ITER: Asambleas de diagnóstico

Pregúntese, "¿por qué ITER tarda tanto en construirse"? Si honestamente lees mis notas sobre este proyecto, lo primero que te viene a la mente es "es una instalación extremadamente complicada".


Una de las dos docenas de conjuntos de diagnóstico del reactor ITER que se discutirá hoy

La complejidad de las estructuras de ingeniería es una sustancia difícil de medir, a diferencia de, por ejemplo, los algoritmos.. Históricamente, la humanidad ha complicado continuamente sus estructuras, máquinas y sistemas, y ha luchado con una complejidad cada vez mayor, descomponiéndola en trabajos más pequeños y realizándolos en paralelo, y estandarizando la experiencia adquirida. El primer enfoque puede ilustrarse, por ejemplo, de esta manera: un edificio está diseñado no dibujando piezas preparadas con todos los elementos (estructura, electricidad, ventilación, fachadas, comunicaciones de agua, etc.), sino en paralelo desde un concepto común por diferentes personas. El segundo enfoque se manifiesta en el uso de componentes estándar, el desarrollo de algoritmos y soluciones listos para usar ("el valor de corriente máximo de 8-10 amperios / mm2 se usa para el cableado de alambre de cobre" - no todos necesitan examinar la cuestión de qué corriente no causará un incendio, esto ya está establecido en las reglas y regulaciones desarrollador).

Sin embargo, la descomposición y la paralelización de las tareas de ingeniería tienen un inconveniente obvio: una caída en los rendimientos por cada persona agregada. La comunicación, la resolución de problemas y la sincronización de los procesos de desarrollo ocupan una parte cada vez mayor de las horas hombre empleadas.

Es especialmente malo cuando la descomposición no es fácil, donde hay muchos problemas relacionados, y las soluciones para uno extraen la necesidad de rehacer los otros. En la práctica, tales dificultades surgen cuando convergen muchas disciplinas diferentes en un punto, que están ocupadas por diferentes especialistas que no se conocen bien. Por ejemplo, si para el desarrollo de dibujos de diseño es necesario tener en cuenta los cálculos en física de neutrones, mecánica térmica y termohidráulica, fuerzas electromagnéticas y, al mismo tiempo, los requisitos de la masa de las disciplinas de ingeniería: tecnología de vacío, la fiabilidad de los recipientes nucleares bajo presión, capacidad de fabricación y recolección, la posibilidad de reparar robots ... parece que entiendes qué tipo de instalación Yo digo

Hoy hablaremos de los conjuntos de diagnóstico, también conocidos como el "puerto de complemento de diagnóstico", menos grandioso que los principales sistemas ITER, pero dispositivos increíblemente complejos y de precisión.


Plano de planta ITER. En el centro del eje del reactor, a su alrededor, hay cámaras de puerto (celdas de puerto), en las que se puede insertar un sistema de calefacción, un conjunto de manta de prueba o un conjunto de diagnóstico

Los diagnósticos en ITER se refieren a equipos que miden algunos parámetros de plasma (a saber, plasma, los sensores que miden el estado de una máquina se denominan "instrumentación"). Es decir de hecho, estos son dispositivos científicos del reactor. Por ejemplo, puede ser un monitor de neutrones que mide el flujo de neutrones de un plasma, que caracteriza la potencia termonuclear de un reactor. O un reflectómetro de microondas que recibe un perfil de temperatura y densidad de plasma a través de un cable de plasma. Se instalarán un total de 47 sistemas de diagnóstico de todos los tipos imaginables en ITER (y más de diez mil sensores de instrumentación solo en el reactor).


Sistemas de diagnóstico en la escala de la estructura ITER (resaltada en verde). Las partes físicas de los dispositivos se ensamblan en ensamblajes de diagnóstico en los puertos, y la electrónica y los servidores se encuentran en un edificio adjunto separado

Dado que el plasma en tokamaks está rodeado por una cámara de vacío y una potente celda de imanes , el acceso al plasma solo es posible a través de agujeros en estos dos sistemas. En ITER, las aberturas se llaman puertos y se organizan en tres niveles: el inferior es el desviador, ecuatorial en el medio y el nivel superior se llama el superior. Hay 44 puertos en total: 9 desviadores, 17 ecuatoriales y 18 superiores.


