Sistema criogénico ITER

El ITER International Thermonuclear Reactor es la instalación científica más ambiciosa actualmente en construcción en el sur de Francia. Muchos elementos de este tokamak tienen los prefijos "registro", "primero de su tipo", "el más poderoso del mundo". Algunas unidades, por ejemplo, requirieron más de diez años de investigación y construcción de prototipos para lograr los parámetros requeridos. Sin embargo, es difícil esperar que los sistemas auxiliares simples, como el enfriamiento por agua o el suministro de energía del complejo científico, rompan algunos récords. Sin embargo, el criosistema ITER, que proporciona refrigeración a temperaturas de helio líquido, será el más poderoso del mundo. Sus principales consumidores son imanes superconductores de reactor y bombas de vacío con trampas criogénicas.. Kilómetros de líneas evacuadas con tuberías internas con helio líquido y supercrítico, bombas que funcionan a una temperatura de 4 grados por encima del cero absoluto y equipos en embarcaciones duar del tamaño de un tanque ferroviario; veamos esto con más detalle.



Entonces, uno de los principales problemas de los tokamaks tipo ITER es el enfriamiento de sus imanes superconductores gigantes . Mantener una temperatura de 4.5K es una tarea muy intensiva en energía: tenemos que gastar 500 julios en el funcionamiento del refrigerador por cada julio de flujo de calor. Si los imanes no estuvieran aislados térmicamente de ninguna manera, decenas de gigavatios de potencia habrían entrado en funcionamiento en el criosistema ITER. Por lo tanto, el enfriamiento está "profundamente separado" del calor externo e interno de la instalación.


Descripción general de la "criocombina": el sistema de refrigeración más potente del mundo para proporcionar crio-refrigerantes ITER.

Para empezar, todo el reactor está sumergido en el volumen de vacío del criostato. Esto le permite no pensar en la transferencia de calor a los imanes desde el aire. A su vez, las pantallas criogénicas (láminas de acero revestidas con un sistema de enfriamiento, que tienen una temperatura de 80K) protegen de la radiación de calor.


Pantallas térmicas, imanes superconductores ITER "envolventes" desde todos los lados.

Por lo tanto, los imanes superconductores mismos "ven" las superficies a su alrededor solo con una temperatura de 80 K (y no 300 o incluso 520 K, la temperatura máxima a la que se calientan los elementos externos del tokamak) y esto reduce el flujo de calor a los imanes en ~ 10 veces. Las pantallas Cryo tienen una forma compleja, y ellos mismos son consumidores de las capacidades de los refrigeradores ITER.


Uno de los primeros elementos en serie de una crioscreen, fabricado recientemente en Corea del Sur.

Finalmente, el pequeño flujo de calor restante desde el exterior es absorbido por helio líquido bombeado a través de cada imán (para lo cual el cable utilizado para envolver los imanes se hace de una manera bastante complicada). Además, el calor en los imanes surge de un cambio rápido en la corriente (típico de los imanes CS y PF) y de la radiación de neutrones del reactor.


Cable superconductor de la bobina toroidal ITER. La espiral en el interior y los vacíos visibles entre las hebras son para helio líquido.

La potencia térmica que los imanes enfriados emiten en funcionamiento es de 110 kilovatios, y esto significa que la potencia del refrigerador para ellos debe ser de al menos 55 megavatios. Sin embargo, el equipo de ITER utiliza el hecho de que ITER funcionará en modo pulsado: un "disparo" que dura hasta 700 segundos una vez cada media hora, para reducir la potencia y el costo de la criocombina, donde se encuentran los refrigeradores.


Los imanes son los principales consumidores de frío. Disposición de helio y entradas de corriente a imanes.

De esta manera, la producción de calor promedio tomada se redujo a 65 kilovatios al nivel de 4.5K, y es necesario pagar por esto organizando tanques con helio líquido que absorban las cargas máximas. Grupos separados de consumidores de helio líquido son las bombas de vacío de criosorción y criocondensación, imanes de girotrón, hay consumidores fríos a una temperatura de 50 Kelvin (entradas superconductoras), pantallas criogénicas de 80K.


Otro consumidor importante son las criobombas (verde en el panel inferior).

La criocombina, que suministra refrigerantes a todo el sistema, se encuentra en un edificio separado. Se divide en capacidades de producción de nitrógeno líquido, que a su vez descarga el exceso de calor del taller de producción de helio líquido. En general, las plantas de helio y nitrógeno operan con el mismo principio: el compresor comprime el gas, del cual se calienta, el exceso de calor del gas se descarga en el circuito externo, después de lo cual se alimenta al turboexpansor, donde se expande y se enfría.


Turboexpansor de helio producido por Heliummash. En los licuadores de helio, la planta criogénica ITER será aproximadamente la misma.

