В лаборатории NBTF заканчивается сооружение японского мегавольтного источника.
Напомню, что в Италии, в Падуэ строится лаборатория NBTF, где будут построены два стенда для НИОКР в рамках разработки инжекторов нейтрального луча(NBI) ИТЭР. Для "старшего" из стендов - MITICA, которая представляет собой полноценный 50-мегаваттный инжектор, нужен уникальный источник питания для ускорителя. И вот, недавно на площадке была закончена установка пятого повышающего трансформатора мегавольтного источника, произведенного в Японии. Зачем это нужно и что в этом интересного? Ответ ниже.
Я уже много раз писал о том, что NBI ИТЭР - один из сложнейших компонентов токамака. Его задача - создать луч (или пучок в отечественной терминологии) атомов дейтерия с энергией 1 Мегаэлектронвольт (что соответствует 3% скорости света) мощностью 17 мегаватт и отправить его в центр плазменного шнура ИТЭР. Такие устройства существуют, и один из мировых лидеров по производству подобных машин - Новосибирский ИЯФ, однако мощность NBI ITER на порядок превзойдет предыдущие достижения по мощности и будет отличатся уникальными техническими решениям.
NBI - отдельно с кусочком токамака и три NBI (сначала будут установлены два, а третий только возможен) в специальном помещении в здании токамака ИТЭР..
Для разгона ионов дейтерия (которые затем нейтрализуются - подробности в соответствующей статье) используется электростатический ускоритель. Отрицательно заряженные ионы (это не ошибка - на ядро налеплено 2 электрона) дейтерия создаются при напряжении -1000 киловольт и ускоряются через несколько сеток до напряжения 0 В. С точки зрения иона такая конфигурация приводит к тому, что после своего "рождения" он видит перед собой ряд все более положительно заряженных сеток, последняя из которых с его "точки зрения" имеет +1 мегавольт.
Источник и ускоритель NBI выполнены в виде одного высоковольтного целого, подвешенного в вакууме в NBI. На разрезе разными цветами обозначены ускоряющие сетки с разными потенциалами.
Мегавольт - в принципе освоенный диапазон для высоковольтной техники, проблема в том, что нужно создать не только потенциал но и выдать по 50 ампер тока при таком напряжении. Оказывается, что имеющиеся лабораторные источники такого напряжения не достаточно мощные, а промышленные мощные преобразователи недостаточно высоковольтные. Выходом стала интересная гибридная электрическая система, которую создают вместе Европа и Япония.
Упрощенно схема состоит из 5 последовательно соединенных источников, каждый из который выдает 50 ампер постоянного тока при 200 киловольт напряжения. При этом все они гальванически отвязаны от нуля и напряжение предыдущего источника служит землей последующему. Раз они гальванически отвязаны, то мощность можно завести только через трансформатор, причем трансформатор DDG5 должен иметь изоляцию между обмотками не хуже 1000 киловольт - близкое к предельным значениям для мощного трансформатора. После трансформатора напряжение надо выпрямить и сгладить пульсации - это и есть японские блоки DCG.
Более реальная схема выглядит так:
Здесь мы видим все те же высоковольтные выпрямительные источники DCG справа, трансформаторы левее, инверторы, накачивающие каждый трансформатор таким образом, что бы управлять током на выходе DCG, которые запитаны от общей шины постоянного тока напряжением ~5 киловольт (предельного для современных тиристорных ключей), мощность в которую выдается выпрямителем совсем слева. Уфф. Как всегда, в ИТЭР все оказывается очень сложно. В принципе, на заре проектирования ИТЭР рассматривался вариант с 1 сеткой вместо 5, однако проблемы с равномерностью ионного пучка и возможным коротким замыканием сетки похоронили такую идею.
В реальности система должна выглядеть так:
Правее всего тут 5 японских DCG - трансформаторах с надетыми на них сверху баками с изолирующим газом SF6, где находятся выпрямительно-фильтрующие сборки. Левее и ниже находится здание с европейскими инверторами, которые запитывают эти сборки, по центру - платформа вывешенная на потенциал в минус 1000 киловольт, где находятся радиочастотные источники для генерации положительных ионов (напомню - 40 ампер, т.е. 4*10^20 ионов в секунду).
То же самое с другого ракурса
Кстати, высоковольтная линия, связывающая ускоритель и источник, тоже уникальная. На картинке это такая толстая белая труба. Труба заполнена все тем же SF6, отличающимся очень высокой электрической прочностью и имеет диаметр порядка 1,5 метров. На конце ее есть проходной изолятор для мегавольтного провода из SF6 в вакуум NBI, разработка которого заняла 10 лет.
Наконец, возвращаясь к исходной новости, можно посмотреть на японские DCG в реальности.
Слева тут видны уже собранные DCG, правее них - два 250 тонных трансформатора, верхних ступеней источника. Обратите внимание на диаметр оболочки корпуса вокруг вывода трансформатора - такие размеры необходимы для набора нужной толщины среды, защищающей вывод от короткого замыкания на землю, что крайне усложняет разработку подобной техники. Напомню, что в ИТЭР весь это набор высоковольтной требухи понадобится повторять в двойном, а то и тройном количестве.
