ITER: Diagnosebaugruppen

Fragen Sie sich: "Warum dauert der Bau von ITER so lange?" Wenn Sie meine Notizen zu diesem Projekt ehrlich lesen, fällt Ihnen als Erstes ein: „Es ist eine äußerst komplizierte Installation.“


Eine von zwei Dutzend diagnostischen Baugruppen des ITER-Reaktors, die heute diskutiert werden.

Die Komplexität technischer Strukturen ist im Gegensatz zu beispielsweise Algorithmen eine schwer zu messende Substanz .. In der Vergangenheit hat die Menschheit ihre Strukturen, Maschinen und Systeme kontinuierlich kompliziert und mit zunehmender Komplexität zu kämpfen, indem sie sie in kleinere Werke zerlegte und parallel ausführte und die gewonnenen Erfahrungen standardisierte. Der erste Ansatz lässt sich beispielsweise folgendermaßen veranschaulichen: Ein Gebäude wird nicht durch Zeichnen fertiger Teile mit allen Elementen (Struktur, Elektrik, Lüftung, Fassaden, Wasserkommunikation usw.) entworfen, sondern parallel zu einem gemeinsamen Konzept verschiedener Personen. Der zweite Ansatz manifestiert sich in der Verwendung von Standardkomponenten, der Entwicklung vorgefertigter Algorithmen und Lösungen („für Kupferdrahtverkabelungen wird der maximale Stromwert von 8-10 Ampere / mm2 verwendet“ - jeder muss nicht die Frage untersuchen, welcher Strom keinen Brand verursacht, dies ist bereits in den Regeln und Vorschriften festgelegt Entwickler).

Die Zerlegung und Parallelisierung von Engineering-Aufgaben hat jedoch einen offensichtlichen Nachteil - einen Rückgang der Renditen für jede hinzugefügte Person. Die Kommunikation, Fehlerbehebung und Synchronisierung von Entwicklungsprozessen nimmt einen zunehmenden Teil der aufgewendeten Arbeitsstunden ein.

Es ist besonders schlimm, wenn die Zersetzung nicht einfach ist, wenn es viele verwandte Probleme gibt und Lösungen für eines die Notwendigkeit ziehen, die anderen zu wiederholen. In der Praxis treten solche Schwierigkeiten auf, wenn an einem Punkt viele verschiedene Disziplinen zusammenlaufen, die von verschiedenen Spezialisten besetzt sind, die sich nicht gut kennen. Wenn zum Beispiel für die Entwicklung von Konstruktionszeichnungen Berechnungen in den Bereichen Neutronenphysik, Thermomechanik und Thermohydraulik, elektromagnetische Kräfte und gleichzeitig die Anforderungen der Masse der technischen Disziplinen berücksichtigt werden müssen - Vakuumtechnologie, Zuverlässigkeit von Kernbehältern unter Druck, Herstellbarkeit und Sammlung, die Möglichkeit, Roboter zu warten ... scheinen Sie zu verstehen, welche Art von Installation Ich sage.

Heute werden wir über Diagnosebaugruppen sprechen, die auch als "Diagnose-Plug-In-Port" bezeichnet werden - weniger grandios als die wichtigsten ITER-Systeme, aber unglaublich komplexe und präzise Geräte.


ITER Grundriss. In der Mitte des Reaktorschachts befinden sich um ihn herum Anschlusskammern (Anschlusszellen), in die ein Heizsystem, eine Testdeckenbaugruppe oder eine Diagnosebaugruppe eingesetzt werden kann

Die Diagnose in ITER bezieht sich auf Geräte, die einige Plasmaparameter messen (nämlich Plasma, Sensoren, die den Zustand einer Maschine messen, werden als „Instrumentierung“ bezeichnet). Das heißt, in der Tat sind dies wissenschaftliche Geräte des Reaktors. Beispielsweise kann es sich um einen Neutronenmonitor handeln, der den Neutronenfluss aus einem Plasma misst und die thermonukleare Leistung eines Reaktors charakterisiert. Oder ein Mikrowellenreflektometer, das ein Profil von Temperatur und Plasmadichte über ein Plasmakabel empfängt. Insgesamt 47 Diagnosesysteme aller denkbaren Typen werden am ITER installiert (und mehr als zehntausend Instrumentensensoren nur am Reaktor).


