ИТЭР: вакуумная система
Функционирование систем ИТЭР опирается на четыре “сервисных кита” - систему электропитания, систему водяного охлаждение, систему криогенного охлаждения и вакуумную систему. Именно о последней, которая на сегодня считается сложнейшей вакуумной системой в мире мы и поговорим Гигантские криосорбционные и криоконденсационные помпы, 10 километров вакуумопроводов, система поиска утечек среди тысяч труб, 10300 кубических метров объема ультравысокого вакуума, 400+ вакуумных насосов - узнаете ITER style?
C технической точки зрения токамаки извлекают энергию из вакуума: стартовое состояние ИТЭР - это смесь дейтерия и трития при давлении 10^-4 Па, что инженеры относят к “высокому вакууму”. Физикам необходимо, что бы в эту смесь не попал воздух, не попали осевшие на поверхностях реактора газы, а значит перед запуском вакуумную камеру необходимо откачать до еще более суровых значений - ~10^-6 Па. Примерно таких же значений требуют и инжекторы нейтрального луча, работающие только в ультравысоком вакууме. Если бы кто-то включил эту установку на воздухе, зрелище 16 мегаваттного светящегося луча нейтралов, ионизирующих атмосферу было бы впечатляюще, хотя еще более впечатляющей была бы мегавольтная дуга внутри NBI.
Кроме контроля среды, второе важнейшее применение вакуума - термоизоляция криогенных магнитов, теплоприток к которым не должен превышать 65 киловатт от термоядерной плазмы, которая выдает до 760 мегаватт тепла. сделать это в ограниченном пространстве не прибегая к идеальному теплоизолятору было бы невозможно. Для этого вокруг всего реактора сооружается гигантская кастрюля с вакуумом - криостат, где и будут расположены все криогенные элементы, окруженные тепловыми экранами, изолирующими от теплового излучения стенок криостата и плазменого тора.
Криостат ИТЭР. Его размеры 30х30 метров. Обратите внимание на прямоугольные выступы внизу - это криосорбционные помпы, про которые я расскажу ниже.
Высочайшая скорость откачки, работа с тритием, запредельные требования по содержанию примесных газов в торе, мощные магнитные поля определили облик вакуумной системы ИТЭР, как единственной в своем роде.
Тритий, в силу своей радиотоксичности является контролируемым элементом. Он легко проходит сквозь уплотнение механических насосов, что определило сложную цепочку вакуумных насосов: криосорбционные помпы периодического действия откачивают вакуумную камеру, криостат и объем инжекторов нейтрального луча, их в свою очередь откачивают 6 криокондесационных насосов постоянного действия, которые ожижают изотопы водорода и отделяют их от гелия, который проходит через 3 ступени механических насосов и сбрасывается в систему очистки. Ожиженные изотопы водорода и натекающий в вакуум воздух попадают в систему обращения с тритием, о которой я расскажу как нибудь отдельно.
В целом вакуумная система ИТЭР поделена на следующие блоки:
• Система откачки тора (вакуумной камеры)
• Система откачки инжекторов нейтрального луча (NBI)
• Вакуумная система криостата
• Форвакуумная система
• Сервисный вакуум для диагностик (например рентгеновских или масс-спектрометрических)
• Системы откачки для ECRH
• Система локализации утечек
Испытания прототипа криосорбционной помпы.
Самыми необычными элементом вакуумной системы является связка криопомп. Работа ИТЭР строится на постоянном обороте вещества через реактор - каждые 80...100 секунд плазменный объем полностью обновляется. При этом успевает прореагировать только 2% трития и дейтерия - остальное вместе с наработавшимся гелием и загрязнениями уходит в криосорбционные насосы, где газы поглощаются специальными панелями, покрытыми активированным углем из кокоса (который был выбран из 450 возможных сорбентов), охлажаемым до 4.5К текущим внутри гелием. Поскольку объем, газов, которые можно запихнуть в кокос не беспредельны, помпа получается периодического действия - подключаясь к объему сначала она адсорбирует на себе определенный объем дейтерия, трития и гелия, затем закрывается пневмоприводом, прогревается до 475 градусов кельвина (200 С) и выделяющиеся газы откачиваются вторым эшелоном форвакуумных помп - тех самых криоконденсационных. После чего помпа вновь захолаживается до 4.5 К, открывает гигантский клапан (диаметром 800 мм) и продолжает работу. Криосорбционные панели приходится защищать тепла от окружающего мира тепловыми экранами, охлажденными до 80К.
