نظام التبريد ITER

المفاعل النووي الحراري الدولي ITER هو أكثر المرافق العلمية طموحًا قيد الإنشاء حاليًا في جنوب فرنسا. العديد من عناصر هذا tokamak لها البادئات "سجل" ، "الأول من نوعه" ، "الأقوى في العالم". تتطلب بعض الوحدات ، على سبيل المثال ، أكثر من عشر سنوات من البحث وبناء النموذج الأولي لتحقيق المعايير المطلوبة. ومع ذلك ، من الصعب توقع أن الأنظمة المساعدة البسيطة ، مثل تبريد المياه أو إمدادات الطاقة للمجمع العلمي ، ستحطم بعض الأرقام القياسية. ومع ذلك ، فإن نظام التبريد ITER ، الذي يوفر التبريد لدرجات حرارة الهليوم السائلة ، سيكون هو الأقوى في العالم ، والمستهلكون الرئيسيون له هم عبارة عن مغناطيس فائق التوصيل ومضخات تفريغ مع مصائد مبردة.. كيلومترات من الخطوط التي تم إخلاؤها بأنابيب داخلية بها هيليوم سائل وفائق الحرجة ، ومضخات تعمل عند درجة حرارة 4 درجات فوق الصفر المطلق والمعدات في سفن دوار بحجم خزان السكك الحديدية - لننظر إلى هذا بمزيد من التفصيل.



لذا ، فإن إحدى المشاكل الرئيسية لـ tokamaks الشبيهة بـ ITER هي تبريد مغناطيساتها العملاقة فائقة التوصيل . إن الحفاظ على درجة حرارة 4.5 كيلو هي مهمة تستهلك الكثير من الطاقة - يجب أن ننفق 500 جول على تشغيل الثلاجة لكل جول متدفق للحرارة. إذا لم تكن المغناطيسات معزولة حرارياً بأي شكل من الأشكال ، لكانت عشرات جيجاوات من الطاقة ستدخل في تشغيل نظام ITER cryosystem. لذلك ، "يتم فصل التبريد" بشدة عن الحرارة الخارجية والداخلية للتركيب.


نظرة عامة على "cryocombine" - أقوى نظام تبريد في العالم لتوفير المبردات المبردة ITER.

بادئ ذي بدء ، يتم غمر المفاعل بأكمله في حجم فراغ جهاز التبريد. هذا يسمح لك بعدم التفكير في نقل الحرارة إلى المغناطيس من الهواء. في المقابل ، تحمي شاشات التبريد - صفائح مرآة من الفولاذ المطلي بنظام تبريد ، والتي تبلغ درجة حرارة 80 كيلو ، من الإشعاع الحراري.


الشاشات الحرارية ، "التفاف" ITER مغناطيسات فائقة التوصيل من جميع الجهات.

وهكذا ، فإن المغناطيسات فائقة التوصيل نفسها "ترى" حول الأسطح بحد ذاتها 80 درجة فقط (وليس 300 أو حتى 520 ألفًا - أقصى درجة حرارة يتم فيها تسخين العناصر الخارجية لتوكاماك) وهذا يقلل من تدفق الحرارة إلى المغناطيس بمقدار 10 مرات تقريبًا. شاشات Cryo لها شكل معقد ، وهي نفسها مستهلكة لقدرات ثلاجات ITER.


أحد العناصر التسلسلية الأولى في شاشة التجميد ، تم تصنيعه مؤخرًا في كوريا الجنوبية.

وأخيرًا ، يتم أخذ التدفق الحراري الصغير المتبقي من الخارج بواسطة الهيليوم السائل الذي يتم ضخه عبر كل مغناطيس (والذي يتم من خلاله صنع الكبل المستخدم في لف المغناطيس بطريقة صعبة للغاية). بالإضافة إلى ذلك ، تنشأ الحرارة في المغناطيس من تغير سريع في التيار (نموذجي لمغناطيس CS و PF) ومن إشعاع نيوتروني من المفاعل.


كابل موصل فائق لملف حلقي ITER. اللولب الداخلي والفراغات المرئية بين الخيوط مخصصة للهليوم السائل.