Celdas de puerto, tuberías de conexión, cámara de vacío. Por cierto, preste atención a la armónica en las tuberías de conexión: son necesarias para compensar el cambio en el tamaño del reactor durante el enfriamiento y los movimientos causados ​​por las averías del plasma. Los

puertos tienen diferentes propósitos: a través de algunos, observar los sistemas de calefacción ( frecuencia de radio , por ejemplo, antenas, en el plasma)IRCH ), 4 puertos de desviación estarán ocupados por bombas de criosorción , algunos tendrán acceso a robots dentro del toro, 3 puertos ecuatoriales estarán ocupados por conjuntos experimentales de la mantilla de propagación (se producirá tritio a partir de litio y se evaluarán varias variantes de ingeniería de tal mantilla), finalmente 6 ecuatoriales y 11 los puertos superiores estarán ocupados con diagnósticos.



La ubicación del conjunto de diagnóstico del puerto ecuatorial número 1. Una pieza con tubos grises es una cámara radial de neutrones que recibe una imagen de neutrones de baja resolución de un campo de neutrones de plasma

Para cada puerto de diagnóstico, se realiza una inserción de puerto: un conjunto largo que pesa hasta 150 toneladas, que puede instalarse y extraerse mediante el sistema de servicio robótico ITER. Este conjunto incluye hasta 10 instrumentos científicos, su protección y enfriamiento de neutrones y radiación electromagnética de plasma, comunicaciones necesarias, etc.


Conjunto de diagnóstico del puerto ecuatorial No. 11, desarrollado en el INP de Novosibirsk. Longitud de montaje: unos 17 metros.

Debido a su ubicación en los complementos de puertos, convergen requisitos conflictivos de muchas disciplinas. Comencemos enumerándolos:

El inserto del puerto incluye la parte de vacío frontal (llamada puerto enchufable) y la parte atmosférica trasera (llamado inserto de puerto-cámara), lo que significa que todas las comunicaciones se ven interrumpidas por persianas, ventanas, etc. Al mismo tiempo, la parte de vacío del tapón del puerto debe satisfacer las condiciones extremadamente estrictas del vacío ultra alto del toro ITER, lo que significa requisitos tales como una selección estrecha de materiales, la ausencia de cavidades cerradas (que pueden grabar con residuos de aire), por ejemplo, hilos ciegos, la necesidad de limpiar todo el bloque de vacío de los orgánicos. contaminación antes de la instalación en el reactor.


Por lo tanto, todas las rutas ópticas / de microondas deben trazarse a través de tales ventanas herméticas al vacío, y los conectores eléctricos deben hacerse con una cavidad intermedia con un vacío de seguridad.

Todo el diseño de la inserción del puerto, que incluye los sistemas ópticos de precisión de los científicos, debe ser ensamblado por robots con baja precisión, lo que significa que todos los sistemas que requieren una instalación precisa deben poder ajustarse, tener espejos móviles. Además, el acoplamiento de todas las comunicaciones también debe hacerse automáticamente: resulta un sistema muy, muy automatizado de este tipo, que nadie en el mundo ha hecho todavía.


Una de las pesadillas de ingeniería de ITER son los sistemas ópticos que transmiten radiación de plasma a los delicados espectrógrafos retirados en la cola. Aquí están los problemas de deformaciones térmicas, y los problemas de alineación, y los problemas de limpieza óptica, y los problemas de "divorcio" del flujo de neutrones y el flujo de luz.

Toda la estructura estará sujeta a una radiación de neutrones más severa que en los reactores nucleares, por lo que el escudo de neutrones de acero, agua y carburo de boro se ubicará en el frente. Para que la estructura de ensamblaje no se convierta en un residuo altamente radiactivo, la radiación de neutrones en la parte posterior del enchufe del puerto debe debilitarse 10 millones de veces. En este caso, es necesario doblar en la defensa todos los canales de los diagnósticos que miran el plasma para que los neutrones no puedan pasar directamente a través de estos canales. Si los canales no pueden doblarse (por ejemplo, para rayos X, radiación gamma, radiación de neutrones no hay espejos), entonces es necesario rodearlos con elementos separados de protección de neutrones.