El flujo de gas desde el compresor al turboexpansor y de regreso se empuja hacia otro intercambiador de calor de contador, lo que permite reducir gradualmente la temperatura del gas en la salida del turboexpansor hasta la condensación. Al mismo tiempo, los turboexpansores y los intercambiadores de calor están ubicados en "volúmenes fríos" especiales evacuados (o caja fría en inglés). La capacidad térmica del taller de nitrógeno es de 1.3 megavatios de calor, lo que corresponde a una licuefacción de ~ 5 kilogramos de nitrógeno por segundo. La potencia de helio es de solo 65 kilovatios, y es el sistema más poderoso del mundo. Será provisto por 3 unidades operativas paralelas, cada una de las cuales incluye 6 compresores y 2 turbo expansores.


Un esquema simplificado de una criocombina.

Los volúmenes fríos de las líneas de licuefacción de helio tienen un tamaño de 4x22 metros, ¡más que un tanque de ferrocarril!


Uno de los tres volúmenes fríos en el que se ensambla la planta para la producción de helio líquido.

Los líquidos y gases criogénicos preparados se transfieren al edificio tokamak a lo largo de líneas especiales, por supuesto organizados de una manera bastante astuta (si solo haces algo en el proyecto ITER, serás expulsado por falta de idoneidad). Esta es una tubería evacuada con un diámetro de hasta 1 metro donde se estiran las líneas con helio de varias temperaturas y fases: helio supercrítico a una temperatura de 4.5 K, retorno gaseoso a 5.3, gas a 50, 80 K, retorno a 300 K,


diseños de conjuntos de criolinas en una planta india.

Pero desafortunadamente, las dificultades no terminan ahí. Consumidores de frío: varios elementos de ITER requieren un control complejo de la temperatura, la presión y el caudal de los refrigerantes. Para hacer esto, alrededor de 50 cajas de válvulas frías se encuentran dentro del edificio tokamak, que mezclan, separan y redirigen los flujos de criolíquidos y gases. Además, 5 grandes volúmenes auxiliares de ACB en frío, uno para cada gran sistema de imanes y criobombas, incluirán bombas criogénicas, intercambiadores de calor y tanques de amortiguación con helio líquido.


Diagrama simplificado de un sistema de distribución de refrigerante en un edificio tokamak.


Y lleno de uno de los ACB!

Otro subsistema en esta red son las líneas de descarga de helio en ebullición, que son necesarias si se pierden algunos de los imanes superconductores. Sin embargo, los sistemas magnéticos y criogénicos ITER están diseñados para restaurar el tokamak después de tal reinicio en solo un par de horas.


Imagen de diseño ACB.

Es interesante imaginar cómo debería funcionar todo esto. Después de comenzar la criocombinancia, las criolinas y las cajas frías se enfrían, el criostato se bombea a una presión de 10 Pa. Las bombas de criosorción se llenan con helio líquido y hacen que la presión en el criostato funcione 10 ^ -4 Pa. Luego comienza el enfriamiento pausado de los imanes a 80K a una velocidad de 0.5K por hora. Después de que los imanes se hayan enfriado 100 grados, comienza el enfriamiento de las pantallas térmicas (esta secuencia es necesaria para evitar la condensación de aire y agua en las pantallas criogénicas). Después de 2.5 semanas, todo el sistema alcanza la temperatura del nitrógeno líquido, que es la base para las paradas del servicio ITER a mediano plazo. Al mismo tiempo, ⅓ de una planta de helio y ½ de nitrógeno funcionan. Un enfriamiento adicional a 4.5 K toma una semana,entonces puede cargar los imanes y comenzar las operaciones de plasma. Al mismo tiempo, la operación de tokamak en sí ocurrirá durante 16 horas al día, durante las cuales se realizarán hasta 40 "disparos" y 8 horas de recuperación de vacío y criosistema, durante el cual las bombas de criosorción se regenerarán completamente a partir de fugas de aire y humedad, y reponiendo líquido helio en tanques ACB.


Cargas térmicas de diversos elementos y operaciones.

Hasta la fecha, se ha completado el desarrollo de todo el proyecto de criosistema, se ha completado el trabajo de investigación, se han entregado contratos (la parte principal fue recibida por French Air Liquide) y la fabricación de equipos incluso ha comenzado, por ejemplo, en julio Sumitomo Precision Products transfirió Air Liquide los primeros 2 (de 6) intercambiadores de calor 80K, proporcionando licuefacción de nitrógeno, y al comienzo del año se fabricaron conchas de esos grandiosos volúmenes fríos de plantas de helio líquido.


Montaje de una de las tres plantas de licuefacción de helio. Cilindro blanco - volumen de vacío en frío.

A su vez, en el sitio ITER en junio de este año, comenzó la construcción de los edificios No. 51.52, donde se encuentra el equipo de la criocombinería, que durará hasta el verano de 2017. En India, se está realizando una maqueta de un segmento de líneas de distribución de refrigerantes y varias cajas frías, y ya el próximo año los primeros elementos de las criolinas comenzarán a llegar al sitio.

Source: https://habr.com/ru/post/es382973/