ITER Kryogenes System

Der ITER International Thermonuclear Reactor ist die ehrgeizigste wissenschaftliche Anlage, die derzeit in Südfrankreich gebaut wird. Viele Elemente dieses Tokamaks haben die Präfixe "record", "first of seiner Art", "das mächtigste der Welt". Einige Einheiten erforderten beispielsweise mehr als zehn Jahre Forschung und Prototypenbau, um die erforderlichen Parameter zu erreichen. Es ist jedoch schwer zu erwarten, dass einfache Hilfssysteme wie die Wasserkühlung oder die Stromversorgung des wissenschaftlichen Komplexes einige Rekorde brechen werden. Das ITER-Kryosystem, das die Temperaturen von flüssigem Helium kühlt, wird jedoch das leistungsstärkste der Welt sein. Hauptverbraucher sind supraleitende Magnete und Vakuumpumpen mit Kryofallen.. Kilometer evakuierte Leitungen mit Innenrohren mit flüssigem und überkritischem Helium, Pumpen, die bei einer Temperatur von 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt arbeiten, und Ausrüstung in Duarschiffen von der Größe eines Eisenbahntanks - schauen wir uns das genauer an.



Eines der Hauptprobleme von ITER-ähnlichen Tokamaks ist die Kühlung ihrer riesigen supraleitenden Magnete . Das Aufrechterhalten einer Temperatur von 4,5 K ist eine sehr energieintensive Aufgabe - wir müssen 500 Joule für den Betrieb des Kühlschranks für jedes wärmefließende Joule ausgeben. Wenn die Magnete in keiner Weise thermisch isoliert wären, wären Dutzende Gigawatt Leistung in den Betrieb des ITER-Kryosystems geflossen. Daher ist die Kühlung „tief getrennt“ von der äußeren und inneren Wärme der Anlage.


Überblick über die „Kryokombination“ - das weltweit leistungsstärkste Kühlsystem zur Bereitstellung von ITER-Kryokältemitteln.

Zunächst wird der gesamte Reaktor in das Vakuumvolumen des Kryostaten eingetaucht. So können Sie nicht an die Wärmeübertragung von der Luft auf die Magnete denken. Kryo-Siebe - Spiegelbleche aus Stahl, die mit einem Kühlsystem beschichtet sind und eine Temperatur von 80 K haben, schützen vor Wärmestrahlung.


Wärmebildschirme, die supraleitende ITER-Magnete von allen Seiten „umwickeln“.

Somit „sehen“ die supraleitenden Magnete selbst die Oberflächen um sie herum nur mit einer Temperatur von 80 K (und nicht 300 oder sogar 520 K - der maximalen Temperatur, auf die die äußeren Elemente des Tokamaks erwärmt werden), und dies reduziert den Wärmefluss zu den Magneten um das ~ 10-fache. Kryo-Bildschirme haben eine komplexe Form und sind selbst Verbraucher der Kapazitäten von ITER-Kühlschränken.


Eines der ersten Serienelemente eines Kryoscreens, das kürzlich in Südkorea hergestellt wurde.

Schließlich wird der geringe verbleibende Wärmefluss von außen von flüssigem Helium aufgenommen, das durch jeden Magneten gepumpt wird (für das das zum Umwickeln von Magneten verwendete Kabel auf ziemlich schwierige Weise hergestellt ist). Darüber hinaus entsteht Wärme in den Magneten durch eine schnelle Stromänderung (typisch für CS- und PF-Magnete) und durch Neutronenstrahlung aus dem Reaktor.


Supraleitendes Kabel der ITER-Ringspule. Die Spirale im Inneren und die sichtbaren Hohlräume zwischen den Strängen sind für flüssiges Helium.

Die Wärmeleistung, die die gekühlten Magnete im Betrieb abgeben, beträgt 110 Kilowatt, und dies bedeutet, dass die Leistung des Kühlschranks für sie mindestens 55 Megawatt betragen sollte. Das ITER-Team nutzt jedoch die Tatsache, dass ITER in einem gepulsten Modus arbeitet - ein „Schuss“, der einmal pro halbe Stunde bis zu 700 Sekunden dauert, um die Leistung und die Kosten der Kryokombination zu reduzieren, in der sich die Kühlschränke befinden.