الطاقة الحرارية التي تعطيها المغناطيسات المبردة أثناء التشغيل هي 110 كيلووات ، وهذا يعني أن قوة الثلاجة بالنسبة لها يجب أن تكون على الأقل 55 ميجاوات. ومع ذلك ، يستخدم فريق ITER حقيقة أن ITER ستعمل في الوضع النبضي - "طلقة" واحدة تصل إلى 700 ثانية مرة واحدة كل نصف ساعة ، لتقليل قوة وتكلفة cryocombine ، حيث توجد الثلاجات.


المغناطيس هو المستهلك الرئيسي للبرد. ترتيب الهيليوم ومدخلات التيار إلى المغناطيس.

وبهذه الطريقة ، تم تخفيض متوسط ​​ناتج الحرارة المأخوذ إلى 65 كيلووات عند مستوى 4.5 ألف ، ومن الضروري الدفع لذلك عن طريق تنظيم خزانات بهيليوم سائل تمتص أحمال الذروة. مجموعات منفصلة من مستهلكي الهيليوم السائل هي مضخات الشفط بالتبريد والتكثيف بالتبريد ، ومغناطيسات الجيروترون ، وهناك مستهلكون باردون عند درجة حرارة 50 كلفن (مدخلات فائقة التوصيل) ، 80 ك - مبردات.


المستهلك الآخر المهم هو مضخات التبريد (الأخضر على اللوحة السفلية).

يقع cryocombine ، الذي يزود النظام بأكمله بغازات التبريد ، في مبنى منفصل. وهي مقسمة إلى قدرات إنتاج النيتروجين السائل ، والتي بدورها تفرغ الحرارة الزائدة من ورشة إنتاج الهيليوم السائل. بشكل عام ، تعمل مصانع الهيليوم والنيتروجين على نفس المبدأ - يضغط الضاغط الغاز ، الذي يسخن منه ، ويتم تصريف الحرارة الزائدة من الغاز إلى الدائرة الخارجية ، وبعد ذلك يتم تغذيته إلى المتوسع التوربيني ، حيث يتمدد ويبرد.


هيليوم توربو موسع تنتجها هيليوماش في سوائل الهيليوم ، سيكون مصنع ITER المبرد هو نفسه تقريبًا.

يتم دفع تدفق الغاز من الضاغط إلى المتوسع التوربيني والعكس إلى مبادل حراري مضاد آخر ، مما يسمح بخفض درجة حرارة الغاز تدريجيًا عند مخرج المتوسع التوربيني إلى التكثيف. في الوقت نفسه ، توجد موسعات توربينية ومبادلات حرارية في "أحجام باردة" مفرغة خاصة (أو coldbox باللغة الإنجليزية). تبلغ السعة الحرارية لورشة النيتروجين 1.3 ميغاواط من الحرارة ، وهو ما يتوافق مع تسييل ~ 5 كيلوجرام من النيتروجين في الثانية. تبلغ قوة الهليوم 65 كيلو واط فقط ، وهو أقوى نظام في العالم. سيتم توفيره من خلال 3 وحدات تشغيل متوازية ، تضم كل منها 6 ضواغط و 2 موسعات توربينية.


مخطط مبسط

الأحجام الباردة لخطوط تسييل الهيليوم هي 4x22 متر في الحجم - أكثر من خزان للسكك الحديدية!


أحد الأحجام الباردة الثلاثة التي يتم فيها تجميع مصنع إنتاج الهليوم السائل.

يتم نقل السوائل والغازات المبردة المحضرة إلى مبنى توكاماك على طول خطوط خاصة ، بالطبع مرتبة بطريقة ماكرة إلى حد ما (إذا قمت بشيء ما فقط في مشروع ITER ، فسيتم طردك لعدم ملاءمته). هذا أنبوب مفرغ بقطر يصل إلى متر واحد حيث تمدد الخطوط مع الهليوم بدرجات حرارة ومراحل مختلفة - الهيليوم فوق الحرج عند درجة حرارة 4.5 كلفن ، والعودة الغازية عند 5.3 ، والغاز عند 50 ، 80 كلفن ، والعودة عند 300 كلفن ،


وتجميعات تخطيط الكريولين في نبات هندي.

