Сборка токамака ИТЭР
Прошу меня простить, работа не дает регулярно писать дальше про проект ИТЭР, хотя планов громадье. Попробую рассказать этой статьей про то, как сейчас выглядят планы по сборке всей грандиозной машинерии токамака, а затем в следующей статье вернуться к участникам этой стройки и их вкладам.
Итак, как мы знаем, сейчас в Карадаше ведется строительство комплекса зданий проекта ИТЭР.
Рис. 1 Комплекс зданий Iter. Высокое здание в центре - здание токамака и здание сборки.
Из этих зданий ключевые - это собственно здание, где расположен токамак, плотно пристроенное к нему здание сборки (плотно оно пристроено, потому что надо перемещать грузы до 1500 тонн весом. Делаться это будет спаркой мостовых кранов, которые ходят по общему пути из здания сборки в здание токамака), здание очистки (помещения сборки и токамака - чистые комнаты, поэтому все что туда попадает надо предварительно очищать от пыли и органики). Без этих трех сборку начать невозможно. Так же на территории располагаются (они уже закончены) 2 здания для сборки самых крупных нетранспортабельных элементов машины - криостата (вакуумной камеры 30х30х30 м, в котором расположен реактор) и полоидальных катушек диаметром 30 м.
Рис. 2 Проектное изображение: спарка 750-тонных кранов переносит основание криостата из здания сборки.
Итак, сборка токамака начинается после окончания строительства перечисленных зданий, герметизации объема, установки тех самых мостовых кранов. Произойти это должно было в марте 2016 года, но сейчас, лично мне эта дата кажется фантастической. Но будем исходить из нее, в марте 2016 года все строительство закончено.
К этому моменту в здании сборки криостата из элементов, которые изготавливаются в Индии (прямо сейчас изготавливаются) должны собрать основание криостата - первую деталь сборки. Его ставят на самое дно шахты токамака, после чего приваривают нижнию половину обечайки криостата - нижний цилиндр криостата. В получившуюся половинку вакуумной кастрюли теперь необходимо уложить детали, которые расположены под основным тором криостата (который мы будем называть вакуумной камерой) перечислим их:
Рис. 3. Тепловые экраны токамака.
- Нижний тепловой экран (Lower CTS). Сложная конструкция из 20мм нержавеющего листа с приваренными трубками по которым циркулирует газообразный гелий при температуре 80К. Позволяет снизить тепловой поток на глубоко криогенные сверхпроводящие катушки. Изготавливается Южной кореей.
- Сверхпроводящие полоидальные катушки PF6 и PF5. Изначально по распределению работ, все полоидальные катушки кроме PF1 должны были делать европейцы в специальном гигантском здании прямо на территории комплекса. Однако бюджета у них не хватило, поэтому PF6 (самую нижнюю) отдали в Китай, а для остальных решили с помощью тендеров на производство сбить цену. Сейчас эти тендеры последовательно проводятся, но как обычно, все это задержало график года на полтора.
- 2 комплекта силовых колец (Один запасной). Стеклопластиковые обода, при полимеризации сжатые усилием 16000 тонн, которые будут разгружать конструцию от действия электромагнитных сил.
Рис. 4. Процесс сборки токамака - установлены основание криостата, силовые кольца, временные опоры катушек PF6 и PF5.
- Сверхпроводящие токовводы катушек - элементы (всего внизу их 21 штука), который никак не просунуть под уже установленный токамак. Еще один хайтечный неимеетаналоговвмире элемент, делают Китайцы. Сложность этого элемента в том, что надо подключить сверхпроводящий провод при температуре 6 К к медной шине толщиной с ногу при температуре 300 К, и передать через это соединение ток в 68 тысяч ампер.
- Нижний пояс из 6 корректирующих катушек. Сверхпроводящие, на относительно небольшой ток. Делают (и реально уже изготавливают) опять Китайцы.