Diagnosesysteme im Maßstab der ITER-Struktur (grün hervorgehoben). Die physischen Teile der Geräte werden in Diagnosebaugruppen in den Ports zusammengebaut, und die Elektronik und die Server befinden sich in einem separaten angeschlossenen Gebäude

Da das Plasma in Tokamaks von einer Vakuumkammer und einer starken Magnetzelle umgeben ist , ist der Zugang zum Plasma nur durch Löcher in diesen beiden Systemen möglich. In ITER werden Öffnungen als Ports bezeichnet und sind in drei Ebenen unterteilt: Die untere Ebene ist der Divertor, die äquatoriale in der Mitte und die obere Ebene wird als obere Ebene bezeichnet. Insgesamt gibt es 44 Ports: 9 Divertor, 17 äquatoriale und 18 obere.


Anschlusszellen, Verbindungsrohre, Vakuumkammer. Achten Sie übrigens auf die Mundharmonika an den Verbindungsrohren - sie werden benötigt, um die Änderung der Größe des Reaktors während des Abkühlens und alle Bewegungen, die durch Plasmaausfälle verursacht werden, auszugleichen. Die

Anschlüsse dienen unterschiedlichen Zwecken: Durch einige beobachten Heizsysteme ( Hochfrequenz , z. B. Antennen, am Plasma)IRCH ), 4 Divertoröffnungen werden von Kryosorptionspumpen besetzt sein , einige werden Zugang zu Robotern innerhalb des Torus haben, 3 Äquatorialöffnungen werden von experimentellen Anordnungen der Ausbreitungsdecke besetzt sein (Tritium aus Lithium wird hergestellt und verschiedene technische Varianten einer solchen Decke werden bewertet), schließlich 6 Äquatorial- und 11 Die oberen Ports sind mit der Diagnose beschäftigt.



Der Ort der Diagnoseanordnung des Äquatorialports Nummer 1. Ein Stück mit grauen Röhren ist eine radiale Neutronenkammer, die ein Neutronenbild mit niedriger Auflösung eines Plasma-Neutronenfeldes empfängt

Für jeden Diagnoseanschluss wird ein Anschlusseinsatz hergestellt - eine lange Baugruppe mit einem Gewicht von bis zu 150 Tonnen, die vom ITER-Roboterservicesystem installiert und entfernt werden kann. Diese Baugruppe umfasst bis zu 10 wissenschaftliche Instrumente, deren Schutz und Kühlung vor Neutronen und elektromagnetischer Strahlung aus Plasma, notwendige Kommunikation usw.


Diagnoseanordnung des Äquatorialports Nr. 11, entwickelt am Nowosibirsk INP. Montagelänge - ca. 17 Meter.

Aufgrund ihrer Position in Port-Plug-Ins konvergieren widersprüchliche Anforderungen vieler Disziplinen. Beginnen wir mit der Auflistung:

Der Anschlusseinsatz umfasst den vorderen Vakuumteil (als Plug-In-Anschluss bezeichnet) und den hinteren atmosphärischen Teil (als Anschlusskameraeinsatz bezeichnet). Dies bedeutet, dass die gesamte Kommunikation durch vakuumdichte Verschlüsse, Fenster usw. unterbrochen wird. Gleichzeitig muss der Vakuumteil des Anschlusssteckers die extrem strengen Bedingungen des Ultrahochvakuums des ITER-Torus erfüllen. Dies bedeutet Anforderungen wie eine enge Materialauswahl, das Fehlen geschlossener Hohlräume (die mit Luftresten ätzen können), z. B. Blindgewinde, die Notwendigkeit, den gesamten Vakuumblock von organischen Stoffen zu reinigen Verschmutzung vor dem Einbau in den Reaktor.