К сожалению, можно констатировать, что запуска японской части мы не увидим еще как минимум 1,5 года - только к концу 2017 года должны подтянуться европейцы со своими инверторами, а сам стенд MITICA будет готов не раньше 2018 года, пока из всех его систем подписан контракт только на корпус, в котором будут расположены все устройства инжектора.
Проектное изображение NBI ИТЭР в сборе.
И заказанный корпус.
Я уже много раз писал о том, что NBI ИТЭР - один из сложнейших компонентов токамака. Его задача - создать луч (или пучок в отечественной терминологии) атомов дейтерия с энергией 1 Мегаэлектронвольт (что соответствует 3% скорости света) мощностью 17 мегаватт и отправить его в центр плазменного шнура ИТЭР. Такие устройства существуют, и один из мировых лидеров по производству подобных машин - Новосибирский ИЯФ, однако мощность NBI ITER на порядок превзойдет предыдущие достижения по мощности и будет отличатся уникальными техническими решениям.
NBI - отдельно с кусочком токамака и три NBI (сначала будут установлены два, а третий только возможен) в специальном помещении в здании токамака ИТЭР..
Для разгона ионов дейтерия (которые затем нейтрализуются - подробности в соответствующей статье) используется электростатический ускоритель. Отрицательно заряженные ионы (это не ошибка - на ядро налеплено 2 электрона) дейтерия создаются при напряжении -1000 киловольт и ускоряются через несколько сеток до напряжения 0 В. С точки зрения иона такая конфигурация приводит к тому, что после своего "рождения" он видит перед собой ряд все более положительно заряженных сеток, последняя из которых с его "точки зрения" имеет +1 мегавольт.
Источник и ускоритель NBI выполнены в виде одного высоковольтного целого, подвешенного в вакууме в NBI. На разрезе разными цветами обозначены ускоряющие сетки с разными потенциалами.
Мегавольт - в принципе освоенный диапазон для высоковольтной техники, проблема в том, что нужно создать не только потенциал но и выдать по 50 ампер тока при таком напряжении. Оказывается, что имеющиеся лабораторные источники такого напряжения не достаточно мощные, а промышленные мощные преобразователи недостаточно высоковольтные. Выходом стала интересная гибридная электрическая система, которую создают вместе Европа и Япония.
Упрощенно схема состоит из 5 последовательно соединенных источников, каждый из который выдает 50 ампер постоянного тока при 200 киловольт напряжения. При этом все они гальванически отвязаны от нуля и напряжение предыдущего источника служит землей последующему. Раз они гальванически отвязаны, то мощность можно завести только через трансформатор, причем трансформатор DDG5 должен иметь изоляцию между обмотками не хуже 1000 киловольт - близкое к предельным значениям для мощного трансформатора. После трансформатора напряжение надо выпрямить и сгладить пульсации - это и есть японские блоки DCG.
Более реальная схема выглядит так:
Здесь мы видим все те же высоковольтные выпрямительные источники DCG справа, трансформаторы левее, инверторы, накачивающие каждый трансформатор таким образом, что бы управлять током на выходе DCG, которые запитаны от общей шины постоянного тока напряжением ~5 киловольт (предельного для современных тиристорных ключей), мощность в которую выдается выпрямителем совсем слева. Уфф. Как всегда, в ИТЭР все оказывается очень сложно. В принципе, на заре проектирования ИТЭР рассматривался вариант с 1 сеткой вместо 5, однако проблемы с равномерностью ионного пучка и возможным коротким замыканием сетки похоронили такую идею.
В реальности система должна выглядеть так:
Правее всего тут 5 японских DCG - трансформаторах с надетыми на них сверху баками с изолирующим газом SF6, где находятся выпрямительно-фильтрующие сборки. Левее и ниже находится здание с европейскими инверторами, которые запитывают эти сборки, по центру - платформа вывешенная на потенциал в минус 1000 киловольт, где находятся радиочастотные источники для генерации положительных ионов (напомню - 40 ампер, т.е. 4*10^20 ионов в секунду).
То же самое с другого ракурса
Кстати, высоковольтная линия, связывающая ускоритель и источник, тоже уникальная. На картинке это такая толстая белая труба. Труба заполнена все тем же SF6, отличающимся очень высокой электрической прочностью и имеет диаметр порядка 1,5 метров. На конце ее есть проходной изолятор для мегавольтного провода из SF6 в вакуум NBI, разработка которого заняла 10 лет.
Наконец, возвращаясь к исходной новости, можно посмотреть на японские DCG в реальности.
Слева тут видны уже собранные DCG, правее них - два 250 тонных трансформатора, верхних ступеней источника. Обратите внимание на диаметр оболочки корпуса вокруг вывода трансформатора - такие размеры необходимы для набора нужной толщины среды, защищающей вывод от короткого замыкания на землю, что крайне усложняет разработку подобной техники. Напомню, что в ИТЭР весь это набор высоковольтной требухи понадобится повторять в двойном, а то и тройном количестве.
К сожалению, можно констатировать, что запуска японской части мы не увидим еще как минимум 1,5 года - только к концу 2017 года должны подтянуться европейцы со своими инверторами, а сам стенд MITICA будет готов не раньше 2018 года, пока из всех его систем подписан контракт только на корпус, в котором будут расположены все устройства инжектора.
Проектное изображение NBI ИТЭР в сборе.
И заказанный корпус.