Magnete sind der Hauptkonsument von Kälte. Anordnung der Helium- und Stromeingänge zu Magneten.

Auf diese Weise wurde die durchschnittliche Wärmeabgabe bei 4,5 K auf 65 Kilowatt reduziert, und dies muss durch die Organisation von Tanks mit flüssigem Helium bezahlt werden, die Spitzenlasten aufnehmen. Separate Gruppen von Verbrauchern von flüssigem Helium sind Kryosorptions- und Kryokondensationsvakuumpumpen, Gyrotronmagnete, es gibt kalte Verbraucher bei einer Temperatur von 50 Kelvin (supraleitende Eingänge), 80K - Kryoscreens.


Ein weiterer wichtiger Verbraucher sind Kryopumpen (grün auf der Unterseite).

Die Kryokombination, die das gesamte System mit Kältemitteln versorgt, befindet sich in einem separaten Gebäude. Es ist in Produktionskapazitäten für flüssigen Stickstoff unterteilt, die wiederum überschüssige Wärme aus der Produktionswerkstatt für flüssiges Helium abgeben. Im Allgemeinen arbeiten Helium- und Stickstoffanlagen nach dem gleichen Prinzip: Der Kompressor komprimiert das Gas, aus dem es sich erwärmt, überschüssige Wärme aus dem Gas wird in den externen Kreislauf abgegeben und anschließend dem Turboexpander zugeführt, wo es sich ausdehnt und abkühlt.


Helium-Turboexpander von Heliummash. Bei Heliumverflüssigern ist die kryogene ITER-Anlage ungefähr gleich.

Der Gasstrom vom Kompressor zum Turboexpander und zurück wird in einen anderen Gegenwärmetauscher gedrückt, wodurch die Gastemperatur am Auslass des Turboexpanders allmählich zur Kondensation gesenkt werden kann. Gleichzeitig befinden sich Turboexpander und Wärmetauscher in speziellen evakuierten „Kaltvolumina“ (oder Kühlbox auf Englisch). Die Wärmekapazität der Stickstoffwerkstatt beträgt 1,3 Megawatt Wärme, was einer Verflüssigung von ~ 5 Kilogramm Stickstoff pro Sekunde entspricht. Die Heliumleistung beträgt nur 65 Kilowatt und ist das leistungsstärkste System der Welt. Es wird von 3 parallelen Betriebseinheiten bereitgestellt, von denen jede 6 Kompressoren und 2 Turboexpander enthält.


Ein vereinfachtes Schema einer Kryokombination.

Das kalte Volumen der Heliumverflüssigungsleitungen ist 4 x 22 Meter groß - mehr als ein Eisenbahntank!


Eines der drei Kaltvolumina, in denen die Anlage zur Herstellung von flüssigem Helium montiert ist.

Vorbereitete kryogene Flüssigkeiten und Gase werden in speziellen Linien in das Tokamak-Gebäude transferiert, natürlich auf eine ziemlich listige Art und Weise (wenn Sie nur etwas im ITER-Projekt tun, werden Sie wegen Ungeeignetheit rausgeschmissen). Dies ist ein evakuiertes Rohr mit einem Durchmesser von bis zu 1 Meter, in dem Leitungen mit Helium verschiedener Temperaturen und Phasen gedehnt werden - überkritisches Helium bei einer Temperatur von 4,5 K, Gasrückführung bei 5,3, Gas bei 50, 80 K, Rückführung bei 300 K,


Layout-Anordnungen von Kryolinen in einer indischen Anlage.