Daher müssen alle optischen / Mikrowellenpfade durch solche vakuumdichten Fenster gezogen werden, und die elektrischen Verbinder müssen mit einem Zwischenhohlraum mit einem Sicherheitsvakuum hergestellt werden.

Das gesamte Design des Anschlusseinsatzes, einschließlich der optischen Präzisionssysteme von Wissenschaftlern, muss von Robotern mit geringer Genauigkeit zusammengebaut werden. Dies bedeutet, dass alle Systeme, die eine präzise Installation erfordern, einstellbar sein müssen - mit beweglichen Spiegeln. Darüber hinaus sollte das Andocken aller Kommunikationen auch automatisch erfolgen - es stellt sich heraus, dass es sich um ein sehr, sehr automatisiertes System dieses Typs handelt, das bisher noch niemand auf der Welt durchgeführt hat.


Einer der technischen Albträume von ITER sind optische Systeme, die Plasmastrahlung auf die empfindlichen Spektrographen übertragen, die in den Schwanz entfernt wurden. Hier sind die Probleme der thermischen Verformung und die Probleme der Ausrichtung und die Probleme der Reinigungsoptik und die Probleme der "Trennung" des Neutronenflusses und des Lichtflusses

Die gesamte Struktur wird einer stärkeren Neutronenstrahlung ausgesetzt sein als in Kernreaktoren, so dass sich die Neutronenabschirmung aus Stahl, Wasser und Borcarbid vorne befindet. Damit sich die Montagestruktur nicht in hochradioaktiven Abfall verwandelt, muss die Neutronenstrahlung auf der Rückseite des Anschlusssteckers 10 Millionen Mal geschwächt werden. In diesem Fall müssen alle Kanäle der Diagnostik, die das Plasma betrachten, zur Verteidigung gebogen werden, damit Neutronen diese Kanäle nicht direkt zurück passieren können. Wenn die Kanäle nicht gebogen werden können (z. B. für Röntgen-, Gammastrahlung und Neutronenstrahlung gibt es keine Spiegel), müssen sie mit separaten Elementen des Neutronenschutzes umgeben werden.


Ein Beispiel für die thermohydraulische Berechnung der am stärksten wärmebelasteten Elemente des Port-Plug-Ins (Diagnoseschutzmodule)


Und hier ist ein Beispiel für die Optimierung der Kühlung einer optischen Baugruppe: Der

Schutz vor Neutronen und elektromagnetischer Strahlung (als diagnostische Schutzblöcke von DZM und als diagnostische erste Wand von DPS bezeichnet) wird starken Wärmeflüssen durch eine thermonukleare Reaktion ausgesetzt, die mehrere Meter dauert.

Die Wärmelast kann mehrere Megawatt erreichen und ist voluminös - was bedeutet, dass alle Port-Plug-Designs zur Kühlung mit Kanälen mit fließendem Wasser durchbohrt werden müssen.

Bei Plasmaausfällen induziert die Leistung eines Anschlusssteckers Ströme von Hunderttausenden von Ampere, was nicht nur eine zusätzliche Erwärmung, sondern auch elektromagnetische Kräfte (aufgrund der Wechselwirkung mit dem Tokamak-Magnetfeld) von Tausenden von Tonnen verursacht, die berechnet, berücksichtigt und ausgelegt werden müssen Design so, dass es diesen Anstrengungen standhält.


Elektromagnetische Berechnung DZM oberer Anschluss. Stromströme, die mit dem ITER-Magnetfeld interagieren, erzeugen ein "Zerreißen" von DZM aus dem Kraftnest auf der Skala von mehreren zehn Tonnen Kraft.

Ja, aufgrund des Vorhandenseins von Tritium im Reaktor ist der Anschlussstecker eine Nichtproliferationsbarriere. Der französischen Atomüberwachung muss nachgewiesen werden, dass die Barriere unter allen möglichen Belastungen (z. B. seismisch) nicht durchbrochen wird.

