ИТЭР: сверхпроводящие магниты, часть вторая.
Одной из важных проблем фундаментальной физики является так называемая “проблема точной подстройки”. Смысл ее в том числе, что поля, заключенные в материи, которым определяется весь окружающий нас мир (электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые ядерные) отличают между на десятки порядков по силе взаимодействия. Разброс параметров очень сильно озадачивает - ведь любое их изменение приведет к невозможности существания вселенной, которую мы знаем. Отвлеченную космологию очень хорошо иллюстрирует один момент из жизни термоядерных реакторов.
Я уже говорил о том при старте ИТЭР, в 850 кубических метрах (что сравнимо с объемом школьного спортзала) его вакуумной камеры будет находится всего 0,1 г дейтерий-тритиевой смеси, примерно соответствует (если заморозить) шарику диаметром 6-7 мм. Ни один прибор в мире не способен почувствовать гравитационное притяжение от этого шарика, и даже постановка такого вопроса вызывает недоумение. А вот его электромагнитные силы мы почувствовать вполне в состоянии.
На этой картинке ELM-нестабильности плазмы портят стенки сферического токамака MAST
Плазменный разряд токамака ИТЭР начинается с удара микроволновым излучением на частоте 140 гигагерц мощностью 3 мегаватта. Уже через несколько десятков миллисекунд это воздействие превращает практически весь газ в плазму, высвобождая заключенные в нем электромагнитные силы. Одновременно быстрое изменение поля в центральном соленоиде и полоидальных катушках перекачивает магнитную энергию этих катушек в плазму, создавая в ней ток мощностью ~10 мегаампер. Через несколько секунд после старта те самые 0,1 грамма плазмы, притяжение которых не могли бы зафиксировать ни одни самые чувствительные весы в мире, начинают взаимодействовать с магнитами ИТЭР общей силой в примерно 400 тысяч тонн. Именно такая общая нагрузка возникает в силовой схеме реактора. Еще раз - 0,1 грамма и 400 000 000 000 грамм. Именно разница этих цифр дает представление о разнице электромагнитных и гравитационных сил, заключенных о единице материи, а вопрос “почему так дохрена??” - один из ключевых в современной физике :)
Когда в предыдущей части рассказа о сверхпроводниковых магнитах я говорил о том, что электромагнитные усилия - важная составляющая при проектировании. Для сильнопольных магнитов TF и CS, эти усилия становятся абсолютно доминирующими при разработке. Тысячи тонн силы в каждом направлении изгибают, скручивают, тянут и толкают такую катушку, причем делают это циклически. При этом в рамках реактора смещение катушек ведет еще к большей разбалансировке, и срыву плазмы.
CS (в центре) и TF катушки (голубые по кругу). Видны 6 силовых поясов на TF, создающие мощную "клетку", замыкающую усилия.
Как мы помним, в случае катушек PF, имеющих в 2 раза меньшее поле, и чуть ли не в 10 раз меньшие нагрузки решение разгрузки проводников заключалось в толстых стальных оболочках вокруг свехпроводящего кабеля, укрепленных стеклопластиком. Кроме того, эти катушки будут закреплены во многих местах весьма массивными стальными ободами на общей силовой конструкции токамака.
Итак, тороидальные катушки ИТЭР. 18 гигантских магнитов, равномерно расставленных по кругу, образуют, фактически “магнитную стенку”. Состоящие в основном из стали, они занимают тем, что терпят, терпят, терпят электромагнитные усилия, составляющие до 40000 тонн центрирующего и 25000 тонн скручивающего воздействия. Если разрезать катушку, то можно увидеть все 134 витка сверхпроводящего кабеля, по которому будет течь постоянный ток в 68 килоампер. Чем хорош сверхпроводник - ток будет течь почти без потерь, и не смотря на чудовищные 41 гигаджоуль, запасенные в системе из электрически последовательно соединенных TF, на поддержание тока в них потребуется всего несколько сот киловатт мощности. Для сравнения, оценка для медных “теплых” магнитов дает мощность в 1,8 гигаватта.
ТТХ катушки. В сечении сталь составляет 79%, а плотность тока падает с 200 ампер на мм2 в сечении стренда до 11 ампера на мм2 сечения катушки.
Готовое изделие представляет собой D-образную конструкцию, размером примерно 14х10 метров и сечением почти 1х1 метр, весом ~350 тонн (на картинке немножко неправильно :)). Не смотря на смещающие силы (опять они) витки с током не должны уйти от начального положения больше чем на 30 миллиметров. Это достигается с помощью очень массивного стального корпуса с сечениями стальных стенок до 300 мм, изготовленного с очень высокой точностью (1-2 миллиметра на базах до 13000 мм) скрепленного с другими TF катушками в силовой каркас токамака.
