ITER: جمعيات التشخيص

اسأل نفسك ، "لماذا يستغرق بناء ITER وقتًا طويلاً"؟ إذا كنت تقرأ ملاحظاتي بصدق حول هذا المشروع ، فإن أول ما يتبادر إلى الذهن هو "إنه تركيب معقد للغاية".


واحدة من عشرين مجموعة تشخيصية لمفاعل ITER الذي سيتم مناقشته

اليوم.تعقيد الهياكل الهندسية من الصعب قياس المادة ، على عكس ، على سبيل المثال ، الخوارزميات.. تاريخيا ، عملت البشرية باستمرار على تعقيد هياكلها وآلاتها وأنظمتها ، وتكافح مع التعقيد المتزايد من خلال تفكيكها إلى أعمال أصغر وأداءها بالتوازي ، وتوحيد الخبرة المكتسبة. يمكن توضيح النهج الأول ، على سبيل المثال ، مثل هذا: تم تصميم المبنى ليس عن طريق رسم قطع جاهزة مع جميع العناصر (الهيكل والكهرباء والتهوية والواجهات واتصالات المياه وما إلى ذلك) ، ولكن بالتوازي مع مفهوم مشترك من قبل أشخاص مختلفين. يتجلى النهج الثاني في استخدام المكونات القياسية ، وتطوير خوارزميات وحلول جاهزة ("يتم استخدام القيمة الحالية القصوى من 8-10 أمبير / مم 2 لتوصيل الأسلاك النحاسية" - لا يحتاج الجميع إلى التحقق من السؤال عن التيار الذي لن يسبب حريقًا ، وهذا منصوص عليه بالفعل في القواعد واللوائح المطور).

ومع ذلك ، فإن التحلل والتوازي للمهام الهندسية له جانب سلبي واضح - انخفاض في العوائد لكل شخص تمت إضافته. يشغل الاتصال واستكشاف الأخطاء وإصلاحها ومزامنة عمليات التطوير جزءًا متزايدًا من ساعات العمل.

إنه أمر سيئ بشكل خاص عندما لا يكون التحلل سهلاً ، حيث توجد الكثير من المشكلات ذات الصلة ، وحلول أحدها تسحب الحاجة لإعادة إصلاح الآخرين. من الناحية العملية ، تنشأ مثل هذه الصعوبات حيث تتلاقى العديد من التخصصات المختلفة في نقطة واحدة ، والتي يشغلها متخصصون مختلفون لا يعرفون بعضهم البعض جيدًا. على سبيل المثال ، إذا كان من الضروري عند تطوير رسومات التصميم مراعاة الحسابات في فيزياء النيوترونات والميكانيكا الحرارية والهيدروليكية الحرارية والقوى الكهرومغناطيسية ، وفي الوقت نفسه متطلبات كتلة التخصصات الهندسية - تكنولوجيا الفراغ وموثوقية السفن النووية تحت الضغط وإمكانية التصنيع والتجميع وإمكانية خدمة الروبوتات ... يبدو أنك تفهم أي نوع من التركيبات أقول.

سنتحدث اليوم عن التجميعات التشخيصية ، والتي يُشار إليها بخلاف ذلك "منفذ التوصيل الإضافي التشخيصي" - أقل عظمة من أنظمة ITER الرئيسية ، ولكن الأجهزة المعقدة والدقيقة بشكل لا يصدق.


مخطط الطابق ITER. في وسط عمود المفاعل ، توجد حوله غرف الميناء (خلايا المنفذ) ، حيث يمكن إدخال نظام التدفئة أو مجموعة بطانية الاختبار أو مجموعة التشخيص

يشير التشخيص في ITER إلى المعدات التي تقيس بعض معلمات البلازما (أي البلازما ، وأجهزة الاستشعار التي تقيس حالة الجهاز تسمى "الأجهزة"). على سبيل المثال في الواقع ، هذه أجهزة علمية للمفاعل. على سبيل المثال ، قد يكون جهاز مراقبة نيوتروني يقيس تدفق النيوترون من البلازما ، ويميز الطاقة النووية الحرارية للمفاعل. أو مقياس انعكاس الميكروويف يتلقى ملفًا شخصيًا لدرجة الحرارة وكثافة البلازما عبر سلك البلازما. سيتم تركيب ما مجموعه 47 نظامًا تشخيصيًا من جميع الأنواع التي يمكن تصورها في ITER (وأكثر من عشرة آلاف جهاز استشعار للأجهزة فقط في المفاعل).