Un ejemplo de cálculo termohidráulico de los elementos más cargados de calor del plug-in de puerto (módulos de protección de diagnóstico)


Y aquí hay un ejemplo de optimización del enfriamiento de un conjunto óptico: la

protección contra los neutrones y la radiación electromagnética (llamados bloques de diagnóstico de protección de DZM y la primera pared de diagnóstico de DPS) estará expuesta a poderosos flujos de calor de una reacción termonuclear que dura varios metros.

La carga de calor puede alcanzar varios megavatios, y es voluminosa, lo que significa que todos los diseños de enchufes de puertos deben perforarse con canales con agua corriente para enfriamiento.

En caso de averías del plasma, la potencia de un enchufe de puerto inducirá corrientes de cientos de miles de amperios, lo que provocará no solo calentamiento adicional, sino también fuerzas electromagnéticas (debido a la interacción con el campo magnético tokamak) de miles de toneladas, que deben calcularse, tenerse en cuenta y diseñarse diseño para que pueda soportar estos esfuerzos.


Cálculo electromagnético del puerto superior DZM. Las corrientes actuales que interactúan con el campo magnético ITER crean DZM "desgarrador" del nido de fuerza en la escala de decenas de toneladas de fuerza.

Sí, debido a la presencia de tritio en el reactor, el tapón del puerto es una barrera contra la proliferación. Es necesario demostrar a la vigilancia atómica francesa que bajo todas las cargas posibles (por ejemplo, sísmicas) la barrera no se romperá.

Y también para diagnosticar todas las soldaduras que estarán en este diseño para mostrar que no tendrán fugas. Esta tarea se complica por la geometría del rompecabezas, en la que es casi imposible llegar a algunas costuras desde dos lados para hacer el control de rayos X.

Permítame recordarle que este diseño debería funcionar durante al menos 15 años y, en el mejor de los casos, ser atendido por personal con tiempo de acceso limitado y con ropa protectora, y mejor por robots.


Cálculo termohidráulico de canales de enfriamiento DZM. Desde la perforación en metal ciego a través de ventanas con la posterior soldadura de ventanas, un tema separado en el campo de la ingeniería de mantas y complementos de puertos.

¿Eres pocos? Ahora imagine que la ingeniería de esta instalación es realizada por equipos ubicados en Francia, Rusia, India, Estados Unidos y Corea del Sur.

Como resultado, cualquiera, incluso el más mínimo cambio en el diseño lleva a la necesidad de numerosos recuentos, aprobaciones y, muy probablemente, los siguientes cambios de diseño.

Rusia es responsable de la integración del equipo científico y del diseño de los insertos del puerto ecuatorial n. ° 11 (donde habrá 8 sistemas científicos, de los que hablaremos) y los puertos superiores n. ° 2 y 8. La "integración" aquí implica el desarrollo y la fabricación de un diseño que combinará 8 diagnósticos y cumplirá todos los requisitos indicados anteriormente. Este trabajo lo lleva a cabo el Instituto Novosibirsk de Física Nuclear (INP), en el que participan unas 30 personas. Mientras el equipo de INP se prepara para la protección preliminar del proyecto en Kadarash, la producción real de prototipos necesarios para proteger el diseño técnico del equipo de puerto ecuatorial n. ° 11 comenzará en un par de años.



El puerto ecuatorial n. ° 11 es el primer conjunto de diagnóstico ITER que se instala en el reactor, y aquí se recopilan los diagnósticos necesarios para el primer plasma (planeado para diciembre de 2025) para analizar el comportamiento del plasma en la máquina. Estos incluyen:

1. Un reflectómetro de campo débil (EE. UU.) Es un radar de banda ancha de microondas (15-220 GHz) que estudia la distribución de la densidad de electrones sobre el perfil de plasma. Una medida diagnóstica importante de las características de densidad y temperatura de un plasma.
2. Analizador de gases residuales (EE. UU.): Un espectrómetro de masas que mide la composición química de los gases que quedan en una cámara de vacío después del bombeo
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Espectrómetro cristalino indio de rayos X Los

elementos de ocho diagnósticos se ensamblan en forma de tres bloques que ya están unidos en el puerto ITER: complemento del puerto, marco de soporte en la continuación del puerto (OPOP), marco de soporte de la cámara del puerto. El más difícil de desarrollar es un tapón de puerto: la parte de vacío del conjunto, cuyo peso no puede exceder las 45 toneladas.