Конструкция помпы. Серое - корпус, синее - криосорбционные панели, зеленое - защитные тепловые экраны, пурпурное - привод клапана (желтый).
Панель, покрытая активированным углем. Именно она будет сорбировать и отдавать гелий и водород.
Три пары работающих попеременно криопомп расположатся в нижнем (диверторном) ряду портов, обеспечивая откачку тора, а еще одна пара будет поддерживать вакуум в криостате, будучи интегрированными в его стенки. Фантастическая производительность, простота конструкции и высокий уровень вакуума, достигаемый этим насосом не дается бесплатно. Танец состояний такой помпы (поглощение - прогрев - выпуск - откачка второй линие - захолаживание - поглощение) обеспечивается специальной коробкой холодных клапанов, регулирующей потоки холодного, горячего и промежуточного газа через насос.
Короб холодных клапанов (25 управляющих и 18 предохранительных) криопомпы и его расположение в криостате ИТЭР.
В момент прогрева, криосорбционная помпа подключается к линии, которая откачивается следующим, уже форвакуумным насосом - на этот раз криоконденсационным. Такое двойное повторение одного процесса нужно потому что первый этап обеспечивает откачку до давления в 0,01 Па при потоке до 60 Па * м^3 на насос, а второй, к сожалению, работает при давлении не ниже 10 Па.
Криоконденсационный форвакуумный насос в разрезе и живьем.
Криоконденсационные насосы так же являются рекордными в своем роде, работая по принципу ожижения всех исходящих из первой ступени газов, кроме гелия, в дюаре. Гелий при этом захватывается аэродинамически, и откачивается из устройства очередной форвакуумной ступенью. Эта разработка повторяет по типу установленные на крупнейшем токомаке JET.
Помпы связаны вот такой вакуумной линией.
Дальше газ (в основном гелий) передается на несколько последовательных механических насосов (две ступени насосов Рутса и на завершающем этапе - поршневых), которые обеспечивают его компрессию до атмосферного уровня. Всего в системе вакуума основных объемов будет установленно 12 криосорбционных помп, 6 криконденсационных и 20 механических. Механические насосы будут расположены в здании Трития, и герметизированы в специальных отсеках.
Тритий-совместимый поршневой форвакуумный насос на испытаниях.
В мощный поток топливных газов от вакуумной камеры и нейтрализующего газа от NBI будет примешиваться ручеек утечек гелия из магнитов в криостат. Криостат будет поддерживаться на уровне 10^-4 Па двумя криосорбционными помпами того же типа, что откачивают дивертор. Однако здесь они будут гораздо реже регенерироваться, а основные сложности с криостатом связаны с поиском в нем утечек.
Расположение насоса криостата.
Вообще говоря, для такого высокого вакуума утечки и десорбция осажденных газов - одна из главных проблем. Учитывая тысячи трасс с жидким и газообразным гелием, которые проходят через криостат, сотни тысяч болтовых соединений, каждое из которых может содержать в себе остаточный воздух, который будет медленно рассасываться, давая ложный сигнал об утечке, задача обнаружения неплотностей будет непростой. Инженеры ИТЭР собираются ее решать путем расположения на откачных линиях чувствительных масс-спектрометров гелия и специальных веществ-трейсеров, которые можно добавлять в отдельные линии с водой для локализации утечек. Так же локальным детектором утечки будет снабжен манипулятор, перемещающийся по криостату и по тору. Тем не менее проблема газящих в вакуум остатков органики, пузырьков воздуха в уплотнениях, микротрещинок в гелиевых магистралях, раскрывающихся при охлаждении вполне может затянуть первый набор вакуума установкой на месяцы.