Для охлаждение сверхпроводника используются 2 системы. Для начала, весь реактор помещают в вакуум, и укутывают отражающими охлаждаемым до 80 К экранами. Теперь тепловой поток на катушки идет только от холодных экранов и опор. После остывания всей конструкции катушки до 80К, внутрь кабель-проводников подается жидкий гелий, который охлаждает сверхпроводящие стрэнды до 4.5 К. Весь процесс охлаждения должен занять 4 недели.
Если бы катушки тороидального поля делали из стекла, они получались бы довольно красивыми.
Теперь посмотрим на производственный процесс TF катушек. Как мы помним, для NbTi основой являлся метод вытягивания металлических сборок NbTi в меди в стэнд, внутри которого получаются тысячи филаментов сверхпроводника диаметров в пару микрон. Но для Nb3Sn так сделать невозможно - материал слишком хрупкий. Поэтому Слитки ниобия размещают в сборке в бронзе, т.е. в сплаве олова Sn и меди Cu. После формирования стэнда, в котором ниобиевые филаменты оказываются в бронзовой матрице можно выполнить хитрый трюк - если такой материал нагреть до 650, то ниобий начнет отнимать олово из бронзы, образуя Nb3Sn, и мы получим нужную конструкцию сверхпроводникового стренда. Более того, такой провод можно будет немножко шевелить без разрушения.
Если очень долго тянуть, то получается вот это.
Срезы ИТЭРовских стрендов. 2 слегка разные технологии обуславливают разный вид.
Технология изготовления таких стрэндов была разработана во ВНИИНМ, и ОАО ТВЭЛ построило на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ) цех, в котором происходило производство сверхпроводника темпом примерно 25-35 тонн в год, закончившееся 3 декабря 2014 года.
Посмотрим дальнейшую судьбу “недосверхпроводникового” стрэнда на примере отечественного. Из Мордовии их везли в Подольск, где на опять же, специально построенном участке во ВНИИКП в 5 укрупняющих стадий сматывался кабель. Замечательное видео об этом процессе можно увидеть здесь. В этом же видео можно видеть следующий технологический этап - затягивание (джекетирование) кабеля в силовую и герметизирующую оболочку из нержавеющей трубы. Труба сваривается из 10-ти метровых отрезков в 760 метровый кусов, после чего в нее тросом затягивается кабель. Полученный кабель-в-проводнике слегка обжимается и наматывается в 4-х метровую шпульку. И отправляется в Италию.
Размотчик-выпрямитель кабеля, уже в италии.
Там, на предприятии ASG выполняют следующую операцию - интеграцию проводника в радиальную плату. Что такое радиальная плата? Это пластина из нержавейки толщиной 130 мм и размерами с магнит (13х7 м), которая будет воспринимать нагрузки (те самые тысячи тонн) и передавать их на корпус. Производство радиальных пластин - отдельная песня, можно глянуть видео одного и другого основного европейского подрядчика.
Изготовление РП - это перевод ценной нержавейки в стружку
Но допустим, на ASG привезли катушку кондиционного кабеля и плиту в которую его надо упаковать. Однако как мы помним, кабель у нас не сверхпроводящий, и может стать таким только полежав недельку в печи при 650 С. Поэтому для начала на специальном роботизированном столе кабель наматывают по форме, которую он будет принимать в радиальной плате. Получившаяся загогулина называется “двойной блин” (потому что кабель вставляется в РП с двух сторон). Двойной блин выполняется с исключительной точностью - что-то около 0,5 мм на базисе 13000. Теперь такой блин оправляется в печку для того, что бы химические компоненты внутри кабеля прореагировали.
Намотанный "двойной блин", перед отправкой в печку, японская версия
Через неделю, выгруженный уже сверхпроводящий элемент отправляется на другой роботизированный стол, на котором два слоя проводника слегка раздвигаются и между ними вставляется радиальная плата. Теперь выполняется следующий трюк - вдоль кабеля скользит голова, которая обматывает его несколькими слоями изоляции и специальной лентой, измеряющей электрическое поле вдоль провода (лента нужна для обнаружения квенча - потери сверхпроводимости), после чего кабель наконец опускается внутрь канавки в РП. Как мы помним, проводник внутри стал очень хрупким, поэтому все движения ограничены по амплитуде и выполняются очень нежно.
