Système cryogénique ITER

Le réacteur thermonucléaire international ITER est l'installation scientifique la plus ambitieuse actuellement en construction dans le sud de la France. De nombreux éléments de ce tokamak portent les préfixes «record», «premier du genre», «le plus puissant du monde». Certaines unités, par exemple, ont nécessité plus de dix ans de recherche et de construction de prototypes pour atteindre les paramètres requis. Néanmoins, il est difficile de s'attendre à ce que de simples systèmes auxiliaires, tels que le refroidissement par eau ou l'alimentation électrique du complexe scientifique, battent des records. Cependant, le cryosystème ITER, qui assure le refroidissement des températures de l'hélium liquide, sera le plus puissant du monde. Ses principaux consommateurs sont les aimants supraconducteurs des réacteurs et les pompes à vide avec pièges cryogéniques.. Des kilomètres de lignes évacuées avec des tuyaux intérieurs à l'hélium liquide et supercritique, des pompes fonctionnant à une température de 4 degrés au-dessus du zéro absolu et des équipements dans des navires duar de la taille d'un réservoir ferroviaire - examinons cela plus en détail.



Ainsi, l'un des principaux problèmes des tokamaks de type ITER est le refroidissement de leurs aimants supraconducteurs géants . Le maintien d'une température de 4,5 K est une tâche très énergivore - nous devons dépenser 500 joules pour le fonctionnement du réfrigérateur pour chaque joule calorifique. Si les aimants n'étaient pas isolés thermiquement de quelque façon que ce soit, des dizaines de gigawatts de puissance auraient servi au fonctionnement du cryosystème ITER. Par conséquent, le refroidissement est «profondément séparé» de la chaleur externe et interne de l'installation.


Présentation de la «cryocombine» - le système de réfrigération le plus puissant au monde pour fournir des cryoréfrigérants ITER.

Pour commencer, l'ensemble du réacteur est immergé dans le volume de vide du cryostat. Cela vous permet de ne pas penser au transfert de chaleur aux aimants de l'air. À leur tour, les écrans cryogéniques - des feuilles d'acier miroir recouvertes d'un système de refroidissement, qui ont une température de 80K, protègent du rayonnement thermique.


Écrans thermiques, «enveloppant» les aimants supraconducteurs ITER de tous les côtés.

Ainsi, les aimants supraconducteurs eux-mêmes «voient» autour d'eux des surfaces avec seulement une température de 80K (et non 300 ou même 520K - la température maximale à laquelle les éléments externes du tokamak sont chauffés) et cela réduit le flux de chaleur vers les aimants de ~ 10 fois. Les écrans cryogéniques ont une forme complexe et sont eux-mêmes consommateurs des capacités des réfrigérateurs ITER.


L'un des premiers éléments en série d'un écran cryogénique, fabriqué récemment en Corée du Sud.

Enfin, le petit flux de chaleur restant de l'extérieur est absorbé par de l'hélium liquide pompé à travers chaque aimant (pour lequel le câble utilisé pour envelopper les aimants est fabriqué de manière assez délicate). De plus, la chaleur dans les aimants provient d'un changement rapide de courant (typique pour les aimants CS et PF) et du rayonnement neutronique du réacteur.


Câble supraconducteur de la bobine toroïdale ITER. La spirale à l'intérieur et les vides visibles entre les brins sont pour l'hélium liquide.

La puissance thermique fournie par les aimants refroidis en fonctionnement est de 110 kilowatts, ce qui signifie que la puissance du réfrigérateur pour eux doit être d'au moins 55 mégawatts. Cependant, l'équipe ITER utilise le fait qu'ITER fonctionnera en mode pulsé - un «coup» pouvant durer jusqu'à 700 secondes une fois toutes les demi-heures, pour réduire la puissance et le coût de la cryocombine, où se trouvent les réfrigérateurs.


Les aimants sont le principal consommateur de froid. Disposition de l'hélium et des entrées de courant aux aimants.

De cette façon, la puissance thermique moyenne absorbée a été réduite à 65 kilowatts au niveau de 4,5 K, et il faut payer pour cela en organisant des réservoirs à hélium liquide qui absorbent les pics de charge. Des groupes séparés de consommateurs d'hélium liquide sont les pompes à vide de cryosorption et de cryocondensation, les aimants à gyrotron, il y a les consommateurs froids à une température de 50 Kelvin (entrées supraconductrices), les écrans cryogéniques 80K.


Un autre consommateur important est les cryopompes (vertes sur le panneau inférieur).

La cryocombine, qui alimente l'ensemble du système en réfrigérants, est située dans un bâtiment séparé. Il est divisé en capacités de production d'azote liquide, qui à leur tour évacuent la chaleur excédentaire de l'atelier de production d'hélium liquide. En général, les usines d'hélium et d'azote fonctionnent sur le même principe - le compresseur comprime le gaz, à partir duquel il se réchauffe, l'excès de chaleur du gaz est évacué dans le circuit externe, après quoi il est envoyé au turboexpander, où il se dilate et se refroidit.


Turboexpander à l'hélium produit par Heliummash. Dans les liquéfacteurs à l'hélium, l'usine cryogénique ITER sera sensiblement la même.