Упрощенная блоксхема вакуумной системы ИТЭР.
Кстати о чистоте. Усилия, которые нужны для обеспечения чистоты плазмы имеют вполне маниакальный масштаб. Кроме того, что сборка ИТЭР будет проходить в условиях “чистой комнаты” с соотвествующей уборкой после монтажа и сварки, в подготовку к запуску входят 100 часовой вакуумный отжиг (все поверхности, обращенные к вакууму будут нагреты до 200-240 С для дерсорбции различных газов и летучих веществ), затем очистку вакуумной камеры тлеющим разрядом с чистищими газами, а затем очистку ее же излучением ECRH на ~1 мегаваттной мощности. В идеальном случае, если все будет работать как надо, набор технического вакуума (10 Па) займет сутки, еще сутки продлится переход на высокий вакуум, затем еще 24 часа отжига, и наконец достижение «базового уровня вакуума».
Пневматическикий привод клапана криосорбционной помпы тора. Зацените размерчик.
Возвращаясь к уникальным изделиям необходимо вспомнить про инжекторы нейтрального луча. В соответствующей статье я говорил о том, что для этих уникальных ускорителей в одном объеме необходим как и ультравысокий вакуум (10^-5 Па), так и вполне себе ощутимое давление (0,3 Па - в тридцать тысяч раз выше!) нейтрализующего газа, где разогнанные положительные ионы будут терять заряд, превращаясь в нейтральные атомы, улетающие в сторону плазмы. Для обеспечения этого, пространство вокруг источника газа в нейтрализаторе окружено криосорбционными панелями. Их производительность в 25 раз выше, чем у цилиндрических собратьев, откачивающих тор и криостат, а регенерация будет происходить в перерывах работы.
Криосорбционные помпы NBI. Хитроспрятанные за тепловыми экранами (зеленые) сорбционные поверхности обеспечивают правильное распределение давления вдоль ускорителя нейтралов.
Одна сорбирующая секция помпы живьем, правда без покрытия.
Кроме основных мощных линий откачки в вакуумной системе iter присутствую сотни маленьких насосов, которые обеспечивают локальный охранных вакуум (например, каждый из 54 портов снабжен таким постом), вакуумируют все элементы передачи микроволнового излучения, небезызвестные нам гиротроны, обеспечивают вакуум для диагностик, которые этого требуют (например микроволновые рефлектометры, ультрафиолетовые и рентгеновские приборы). Всего в комплексе будет установлено примерно 400 вакуумных насосов.
Одна из 54 криопомп, обеспечивающих порты.
Наряду с ядерной безопасностью, криогеникой и электромагнитными полями необходимость работы в условиях высокого вакуума является одной из самых влияющих на выбор материалов, конструктива и технологий для любых элементов реактора, которые попадают в зону высокого вакуума.
Вакуумная лаборатория, открытая на площадке этой весной, предназначена для верификации вакуумной совместимости инженерных решений и образцов оборудования.
Комплексная природа вакуумной системы ИТЭР, постоянно живущей своей жизнью - уходящей на регенерацию, переключающей кучу потоков газа и жидкости не нравится и ее разработчикам - немецкому институту KIT (Karlsruhe Institute of Technology) и американской лаборатории Oak-Ridge. Для будущего реактора DEMO сейчас исследуется гораздо более простая, практически лишенная криогеники система с кольцевыми ртутными механическими насосами а так же с ртутно-диффузными высоковакуумными насосами. Так что возможно, что решения ИТЭР в области обеспечения вакуума термоядерных реакторов останутся в единственном экземпляре, что, однако не снижает их грандиозности...