ولكن للأسف ، لا تنتهي الصعوبات عند هذا الحد. مستهلكو البرد - تتطلب عناصر ITER المختلفة تحكمًا معقدًا في درجة الحرارة والضغط ومعدل تدفق المبردات. للقيام بذلك ، يوجد حوالي 50 صندوقًا للصمام البارد داخل مبنى توكاماك ، والذي يمزج ، يفصل ، يعيد توجيه تدفقات السوائل والغازات. بالإضافة إلى ذلك ، ستشمل 5 أحجام كبيرة باردة مساعدة من ACB ، واحد لكل نظام كبير من المغناطيس ومضخات التجميد ، مضخات التبريد ، والمبادلات الحرارية ، وخزانات عازلة الهليوم السائلة.


رسم تخطيطي مبسط لنظام توزيع غاز التبريد في مبنى توكاماك.


ومليئة بواحد من ACB!

نظام فرعي آخر في هذه الشبكة هو خطوط تفريغ الهليوم المغلي ، والتي تكون ضرورية إذا فقدت بعض المغناطيسات فائقة التوصيل. ومع ذلك ، تم تصميم أنظمة ITER المغناطيسية والمبردة بطريقة لاستعادة tokamak بعد إعادة الضبط في غضون ساعتين فقط.


صورة التصميم ACB.

من المثير للاهتمام تخيل كيف يجب أن يعمل كل هذا. بعد بدء عملية التبريد بالتبريد ، يتم تبريد المبردات والصناديق الباردة ، يتم ضخ البرد إلى ضغط 10 باسكال. تمتلأ مضخات الامتصاص بالتبريد بالهيليوم السائل وتجلب الضغط في المبرد للعمل 10 ^ -4 Pa. ثم يبدأ تبريد المغناطيس على مهل إلى 80 كيلو بمعدل 0.5 كيلو في الساعة. بعد أن يبرد المغناطيس 100 درجة ، يبدأ تبريد الشاشات الحرارية (هذا التسلسل ضروري لمنع تكثيف الهواء والماء على أجهزة التبريد). بعد 2.5 أسبوعًا ، يأتي النظام بأكمله إلى درجة حرارة النيتروجين السائل ، وهو أساس توقف خدمة ITER على المدى المتوسط. في الوقت نفسه ، ⅓ من نبات الهليوم و ½ من النيتروجين. مزيد من التبريد إلى 4.5 كيلو يستغرق أسبوعًا ،ثم يمكنك شحن المغناطيسات وبدء عمليات البلازما. في الوقت نفسه ، ستحدث عملية توكاماك نفسها لمدة 16 ساعة في اليوم ، يتم خلالها إجراء ما يصل إلى 40 "حقنة" و 8 ساعات من الفراغ واستعادة النظام الجليدي ، والتي سيتم خلالها إعادة توليد مضخات الامتصاص بالتبريد تمامًا من تسرب الهواء والرطوبة ، وتجديد السائل الهيليوم في خزانات ACB.


الأحمال الحرارية من مختلف العناصر والعمليات.

حتى الآن ، تم الانتهاء من تطوير مشروع النظام البردي بالكامل ، وتم الانتهاء من البحث ، وتم تسليم العقود (تم استلام الجزء الرئيسي من قبل Air Air Liquide) وبدأ تصنيع المعدات - على سبيل المثال ، في شهر يوليو ، نقلت شركة Sumitomo Precision Products Air Liquide أول 2 (من أصل 6) مبادلات حرارية 80K ، توفير تسييل النيتروجين ، وفي بداية العام تم صنع قذائف من تلك الأحجام الباردة جدًا من نباتات الهليوم السائلة.


تجميع واحد من ثلاثة مصانع لتسييل الهيليوم. اسطوانة بيضاء - حجم الفراغ البارد.

في المقابل ، في موقع ITER في يونيو من هذا العام ، بدأ تشييد المباني رقم 51.52 ، حيث توجد معدات مصنع cryocombinery ، وسوف تستمر حتى صيف عام 2017. في الهند ، يتم عمل نموذج بالحجم الطبيعي لقطعة من خطوط توزيع غازات التبريد وصناديق التبريد المختلفة ، وستبدأ العناصر الأولى من الكريولين في الوصول إلى الموقع في العام المقبل.

Source: https://habr.com/ru/post/ar382973/