أنظمة التشخيص على مقياس هيكل ITER (مظللة باللون الأخضر). يتم تجميع الأجزاء المادية للأجهزة في مجموعات تشخيصية في الموانئ ، وتقع الإلكترونيات والخوادم في مبنى مرفق منفصل

بما أن البلازما في توكاماك محاط بغرفة مفرغة وخلية قوية من المغناطيس ، فإن الوصول إلى البلازما لا يمكن تحقيقه إلا من خلال الثقوب في هذين النظامين. في ITER ، تسمى الفتحات الموانئ ويتم تنظيمها في ثلاث مستويات: الجزء السفلي هو المحول ، الاستوائي في المنتصف والمستوى العلوي يسمى العلوي. هناك 44 منفذًا في المجموع: 9 محول ، 17 استوائي و 18 علوي.


خلايا الموانئ ، وتوصيل الأنابيب ، وغرفة فراغ. بالمناسبة ، انتبه إلى الهارمونيكا على الأنابيب الموصلة - فهي ضرورية للتعويض عن التغيير في حجم المفاعل أثناء التبريد وأي حركات ناتجة عن أعطال البلازما.

للمنافذ أغراض مختلفة: من خلال البعض تنظر إلى أنظمة تسخين البلازما ( التردد اللاسلكي ، على سبيل المثال ، الهوائيات)IRCH ) ، سيتم شغل 4 منافذ تحويل بواسطة مضخات الامتصاص بالتبريد ، وسيحصل البعض على إمكانية الوصول إلى الروبوتات داخل الحيد ، و 3 منافذ استوائية ستشغلها مجموعات تجريبية من بطانية الانتشار (سيتم إنتاج التريتيوم من الليثيوم وسيتم تقييم المتغيرات الهندسية المختلفة لهذه البطانية) ، وأخيرًا 6 استوائية و 11 ستكون المنافذ العليا مشغولة بالتشخيص.



موقع التجمع التشخيصي للمنفذ الاستوائي رقم 1. القطعة ذات الأنابيب الرمادية عبارة عن غرفة نيوترونية شعاعية تتلقى صورة نيوترونية منخفضة الدقة لحقل نيوتروني في البلازما

لكل منفذ تشخيص ، يتم إدخال منفذ - تجميع طويل يصل وزنه إلى 150 طنًا ، والذي يمكن تثبيته وإزالته بواسطة نظام الخدمة الروبوتية ITER. تتضمن هذه المجموعة ما يصل إلى 10 أدوات علمية ، وحمايتها وتبريدها من الإشعاع النيوتروني والكهرومغناطيسي من البلازما ، والاتصالات الضرورية ، إلخ.


التجمع التشخيصي للمنفذ الاستوائي رقم 11 ، تم تطويره في نوفوسيبيرسك INP. طول التجميع - حوالي 17 مترًا.

نظرًا لموقعها في المكونات الإضافية للمنفذ ، تتلاقى المتطلبات المتضاربة للعديد من التخصصات. لنبدأ بسردها:

يتضمن مدخل المنفذ جزء الفراغ الأمامي (يسمى منفذ التوصيل) والجزء الجوي الخلفي (يسمى إدراج كاميرا المنفذ) ، مما يعني أن جميع الاتصالات يتم قطعها بواسطة مصاريع ضيقة ، ونوافذ ، وما إلى ذلك. في الوقت نفسه ، يجب أن يفي الجزء الفراغي من قابس المنفذ بالشروط الصارمة للغاية للفراغ العالي للغاية لحافز ITER ، مما يعني متطلبات مثل مجموعة ضيقة من المواد ، وغياب التجاويف المغلقة (التي يمكن حفرها مع بقايا الهواء) ، على سبيل المثال ، الخيوط العمياء ، والحاجة إلى تنظيف كتلة الفراغ بأكملها من العضوية التلوث قبل التثبيت في المفاعل.