Und auch, um alle Schweißnähte in diesem Design zu diagnostizieren, um zu zeigen, dass sie nicht lecken. Diese Aufgabe wird durch die Puzzle-Geometrie kompliziert, bei der es fast unmöglich ist, von zwei Seiten zu einigen Nähten zu gelangen, um die Röntgenkontrolle durchzuführen.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass dieses Design mindestens 15 Jahre lang funktionieren sollte und bestenfalls von Personal mit begrenzter Zugriffszeit und in Schutzkleidung sowie besser von Robotern gewartet werden sollte.


Thermohydraulische Berechnung der Kühlkanäle DZM. Vom Bohren in Blindmetall durch Fenster mit anschließendem Schweißen von Fenstern - ein separates Thema im Bereich Engineering Blanket und Port Plug-Ins.

Seid ihr wenige Stellen Sie sich nun vor, dass das Engineering dieser Installation von Teams in Frankreich, Russland, Indien, den USA und Südkorea durchgeführt wird.

Infolgedessen führt jede kleinste Änderung des Designs dazu, dass zahlreiche Nachzählungen, Genehmigungen und höchstwahrscheinlich die folgenden Designänderungen erforderlich sind.

Russland ist verantwortlich für die Integration wissenschaftlicher Geräte und das Design der Einsätze des äquatorialen Ports Nr. 11 (wo es 8 wissenschaftliche Systeme geben wird, über die wir sprechen werden) und der oberen Ports Nr. 2 und 8. „Integration“ impliziert hier die Entwicklung und Herstellung eines Designs, das 8 Diagnosen kombiniert und erfüllt alle oben genannten Anforderungen. Diese Arbeit wird vom Nowosibirsker Institut für Kernphysik (INP) durchgeführt, an dem etwa 30 Personen beteiligt sind. Während sich das INP-Team auf den vorläufigen Schutz des Projekts in Kadarash vorbereitet, wird die eigentliche Produktion von Prototypen, die zum Schutz des technischen Designs der äquatorialen Hafenausrüstung Nr. 11 erforderlich sind, in einigen Jahren beginnen.



Der äquatoriale Anschluss Nr. 11 ist die erste ITER-Diagnoseanordnung, die im Reaktor installiert ist. Hier werden die Diagnosen gesammelt, die für das erste Plasma (geplant für Dezember 2025) zur Analyse des Plasmaverhaltens in der Maschine erforderlich sind. Dazu gehörten:

1. Ein Schwachfeldreflektometer (USA) ist ein Mikrowellen-Breitbandradar (15-220 GHz), das die Verteilung der Elektronendichte über das Plasmaprofil untersucht. Ein wichtiges diagnostisches Maß für die Dichte- und Temperatureigenschaften eines Plasmas.
2. Restgasanalysator (USA) - ein Massenspektrometer, das die chemische Zusammensetzung von Gasen misst, die nach dem Pumpen in einer Vakuumkammer verbleiben
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Indisches Röntgenkristallspektrometer

Elemente von acht Diagnosen werden in Form von drei Blöcken zusammengesetzt, die bereits im ITER-Port verbunden sind: Port-Plug-In, Stützrahmen in der Fortsetzung des Anschlusses (OPOP), Stützrahmen der Anschlusskamera. Am schwierigsten zu entwickeln ist ein Anschlussstecker - der Vakuumteil der Baugruppe, dessen Gewicht 45 Tonnen nicht überschreiten darf.

Der Anschlussstecker besteht aus einer von ITER-IO gelieferten Hülle, diagnostischen ersten Wänden, die den Anschluss vor elektromagnetischer Strahlung (10 mm Beryllium befindet sich hier auf einer intensiv gekühlten Kupferbasis) und Plasma schützen, und diagnostischen Schutzmodulen, die Neutronenstrahlung absorbieren - im Prinzip strukturell Das Plug-In ähnelt Sicherheitsmodulen und der ersten Wand der ITER-Decke.