Leider enden die Schwierigkeiten hier nicht. Kältekonsumenten - verschiedene Elemente von ITER erfordern eine komplexe Kontrolle von Temperatur, Druck und Durchflussrate von Kältemitteln. Zu diesem Zweck befinden sich im Tokamak-Gebäude etwa 50 Kaltventilboxen, die die Ströme von Kryoliquiden und Gasen mischen, trennen und umleiten. Zusätzlich werden 5 große zusätzliche Kaltvolumina von ACB, eines für jedes große System von Magneten und Kryopumpen, Kryopumpen, Wärmetauscher und Flüssigheliumpuffertanks umfassen.


Ein vereinfachtes Diagramm eines Kältemittelverteilungssystems in einem Tokamak-Gebäude.


Und voll von einem der ACB!

Ein weiteres Teilsystem in dieser Bahn sind die kochenden Heliumentladungsleitungen, die benötigt werden, wenn einige der supraleitenden Magnete verloren gehen. Die magnetischen und kryogenen Systeme von ITER sind jedoch so ausgelegt, dass der Tokamak nach einem solchen Zurücksetzen in nur wenigen Stunden wiederhergestellt wird.


Design Image ACB.

Es ist interessant sich vorzustellen, wie das alles funktionieren sollte. Nach dem Start der Kryokombination werden Kryoline und Kühlboxen abgekühlt und der Kryostat auf einen Druck von 10 Pa abgepumpt. Kryosorptionspumpen sind mit flüssigem Helium gefüllt und bringen den Druck im Kryostaten auf 10 ^ -4 Pa. Dann beginnt das gemächliche Abkühlen der Magnete auf 80 K mit einer Geschwindigkeit von 0,5 K pro Stunde. Nachdem die Magnete um 100 Grad abgekühlt sind, beginnt die Abkühlung der thermischen Siebe (diese Reihenfolge ist erforderlich, um die Kondensation von Luft und Wasser auf den Kryosieben zu verhindern). Nach 2,5 Wochen erreicht das gesamte System die Temperatur von flüssigem Stickstoff, die die Grundlage für mittelfristige ITER-Servicestopps bildet. Gleichzeitig arbeiten ⅓ einer Heliumpflanze und ½ Stickstoff. Das weitere Abkühlen auf 4,5 K dauert eine Woche.Dann können Sie die Magnete aufladen und den Plasmabetrieb starten. Gleichzeitig wird der Tokamak-Vorgang selbst 16 Stunden am Tag durchgeführt, wobei bis zu 40 „Schüsse“ und 8 Stunden Vakuum- und Kryosystemwiederherstellung durchgeführt werden, wobei die Kryosorptionspumpen vollständig aus austretender Luft und Feuchtigkeit regeneriert werden und Flüssigkeit nachfüllen Helium in ACB-Tanks.


Wärmebelastungen durch verschiedene Elemente und Vorgänge.

Bis heute wurde die Entwicklung des gesamten Kryosystemprojekts abgeschlossen, die Forschungsarbeiten wurden abgeschlossen, Verträge wurden vergeben (der Hauptteil wurde von French Air Liquide erhalten) und die Herstellung der Ausrüstung hat sogar begonnen - zum Beispiel haben Sumitomo Precision Products im Juli Air Liquide die ersten 2 (von 6) 80K-Wärmetauscher übertragen. Zur Verflüssigung von Stickstoff wurden zu Beginn des Jahres Schalen dieser sehr grandiosen kalten Mengen von Flüssig-Helium-Pflanzen hergestellt.


Montage einer von drei Heliumverflüssigungsanlagen. Weißer Zylinder - kaltes Vakuumvolumen.

Am ITER-Standort im Juni dieses Jahres wurde mit dem Bau der Gebäude Nr. 51.52 begonnen, in denen sich die Ausrüstung der Kryokombinerie befindet. Diese wird bis zum Sommer 2017 dauern. In Indien wird ein Modell eines Segments von Kältemittelverteilungsleitungen und verschiedenen Kühlboxen erstellt, und bereits im nächsten Jahr werden die ersten Elemente von Kryolinen am Standort eintreffen.

Source: https://habr.com/ru/post/de382973/