетон, возвести крышу, разобрать промежуточную стенку между зданием предварительной сборки и реакторной шахтой и, наконец, начать сборку реактора.

Прогресс в сооружении главного здания 2018 года — между синей и красной линией. Осталось совсем чуть-чуть.

Вид на бетонное опорное кольцо реактора в сентябре 2018, буквально через неделю после его завершения. Фотография совсем не передает ощущения масштаба, чуть лучше его можно понять из снятого мной коротенького видео

Впрочем, еще до окончания сооружения, на нижних этажах этого здания была выполнена финишная отделка — этаж B2 уже готов к монтажу многочисленных трубопроводов, кабельных лотков, опор и оборудования.

Нижний этаж B2 диагностического здания B74 готов под начало установки оборудования

В 2018 году также продолжалось насыщения здания токамака не извлекаемыми элементами — в частности, на свои места встали 5 гигантских дренажных баков системы водяного охлаждения токамака и сверхпроводящий фидер (вакуумированная труба с электрическими и гидравлическими коммуникациями) полоидального магнита №4.

Сегмент магнитного фидера

Дренажные баки и конденсаторы системы водяного охлаждения токамака. На фотографии не понятно, но это впечатляющие емкости высотой по 10 метров и диаметром почти в 5.

В здании предварительной сборки продолжается монтаж стендов сборки секторов реактора — дело это идет сильно медленнее, чем изначально планировалось. Эти стенды, действительно, не простые устройства — из задача состоит в стыковки трех 300+ тонных элементов сегмента реактора в единое целое, для чего они имеют массу мощных приводов, в т.ч. платформы с 6-осевым позиционированием тороидальных магнитов. Однако долгая возня навевает грустные мысли, что все не так хорошо, как задумано, с проектированием сборки ИТЭР.

Работа над первым стендом сборки идет уже больше года.

Криокомбинат ИТЭР в 2018 году прошел через грандиозную установку всего крупногабаритного оборудования — абсорционного генератора азота, газгольдеров, криогенных баков, криоректификационных колонн, как и менее заметного, но не менее серьезного оборудования внутри здания: компрессоров, турбодетандеров, теплообменников, систем очистки азота и гелия. Однако к осени активность в здании сильно упала. Проблема связана с тем, что подсистема вентиляции-кондиционирования здания сейчас в перепроектировании, а значит вести многие работы нельзя.

Бак для жидкого гелия объемом 125 кубометров — один из последних элементов крупногабаритного оборудования криокомбината.

6-мегаваттные компрессоры азота с теплообменной обвязкой

А это один из 18 компрессоров гелия мощностью в 2,5 мегаватта. Если приглядеться, то можно увидеть, что электродвигатель отстыкован, т.к. окончательный
монтаж будет после завершения всех трубопроводов.

Небольшой в рамках проекта, но интересный момент — начата установка дверей биозащиты — огромных стотонных конструкций, которые будут закрывать ячейки доступа к реактору и гасить остатки нейтронного и гамма-излучения.

Неплохо в 2018 году продвинулась электрика. Запущено здание распределительной подстанции постоянных нагрузок, через которое будут обеспечены ~110 мегаватт постоянно работающих устройств — насосов, вентиляторов, секций низкого напряжения и т.п.

Угол здания подстанции постоянных нагрузок. Схема предусматривает подключение через 4 трансформатора и распределение энергии на напряжении 22 киловольта. Внутри унылые ряды шкафов и, удивительно удачно — пусконаладка системы управления

На площадке продолжается сооружение дополнительной системы подземных галерей — плод очередной переработки проектов сетей электроснабжения и охлаждения оборудования. В 2019 году эта активность должна закончится, и площадка постепенно будет становится все красивее (впрочем, на мой взгляд, архитектура зданий и так уже отпадная).

Системы сброса тепла (мощностью в 1150 мегаватт) в 2018 году была закончена в строительной части — и хотя есть отставание от графика минимум на полгода, в 2020 году она, видимо, будет запущена.

Панорама строительства системы сброса тепла на весну и моделька того, что тут будет установлено. В целом систем состоит из 20 вентиляторных градирен, двух заглубленных буферных бассейнов для холодной и горячей воды и более 30 мощных насосов и теплообменников.

То же на конец года. Градирни уже собираются, но вот переплетение труб и оборудования еще собирать не начали.

Производство оборудования

Первым элементом, с которого начнется в 2020 году сборка токамака должно быть основание криостата, уложенное на опорное кольцо на дне шахты реактора. Постояв на этом кольце, могу отметить, что 30-метровый диаметр детали полностью стирает ощущение, что это машиностроительное изделие. В 2019 году основание криостата должно быть закончено в основной геометрии, однако, как мне кажется, наварка мелких элементов — креплений датчиков, тепловых экранов, кабелей и т.п. не позволит в 1 квартале 2020 года начать сборку реактора. Впрочем, за сдвиг этой даты конкурирует много других проблем.