لذلك ، يجب رسم جميع المسارات الضوئية / ميكروويف من خلال هذه النوافذ الضيقة ، ويجب أن تصنع الموصلات الكهربائية بتجويف وسيط مع فراغ أمان.

يجب تجميع التصميم الكامل لإدخال المنفذ ، والذي يتضمن الأنظمة البصرية الدقيقة للعلماء ، عن طريق الروبوتات بدقة منخفضة ، مما يعني أن جميع الأنظمة التي تتطلب تثبيتًا دقيقًا يجب أن تكون قادرة على التعديل - لديها مرايا متحركة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أيضًا إجراء الإرساء لجميع الاتصالات تلقائيًا - فقد اتضح نظامًا آليًا للغاية من هذا النوع ، لم يفعله أي شخص في العالم حتى الآن.


أحد الكوابيس الهندسية ITER هي الأنظمة البصرية التي تنقل إشعاع البلازما إلى مطياف دقيق يتم إزالته في الذيل. فيما يلي مشاكل التشوهات الحرارية ، ومشاكل المحاذاة ، ومشكلات تنظيف البصريات ، ومشكلات "فصل" التدفق النيوتروني وتدفق الضوء

سيخضع الهيكل بأكمله لإشعاع نيوتروني أكثر شدة من المفاعلات النووية ، لذلك سيكون الدرع النيوتروني للفولاذ والماء وكربيد البورون في المقدمة. لكي لا يتحول هيكل التجميع إلى نفايات مشعة للغاية ، يجب إضعاف الإشعاع النيوتروني في الجزء الخلفي من قابس المنفذ 10 مليون مرة. في هذه الحالة ، من الضروري الانحناء في الدفاع عن جميع قنوات التشخيص التي تنظر إلى البلازما حتى لا تتمكن النيوترونات من المرور عبر هذه القنوات مباشرة. إذا لم يكن من الممكن ثني القنوات (على سبيل المثال ، بالنسبة للأشعة السينية وإشعاع جاما والإشعاع النيوتروني لا توجد مرايا) ، فمن الضروري إحاطة هذه العناصر بعناصر منفصلة لحماية النيوترون.


مثال على الحساب الهيدروليكي الحراري للعناصر الأكثر تحميلًا للحرارة للمكون الإضافي للمنفذ (وحدات الحماية التشخيصية)


وإليك مثال على تحسين تبريد مجموعة بصرية ،

فالحماية من الإشعاع النيوتروني والكهرومغناطيسي (تسمى كتل الحماية التشخيصية من DZM والجدار التشخيصي الأول من DPS) ستتعرض لتدفقات حرارية قوية من تفاعل نووي حراري يستغرق عدة أمتار.

يمكن أن يصل الحمل الحراري إلى عدة ميغاوات ، وهو ضخم - مما يعني أنه يجب اختراق جميع تصميمات قابس المنفذ بقنوات تتدفق المياه للتبريد.

في حالة تعطل البلازما ، ستؤدي قوة قابس المنفذ إلى تيارات مئات الآلاف من الأمبير ، مما لا يسبب فقط تسخينًا إضافيًا ، ولكن أيضًا قوى كهرومغناطيسية (بسبب التفاعل مع المجال المغناطيسي لتوكاماك) لآلاف الأطنان ، والتي يجب حسابها وأخذها بعين الاعتبار وتصميمها تصميم بحيث يمكن أن تصمد أمام هذه الجهود.


الحساب الكهرومغناطيسي بالميناء العلوي DZM. تيارات التيار التي تتفاعل مع المجال المغناطيسي ITER تخلق "تمزق" DZM من عش القوة على مقياس عشرات الأطنان من القوة.

نعم ، نظرًا لوجود التريتيوم في المفاعل ، فإن قابس المنفذ هو حاجز عدم الانتشار. من الضروري أن يثبت للمراقبة الذرية الفرنسية أنه تحت جميع الأحمال المحتملة (على سبيل المثال ، الزلزالية) لن يتم كسر الحاجز.

وأيضاً لتشخيص جميع اللحامات التي ستكون في هذا التصميم لتثبت أنها لن تتسرب. هذه المهمة معقدة بسبب هندسة اللغز ، حيث يكاد يكون من المستحيل الوصول إلى بعض اللحامات من الجانبين للقيام بالتحكم بالأشعة السينية.