El enchufe del puerto consiste en una carcasa suministrada por ITER-IO, primeras paredes de diagnóstico que protegen el puerto de la radiación electromagnética (el berilio de 10 mm se encuentra aquí en una base de cobre enfriada intensamente) y plasma, y ​​módulos de protección de diagnóstico que absorben la radiación de neutrones, en principio, estructuralmente El complemento es similar a los módulos de seguridad y la primera pared de la manta ITER.



El tapón del puerto ensamblado se inserta en el puerto (idealmente con la ayuda de robots) y se sella con una brida de perno, y la brida en sí también está cerrada por una tapa con un vacío de seguridad. El primer marco de soporte, que conecta la continuación de las rutas de diagnóstico (así como las tuberías de enfriamiento, los conectores eléctricos de la instrumentación del enchufe del puerto, los ejes y las barras de acoplamiento para la alineación del espejo, etc.) a las ventanas de vacío en la brida del enchufe del puerto, está conectado a la placa de puertos. Todos estos elementos están ubicados estructuralmente dentro del criostato, es decir en el eje del reactor. Detrás del primer marco de soporte hay un tapón de bioseguridad que protege contra la radiación gamma del plasma y las estructuras del reactor activado, y detrás de él hay un segundo marco, con la mayor parte del equipo de medición.



La brida de vacío del tapón del puerto y su mecanización de acoplamiento de rutas de diagnóstico y tuberías de enfriamiento.

Curiosamente, hasta la fecha, ninguno de los integradores de puertos ha cumplido la combinación de requisitos en el enchufe del puerto de 45 toneladas de peso máximo y la atenuación del flujo de neutrones en 10 ^ 7 veces. Estos requisitos se incluyeron en el proyecto preliminar ITER como factible, pero en la práctica resultó que es imposible cumplirlos utilizando protección de acero y agua. Ahora, la protección de carburo de boro se está introduciendo en el diseño de los tapones de puerto, aunque no es deseable para el vacío del reactor (el boro libera helio bajo el flujo de neutrones, que debe bombearse, lo que da una carga no planificada en el sistema de vacío ITER).

Este episodio nuevamente muestra que la descomposición y el desarrollo paralelo de sistemas tan complejos siempre tropezarán con una falta de comprensión común en la etapa de aplastar tareas en pequeñas.


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Una trama importante para los integradores de plug-in de puerto es que ITER es una instalación nuclear. Es necesario no solo protección contra la radiación ionizante, sino también la organización de barreras de no proliferación desde la cámara de vacío tokamak, es decir, Dentro de la cámara después de las primeras campañas termonucleares, se acumulará tritio y polvo radiactivo de las estructuras. Desde un punto de vista práctico, esto significa que toda la estructura debe estar certificada según las normas francesas en el campo de la regulación nuclear ESPN y RCC-MR 2007. Además, no solo la estructura, sino también los métodos, el conocimiento y las habilidades de los diseñadores, el sistema de calidad: la cantidad de papeleo puede ser comparable con El volumen de trabajo de diseño.


El ensamblaje de diagnóstico del puerto ecuatorial No. 11 se ensamblará en parte a partir de los componentes estándar del suministro de ITER-IO y de los componentes que INPP fabricará en su planta. Por ejemplo, aquí hay un prototipo de una canasta para bloques de protección de neutrones de carburo de boro, hecha para pruebas.




Bajo este proyecto, el INP modernizará su producción, incluyendo el equipamiento de un sitio de montaje y prueba bastante grande. Recuerdo que los componentes más pesados ​​aquí pesarán hasta 45 toneladas.

Creo que será muy interesante observar la producción y las pruebas de hierro de complejidad similar. No tengo miedo de decir que hoy tales desarrollos determinan los nuevos registros de la humanidad en términos de complejidad de ingeniería y establecen los límites de lo que es posible.

Source: https://habr.com/ru/post/es397611/