На данный момент днище основания и опорное кольцо готовы и идет выставка и приварка промежуточной обечайки 5 метровой высоты

Мой кадр места сварки двух сегментов кольца. Здесь толщина достигает 200 мм, т.к. на этом кольце будут стоять опоры вакуумной камеры и тороидальных колец (по сути — весь реактор весом около 15000 тонн). В этом кольце еще предстоит насверлить множество немаленьких отверстий под крепежные болты — это можно будет делать после сварки всего основания и выверки геометрии.

На соседнем стапеле с основанием в 2018 была собрана вторая снизу «деталь» криостата — нижний цилиндр. В целом этот момент радует, сварка заняла примерно 1,5 года, и уложилась в срок.

Повторюсь, фотографии не способны передать масштаба этих деталей. Даже живьем и предварительным знанием размеров это не кажется машиностроительными изделиями.

Продолжается впечатляющий прогресс производства сверхпроводящих магнитов ИТЭР, не устаю повторять — самых грандиозных магнитов в истории человечества. Если 2017 год закончился готовностью первого намоточного пакета (т.е. сверхпроводящей части) и первого силового корпуса магнита тороидального поля, то к концу этого года был проведен криотест пакета и сборка в корпус катушки тороидального поля.

Полукорпус тороидального магнита.

В 2019 году на этом объединенном корпусе предстоит заварить все смыкания, заполнить пространство между пакетом и корпусом эпоксидной смолой, выполнить мехобработку корпуса в финальный размер и провести окончательные испытания — в конце 2019 года первая (из 18) катушка TF отправится на площадку для монтажа, что будет грандиозной победой.

В тоже время продолжается производство чуть более слабых и простых (но не менее грандиозных по размерам) катушек полоидального поля — PF6 в Китае (готовы все галеты, т.е. модули из которых она собирается, идет сборка всей конструкции), PF5 на площадке ИТЭР (намотаны уже 6 галет из 8), PF1 в России.

Макет в 1/8 будущей сверхпроводящей катушки PF5 сделанный из распиленной на части первой опытной галеты на фоне вакуумно-нагнетательной камеры для пропитки изоляции всей сборки. Справа виднеется криостенд для испытаний будущей катушки, которые пройдут чуть больше, чем через год.

В США продолжается создание самого большого магнита в мире — 1000 тонного центрального соленоида ИТЭР, который будет состоять из 6 модулей. В 2018 году было закончено создание и настройка последнего технологического поста производства (криостенда, где модули будут испытываться на герметичность и способность выдерживать рабочий ток), на нем был испытан медный макет, после чего его распилили и убедились, что все производство было выполнено правильно. Уже в 2019 году всю цепочку пройдет первый модуль, а всего в производстве находятся уже 5 из 6.

Распиленный макет модуля центрального соленоида. Более 400 витков сверхпроводящего кабеля с максимальным током в 55 килоампер в очень жесткой стальной рубашке разделены стекловолоконной электрической изоляцией, которая должна выдерживать до 15 киловольт без пробоя.

Магнитная система ИТЭР будет иметь сверхмощный силовой элемент из шести стеклопластиковых колец диаметром более 5 метров и сечением 350×350 мм, которые обеспечат необходимую жесткость магнитной системы против расталкивающих пондемоторных сил. Для тестирования колец в 2018 году был построен стенд, который может создать распирающее усилие в 36000 тонн.

Европа в 2018 году завершила создание прототипа крупнейшей криосорбционной помпы в мире — вакуумного насоса, который будет обеспечивать поддержание рабочего вакуума в тороидальной камере. Подписан договор на поставку этого одного из ключевых элементов токамака.

Испытания криосорбционной помпы в лаборатории. Вес устройства — 8 тонн, длина 4 метра, диаметр — 1700 мм.

Так же Европа (отвечающая за создание почти половины оборудования ИТЭР) изготовила в 2018 году прототип кассеты дивертора и одну из мишеней плазмы дивертора. Напомню, что дивертор отвечает за откачку плазмы для постоянной чистки от «термоядерного пепла» — лишнего гелия и загрязнений, которые хватает плазма со стенок.

Корпус кассеты дивертора. Внутри эта штука будет охлаждаться водой (она пустотелая), а сверху на нее будут крепится три мишени для прилетающей плазмы, набранные из блочков вольфрама, внутри которых проложены трубки охлаждения. Всего дивертор будет состоять из 54 таких кассет.

Одна из трех вольфрамовых мишений для плазмы, изготовленная в Европе во время тепловых испытаний в питерском НИИЭФА на стенде Цефей.

Вольфрамовые блочки диверторных поверхностей

Важным, как мне кажется, трендом 2018 года стало разворачивание производства множества мелких элементов ИТЭР — прежде всего измерительных датчиков: магнитного поля, токов, температур, потоков жидкого гелия.