دعني أذكرك بأن هذا التصميم يجب أن يعمل لمدة 15 عامًا على الأقل ، وأن يتم خدمته في أحسن الأحوال بواسطة أفراد لديهم وقت وصول محدود وفي ملابس واقية ، وبشكل أفضل بواسطة الروبوتات.


حساب الحرارية المائية لقنوات التبريد DZM. من الحفر في المعادن العمياء عبر النوافذ مع اللحام اللاحق للنوافذ - موضوع منفصل في مجال البطانيات الهندسية والمكونات الإضافية للمنفذ.

هل انت قليل؟ تخيل الآن أن هندسة هذا التثبيت تتم من قبل فرق تقع في فرنسا وروسيا والهند والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية.

ونتيجة لذلك ، يؤدي أي ، حتى أدنى تغيير في التصميم ، إلى الحاجة إلى العديد من عمليات إعادة العد والموافقات ، وعلى الأرجح - تغييرات التصميم التالية.

روسيا مسؤولة عن تكامل المعدات العلمية وتصميم إدخالات المنفذ الاستوائي رقم 11 (حيث سيكون هناك 8 أنظمة علمية ، سنتحدث عنها) والميناءين العلويين رقم 2 و 8. يعني "التكامل" هنا تطوير وتصنيع تصميم يجمع 8 تشخيصات وستفي بجميع المتطلبات المذكورة أعلاه. يقوم بهذا العمل معهد نوفوسيبيرسك للفيزياء النووية (INP) ، ويشارك فيه حوالي 30 شخصًا. بينما يستعد فريق INP للحماية الأولية للمشروع في Kadarash ، سيبدأ الإنتاج الفعلي للنماذج الأولية اللازمة لحماية التصميم الفني لمعدات الموانئ الاستوائية رقم 11 في غضون عامين.



المنفذ الاستوائي رقم 11 هو أول مجموعة تشخيصية ITER يتم تثبيتها على المفاعل ، ويتم جمع التشخيصات اللازمة للبلازما الأولى (المخطط لها في ديسمبر 2025) لتحليل سلوك البلازما في الجهاز هنا. وشملت هذه:

1. مقياس انعكاس المجال الضعيف (الولايات المتحدة الأمريكية) هو رادار ذو نطاق عريض بالموجات الصغرية (15-220 غيغاهرتز) يدرس توزيع كثافة الإلكترونات على شكل البلازما. مقياس تشخيصي مهم لكثافة ودرجة حرارة خصائص البلازما.
2. محلل الغازات المتبقية (الولايات المتحدة) - مطياف الكتلة الذي يقيس التركيب الكيميائي للغازات المتبقية في غرفة فراغ بعد الضخ
3. H-alpha (). , — -, H- .
4. () — , ( ) . . , ( , ) 12 .
5. - .
6. (-) (-) (). . , ( ) . .
7. (). , — , (, , , , ..), . , - () .
8. () — , , , , , ..

يتم تجميع عناصر مطياف الكريستال بالأشعة السينية الهندية من ثمانية تشخيصات في شكل ثلاث كتل ، والتي تم ضمها بالفعل في منفذ ITER: قابس المنفذ ، إطار الدعم في استمرار المنفذ (OPOP) ، إطار دعم كاميرا المنفذ. الأصعب في التطوير هو قابس المنفذ - الجزء الفراغي للتجميع ، والذي لا يمكن أن يتجاوز وزنه 45 طنًا.

يتكون قابس المنفذ من غلاف يوفره ITER-IO ، الجدران التشخيصية الأولى التي تحمي المنفذ من الإشعاع الكهرومغناطيسي (يوجد 10 ملم من البريليوم هنا على قاعدة نحاسية مبردة بشكل مكثف) والبلازما ، ووحدات الحماية التشخيصية التي تمتص الإشعاع النيوتروني - من حيث المبدأ ، من الناحية الهيكلية المكون الإضافي مشابه لوحدات الحماية والجدار الأول من بطانية ITER.