Обмотка прореагировавшего кабеля. Видна та самая лента для обнаружения квенчей
Робот задумался над заваренной радиальной платой
У этих пижонов есть еще и лазерный трекер для более точной привязки
После установки кабеля на место, канавки закрываются крышками и завариваются лазером (и роботами, куда же без них). В крышках оставлены отверстия, через которые в изоляцию вокруг кабеля нагнетают эпоксидную смолу - как и в случае PF проводников она прочно связывает кабель с окружающим металлом и формирует электрическую изоляцию. Кстати, в конце марта ASG отрапортовала о получении первой готовой РП.
Теперь мы обматываем радиальные платы еще одним слоем стекловолокна, собираем 7 плат в единый пакет. Последним, перед отгрузкой на площадку ИТЭР техпроцессом является установка внутреннего т.н. намоточного пакета с собственно сверхпроводящим кабелем в корпус и заварка корпуса. Этот техпроцесс будет выполнятся на предприятии Simic (Италия, 10 катушек) и Toshiba (Япония, 9 катушек). Уфф.
Общая схема произошедшего
Ну что ж, я думаю все оценили запредельную гемморойность изготовления 350 тонного магнита на поле 11.2 Тесла. А как насчет 1000 тонного на 13.5?
Центральный соленоид CS ИТЭР - в очередной раз рекордное изделие. 13 метров высотой и 4 диаметром, это самый большой и мощный единичный магнит в мире. В принципе если бы мы взяли проводник на 45 килоампер длиной 36,5 километров и намотали бы его в 3360 витков - то такой магнит получился бы сразу. Однако по технологическим причинам весь CS разбит на 6 одинаковых модулей, каждый весом где-то по 120 тонн, а каждый такой модуль, в свою очередь наматывается из 6-слойных “блинов” (6 штук) и 4-слойных (1 штука). Это позволяет ограничить длину единичного проводника в 910 метров, а именно такая длина максимальна возможна на линии джекетирования в Японии, откуда поставляется кабель-проводник. Конструктивно модуль - 40 слоев по 14 оборотов в каждом, 5 соединений отдельных длинн, 19 фиттингов для впуска гелия и 20 для выпуска.
Один из 6 модулей CS смотрит на нас всеми своими 560 витками и 39 трубками для подачи гелия.
Сам кабель - все тот же Nb3Sn, правда специально доработанный для уменьшения потерь на переменном токе, в толстостенной квадратной оболочке из модифицированного высокопрочного сплава Инкалой 908.
Конструкция кабеля.
Кабель свивается в 6- и 4-слойные блины специально разработанными 3D трубогибами, после чего блины идут в печку, потом на проводник наматывается 4-х слойная изоляция из стекловолокна и каптона. Всего, General Atomics, подрядчик ITER US, должна изготовить с учетом запаса 49 многослойных “блинов”. После выполнения 6 соединений проводника путем спайки, объединенный модуль обматывается по внутренней и внешней обечайке многослойной силовой оболочкой из стекловолокна и идет на вакуумную пропитку. Заключительным этапом сборки является приварка трубок для подачи и сброса охлаждающего гелия, а так же измерительных систем обнаружения квенчей.
Первый макетный шестиблин, еще до термообработки и сборки.
6 собранных модулей сформируют длинную катушку, в центре которой поле достигнет 13,5 тесла. Кстати про Теслы - если положить на дно неодимовый магнитик диаметром 5 и высотой 1 см, то при включении центрального соленоида, его выстрелит в крышу на скорости 5,6 км/с, хотя может быть я и ошибся в предложениях как поведет себя неодим в таком поле :). Так вот, собранный магнит, естественно будет испытывать невероятные усилия, старающиеся растолкать его в стороны. Для нивелирования этого эффекта, он будет расположен между 17 стальными брусками, натянутыми в вертикальном направлении с усилием в 12000 тонн, и зажат между элементами тороидальных катушек. Сверху и снизу расположены по 9 элементов, задача который в контроле напряжения, центрировании и позиционировании CS, а так же разгрузке на силовой пояс вертикальных усилий.
Верхняя силовая сборка. Видна центрирующая тяга, и натяжные платы (внутренняя - синяя, 2 внешние - зеленоватые).
Интересно, что производство CS в Сан-Диего, на заводе General Atomics стартовало буквально неделю назад, с навивки первого шестиблина. При планируемом темпе в 3 блина в месяц GA собирается справится с производством центрального соленоида за 2,5 года.
Производство General Atomics. На совсем заднем плане виден "распружиниватель"-обмотчик прореагировавших блинов (с желтой Y-рамой)
В следующей части мы поговорим о высокотемпературных сверхпроводниках, высокотемпературных сверхпроводниковых шинах и о сложности передачи таких токов от горячих металлических брусков в криогенные сверхпроводники.
Система токовых шин, подключенных к сверхпроводящим магнитам.