- Опоры тороидальных катушек и секторов вакуумной камеры. Как обычно - довольно хитрые конструкции, приличный вес, перемещения компонентов при изменении температуры, вакуум, криогенные условия.
- Опорная колонна, с помощью которой будет собираться вауумная камера. Временное устройство, ровно по центру всей машины.
Рис. 5. Окончание первой фазы сборки iter - установлены 2 нижние половины криостата, катушки PF6, PF5, нижний тепловой экран, опоры тороидальных катушек и вспомогательные опоры вакуумной камеры.
После установки всего этого, можно приступать к сборке собственно сердца токомака - вауумной камеры. На предварительный процесс расписанием сборки отводился период с апреля 2016 по июль 2017 года.
Сборка сердца токомака, или вакуумной камеры будет происходить путем сваркой секторов по 40 градусов. Каждый сектор состоит из куска вакуумной камеры, 2х тороидальных катушек и тепловых экранов между вакуумной камерой (которая будет нагреваться до 250 градусов С) и тороидальными катушками (которые в работе будут охдаждены до 4,5 К или -269 С). Предварительная сборка секторов будет производится в здании сборки на двух гигантских механизированных сборщиках.
Рис. 5. Установка предварительной сборки секторов. Красное - часть вакуумной камеры, желтое - тепловые экраны, синие - тороидальные катушки, зеленое - оснастка.
Сборка и установка секторов будет идти темпом 2 сектора раз в полгода, т.е. все 9 закончат за 2,5 года. Параллельно будет идти приварка портов вакуумной камеры. После установки всего это, временные опоры разберут и установят внешние катушки PF4, PF3, еще набор корректирующих катушек. Этот период в расписании шел с лета 2017 по конец 2019.
Теперь остается верхняя часть токамака - это оставшиеся полоидальные катушки PF2 и PF1 (которая будет изготавливаться в России), еще набор корректирующих, еще стеклопластиковые кольца, устанавливается верхняя часть обечайки криостата. В токамак вместо снятой опорной колонны устанавливают центральный соленойд - еще одна, последняя, катушка, переменный ток в которой пораждает гигантский ток в плазме. Центральный соленоид изготавливает США, это еще один рекордный магнит на максимальное поле более 13 тесла при токе 45 килоампер, высотой 18 метров и диаметром 4.
Рис. 6. Центральный соленоид (оранжево-серый) и его токовводы, тороидальные катушки и криостат.
После этой работы, которая по планам должна была занять весь 2020, можно установить верхние тепловые экраны, подключить верхние токопроводы к катушкам, закончить порты.
Финалом крупноузловой сборки должно стать установка верхней крышки криостата, и биозащиты сверху.
Рис. 7 Разрез зданий очиски, сборки и токамака в момент завершения сборки токамака.
Однако, токамак еще далек от готовности. После завершения вакуумной камеры в ней должны начаться двухлетние работы по установке внутренних катушек (опять катушки…) подавления ELM режимов плазмы, катушек вертикальной стабилизации плазмы, датчиков, пучков водяных труб для охлаждения.
И вот, в 2021 году все монтажные и даже пусконаладочные работы планировалось завершить. После этого последовала бы откачка криостата до вакуума, прогрев вакуумной камеры до 250 градусов для десорбции летучих веществ, охлаждение тепловых экранов, магнитов и токопроводов до рабочих температур, накачка вакуумной камеры обычным водородом и первое зажигание плазмы на 1/10 проектных параметров - просто для проверки работы основных систем.
Правда, в “графике запуска в 2021 году” планировалась сдача здания токамака в начале 2016 года, а сейчас говорят о 2017 году. Даже если команда координаторов проекта сумеет запараллелить работы и ускорить строительство - меньше чем годом сдвижки мы не обойдемся, и это без будущих проблем, которые, конечно же будут возникать.
Кстати, с миссией “нет будущим сдвижкам вправо!” в проекте ИТЕР несколько дней назад поменялся директор...