يتم إدخال قابس المنفذ المجمع في المنفذ (من الناحية المثالية بمساعدة الروبوتات) ومختومًا بشفة الترباس ، ويتم إغلاق الشفة نفسها أيضًا بواسطة غطاء غطاء مع فراغ أمان. يتم توصيل إطار الدعم الأول ، الذي يربط استمرار المسارات التشخيصية (بالإضافة إلى خطوط التبريد ، والموصلات الكهربائية لأجهزة التوصيل بالمنفذ ، والأعمدة وقضبان الربط لمحاذاة المرآة ، وما إلى ذلك) بالنوافذ المفرغة على شفة قابس المنفذ ، بـ portplag. تقع جميع هذه العناصر بشكل هيكلي داخل جهاز التبريد ، أي في رمح المفاعل. خلف الإطار الداعم الأول ، يوجد قابس للأمان البيولوجي يحمي من إشعاع جاما للبلازما وهياكل المفاعلات المنشطة ، وخلفه إطار ثانٍ ، مع الجزء الأكبر من معدات القياس.



شفة الفراغ لقابس المنفذ وميكنته الالتحام لمسارات التشخيص وخطوط أنابيب التبريد.

ومن المثير للاهتمام ، حتى الآن ، أن أياً من شركات تكامل المنافذ لم يستوف مجموعة المتطلبات على قابس المنفذ الذي يبلغ 45 طنًا من الوزن الأقصى وتوهين التدفق النيوتروني بمقدار 10 ^ 7 مرات. تم تضمين هذه المتطلبات في مشروع ITER الأولي قدر الإمكان ، ولكن اتضح عمليًا أنه من المستحيل تلبيتها باستخدام الحماية من الماء الصلب. الآن ، يتم إدخال حماية كربيد البورون في تصميم سدادات الميناء - على الرغم من أنه غير مرغوب فيه لتفريغ المفاعل (يطلق البورون الهليوم تحت تدفق النيوترون ، الذي يحتاج إلى ضخ ، مما يعطي حمولة غير مخططة على نظام فراغ ITER).

تظهر هذه الحلقة مرة أخرى أن التحلل والتطور الموازي لمثل هذه الأنظمة المعقدة سيعثران دائمًا على نقص الفهم المشترك في مرحلة سحق المهام إلى أنظمة صغيرة.


- 11. 5 /3 , , 250 .

هناك مؤامرة مهمة لمدمجي المكونات الإضافية للمنفذ هي أن ITER هو منشأة نووية. من الضروري ليس فقط الحماية من الإشعاع المؤين ، ولكن أيضًا تنظيم حواجز عدم الانتشار من غرفة فراغ tokamak - أي داخل الغرفة بعد الحملات النووية الحرارية الأولى ، سيتراكم التريتيوم والغبار المشع من الهياكل. من وجهة نظر عملية ، هذا يعني أن الهيكل بأكمله يجب أن يكون معتمدًا وفقًا للقواعد الفرنسية في مجال التنظيم النووي ESPN و RCC-MR 2007. علاوة على ذلك ، ليس فقط الهيكل ، ولكن أيضًا أساليب ومعارف ومهارات المصممين ونظام الجودة - يمكن مقارنة كمية العمل الورقي مع حجم أعمال التصميم.


سيتم تجميع التجميع التشخيصي للمنفذ الاستوائي رقم 11 جزئيًا من المكونات القياسية لتوريد ITER-IO ومن المكونات التي ستقوم INPP بتصنيعها في مصنعها. على سبيل المثال ، هنا نموذج أولي لسلة لكتل ​​حماية النيوترون من كربيد البورون ، وهي مصممة للاختبار.




في إطار هذا المشروع ، ستقوم INP بتحديث إنتاجها ، بما في ذلك تجهيز موقع تجميع واختبار كبير إلى حد ما - أتذكر أن أثقل المكونات هنا ستزن ما يصل إلى 45 طنًا.

أعتقد أنه سيكون من المثير للاهتمام للغاية أن ننظر في إنتاج واختبار الحديد من نفس التعقيد. لا أخشى أن أقول إن مثل هذه التطورات تحدد اليوم السجلات الجديدة للبشرية من حيث التعقيد الهندسي وتضع الحدود لما هو ممكن.

Source: https://habr.com/ru/post/ar397611/