Der montierte Anschlussstopfen wird (idealerweise mit Hilfe von Robotern) in den Anschluss eingeführt und mit einem Bolzenflansch abgedichtet. Der Flansch selbst wird ebenfalls durch eine Abdeckkappe mit Sicherheitsvakuum verschlossen. Der erste Stützrahmen, der die Fortsetzung der Diagnosepfade (sowie Kühlleitungen, elektrische Steckverbinder für Anschlussstopfeninstrumente, Wellen und Zugstangen zur Spiegelausrichtung usw.) mit den Vakuumfenstern am Anschlussstopfenflansch verbindet, ist mit dem Anschlussplag verbunden. Alle diese Elemente befinden sich strukturell innerhalb des Kryostaten, d.h. in der Reaktorwelle. Hinter dem ersten Stützrahmen befindet sich ein Biosicherheitsstopfen, der vor Gammastrahlung des Plasmas und der aktivierten Reaktorstrukturen schützt, und dahinter befindet sich ein zweiter Rahmen mit dem Großteil der Messgeräte.



Der Vakuumflansch des Anschlusssteckers und seine Docking-Mechanisierung von Diagnosepfaden und Kühlleitungen.

Interessanterweise hat bisher keiner der Port-Integratoren die Kombination der Anforderungen an den Port-Stecker von 45 Tonnen Maximalgewicht und Dämpfung des Neutronenflusses um das 10 ^ 7-fache erfüllt. Diese Anforderungen wurden als machbar in das vorläufige ITER-Projekt aufgenommen, aber in der Praxis stellte sich heraus, dass es unmöglich ist, sie mit Stahl-Wasser-Schutz zu erfüllen. Jetzt wird der Borcarbidschutz in die Konstruktion von Anschlussstopfen eingeführt - obwohl dies für das Vakuum des Reaktors nicht wünschenswert ist (Bor setzt Helium unter dem Neutronenfluss frei, der abgepumpt werden muss, wodurch das ITER-Vakuumsystem ungeplant belastet wird).

Diese Episode zeigt erneut, dass die Zerlegung und parallele Entwicklung derart komplexer Systeme immer auf einen Mangel an gemeinsamem Verständnis stoßen wird, wenn Aufgaben in kleine zerlegt werden.


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Ein wichtiger Plan für Port-Plug-In-Integratoren ist, dass ITER eine nukleare Installation ist. Es ist nicht nur ein Schutz vor ionisierender Strahlung erforderlich, sondern auch die Organisation von Nichtverbreitungsbarrieren aus der Tokamak-Vakuumkammer - d. H. In der Kammer sammeln sich nach den ersten thermonuklearen Kampagnen Tritium und radioaktiver Staub aus den Strukturen an. Aus praktischer Sicht bedeutet dies, dass die gesamte Struktur nach den französischen Vorschriften im Bereich der Nuklearregulierung ESPN und RCC-MR 2007 zertifiziert werden muss. Darüber hinaus können nicht nur die Struktur, sondern auch die Methoden, Kenntnisse und Fähigkeiten der Designer, das Qualitätssystem - der Umfang der Papierarbeit vergleichbar sein das Volumen der Designarbeit.


Die diagnostische Montage des äquatorialen Anschlusses Nr. 11 wird teilweise aus den Standardkomponenten der Versorgung mit ITER-IO und aus den Komponenten zusammengesetzt, die INPP in seinem Werk herstellen wird. Hier ist zum Beispiel ein Prototyp eines Korbs für Blöcke aus Borcarbid-Neutronenschutz, der zum Testen hergestellt wurde.




Im Rahmen dieses Projekts wird das INP seine Produktion modernisieren, einschließlich der Ausstattung eines ziemlich großen Montage- und Testgeländes. Ich erinnere mich, dass die schwersten Komponenten hier bis zu 45 Tonnen wiegen werden.

Ich denke, es wird sehr interessant sein, die Herstellung und Prüfung von Eisen ähnlicher Komplexität zu betrachten. Ich habe keine Angst zu sagen, dass solche Entwicklungen heute die neuen Rekorde der Menschheit in Bezug auf die technische Komplexität bestimmen und die Grenzen für das setzen, was möglich ist.

Source: https://habr.com/ru/post/de397611/