На данном фото — датчик магнитного поля, предназначенный для установки в жестких условиях внутри вакуумной камеры (радиация, температура до 200 С, вакуум).

Китай в 2018 году изготовил первые опоры магнитов — наряду с тем, что это просто большие сложные изделия из нержавеющей стали, они еще и активно охлаждаемые и в целом требуют наличия довольно нетривиальной металлообработки. Кроме того в Китае заканчивается создание первого корректирующего сверхпроводящего магнита, одного из 18, необходимого для улучшения равномерности магнитного поля и уменьшения потерь тепла плазмой.

Корректировочный магнит опускается в свой силовой корпус

Опора тороидальной катушки, которую собирали выше. В работе верх этой опоры будет охлаждаться до ~30 K, а низ будет иметь почти комнатную температуру.

Металлообработкой занимается и Южная Корея в проекте, не сумевшая согласно планам в 2018 году завершить первый сектор вакуумной камеры, запредельно сложное изделие весом 300+ тонн, представляющее собой двухстеночный сосуд двойной кривизны со стенками в 20–60 мм. В настоящий момент изготовление вакуумной камеры явно лежит на «критическом пути», т.е. определяет сроки выполнения проекта.

Активно охлаждаемые тепловые экраны будут разделять горячую вакуумную камеру и холодные сверхпроводящие магниты. Благодаря вакууму и активному охлаждению гелием до ~90 К они снизят тепловую нагрузку на магниты в ~100 раз. На фото — первый собранные в Южной Корее сектор экранов.

А вот европейская небольшая часть будущей вакуумной камеры (это часть стенки, образующей внутренний циллиндр вокруг центральной дырки тора — один из 9 подобных сегментов)

В России, тем временем, в 2018 году успешно прошли испытания крутейших быстродействующих коммутаторов тока на 45 килоампер и 8 киловольт — они необходимы для создания скачков магнитного поля, нужных для запуска токамака. В ближайшие годы необходимо поставить на площадку несколько десятков таких блоков для монтажа на площадке ИТЭР.

Кроме того, продолжают производится и испытываться гиротроны — мегаваттные радиолампы, 8 штук которых должна поставить Россиия, и которые будут обеспечивать пробой и нагрев плазмы в токамаке. Интересно, что для обоих систем радиочастотного нагрева требуются высоковольтные мощные источники постоянного тока, и по ним в 2018 году тоже были успехи, например в Европе был успешно испытан набор источников для пары гиротронов.

Наконец, новость про лабораторию тестирования нейтральных пучков (NBTF) в Black… эээ, в итальянском городе Падуя. Нейтральные пучки дейтронов мощностью 30+ мегаватт — важнейшая подсистема нагрева плазмы и один из самых наукоемких узлов. В этом году в строй в лаборатории NBTF был введен стенд SPIDER, на котором должна пройти отработка создания долговременных пучков отрицательных ионов током до 40 ампер (это в ~4 раза превосходит текущий рекорд) необходимой геометрии.

Стенд SPIDER — вакуумная бочка в ближайшем конце которой установлен источник отрицательных ионов. С этой стороны видны в основном всякие электрические и гидравлические коммуникации.

С обратной стороны видны небольшие отверстия через которые будут электрически вытягиваться лучи отрицательных ионов.

В этом же здании сооружается следующий, еще больший стенд MITICA, где пучки будут не только создаваться, но и электростатически ускорятся до 1 МэВ, нейтрализоваться и очищаться от остаточных ионов — в общем все то, что требуется от инжектора нейтрального пучка ИТЭР, только без самого ИТЭР. В частности в 2018 году здесь сильно продвинулись в сооружении мегавольтного источника питания ускорительной системы и сделали заказ промышленности на внутренние кишочки MITICA.

Элементы ускорительной системы MITICA — справа сложный радиочастотный источник отрицательных ионов, а слева концептуально простые, но адские сложные в изготовлении ускоряющие сетки, каждая из которых отделена 200 киловольтным потенциалом от предыдущей.

Высоковольтная платформа источника отрицательных ионов MITICA, которая в работе будет находится на потенциале -1 мегавольт.

Заключение

Постоянно появляющиеся проблемы, скольжение сроков рамках ИТЭР, конечно, вызывают и легкое разочарование, и сомнения, однако, как мне кажется, это карма любого большого проекта, тем более настолько рекордного сразу во множестве областей. Главное же, что проект движется вперед, и движется неплохо, по большинству позиций оборудования выполняя его в срок и с нужными параметрами. Будем надеятся, что наметившиеся сложности с планированием работ и монтажом оборудования на площадке ИТЭР уйдут и дата первой плазмы в декабре 2025 будет не слишком сорвана. Ну, а я продолжу рассказывать о проекте и в частности в скором времени напишу подробный отчет о своей поездке на площадку.