Le flux de gaz du compresseur vers le turboexpander et retour est poussé dans un autre contre-échangeur de chaleur, ce qui permet de réduire progressivement la température du gaz à la sortie du turboexpander à la condensation. Dans le même temps, les turbo-expanseurs et les échangeurs de chaleur sont situés dans des «volumes froids» sous vide spéciaux (ou chambre froide en anglais). La capacité thermique de l'atelier d'azote est de 1,3 mégawatts de chaleur, ce qui correspond à une liquéfaction de ~ 5 kilogrammes d'azote par seconde. La puissance de l'hélium n'est que de 65 kilowatts, et c'est le système le plus puissant au monde. Il sera assuré par 3 unités de fonctionnement parallèles, chacune comprenant 6 compresseurs et 2 turbo-expandeurs.


Un schéma simplifié d'une cryocombine.

Les volumes froids des lignes de liquéfaction d'hélium mesurent 4 x 22 mètres - plus qu'un réservoir ferroviaire!


L'un des trois volumes froids dans lesquels est installée l'usine de production d'hélium liquide.

Les liquides et gaz cryogéniques préparés sont transférés vers le bâtiment du tokamak le long de lignes spéciales, bien sûr organisées de manière plutôt astucieuse (si vous faites simplement quelque chose dans le projet ITER, vous serez expulsé pour inaptitude). Il s'agit d'un tuyau sous vide d'un diamètre allant jusqu'à 1 mètre où des lignes d'hélium de différentes températures et phases sont étirées - hélium supercritique à une température de 4,5 K, retour gazeux à 5,3, gaz à 50, 80 K, retour à 300 K,


assemblages factices de cryolines en production indienne.

Mais malheureusement, les difficultés ne s'arrêtent pas là. Consommateurs de froid - divers éléments d'ITER nécessitent un contrôle complexe de la température, de la pression et du débit des réfrigérants. Pour ce faire, une cinquantaine de boîtes de vannes froides sont situées à l'intérieur du bâtiment tokamak, qui mélangent, séparent, redirigent les flux de cryoliquides et de gaz. De plus, 5 grands volumes froids auxiliaires d'ACB, un pour chaque grand système d'aimants et de cryopompes, comprendront des pompes cryogéniques, des échangeurs de chaleur et des réservoirs tampons d'hélium liquide.


Un schéma simplifié d'un système de distribution de réfrigérant dans un bâtiment tokamak.


Et plein d'un des ACB!

Un autre sous-système de cette nappe est constitué par les lignes de décharge d'hélium bouillant, qui sont nécessaires en cas de perte de certains aimants supraconducteurs. Cependant, les systèmes magnétiques et cryogéniques ITER sont conçus de manière à restaurer le tokamak après une telle réinitialisation en quelques heures seulement.


Image de conception ACB.

Il est intéressant d'imaginer comment tout cela devrait fonctionner. Après le démarrage de la cryocombinance, les cryolines et les glacières sont refroidies, le cryostat est pompé à une pression de 10 Pa. Les pompes de cryosorption sont remplies d'hélium liquide et portent la pression dans le cryostat à 10 ^ -4 Pa. Commence alors le refroidissement tranquille des aimants à 80K à un rythme de 0,5K par heure. Une fois que les aimants ont refroidi à 100 degrés, le refroidissement des écrans thermiques commence (cette séquence est nécessaire pour éviter la condensation de l'air et de l'eau sur les écrans cryogéniques). Après 2,5 semaines, l'ensemble du système atteint la température de l'azote liquide, qui est la base des arrêts de service à moyen terme d'ITER. Dans le même temps, ⅓ d'une usine d'hélium et ½ de travail d'azote. Un refroidissement supplémentaire à 4,5 K prend une semaine,vous pouvez alors charger les aimants et démarrer les opérations au plasma. Dans le même temps, l'opération tokamak elle-même se déroulera pendant 16 heures par jour, au cours desquelles jusqu'à 40 «tirs» et 8 heures de restauration du vide et du cryosystème seront déclenchés, au cours desquels les pompes de cryosorption seront complètement régénérées à partir de l'air et de l'humidité qui fuient, et reconstitueront les réserves de liquide l'hélium dans les réservoirs ACB.


Charges thermiques provenant de divers éléments et opérations.

À ce jour, le développement de l'ensemble du projet cryosystème est terminé, les travaux de recherche sont terminés, les contrats ont été attribués (l'essentiel a été reçu par la société française Air Liquide) et la fabrication d'équipements a même commencé - par exemple, en juillet, Sumitomo Precision Products a transféré à Air Liquide les 2 premiers (sur 6) échangeurs de chaleur 80K, fournissant la liquéfaction de l'azote, et au début de l'année, des coquilles de ces volumes froids très grandioses des usines d'hélium liquide ont été faites.


Assemblage d'une des trois usines de liquéfaction d'hélium. Cylindre blanc - volume de vide froid.

À son tour, sur le site ITER en juin de cette année, la construction des bâtiments n ° 51.52, où seront situés les équipements des cryocombines, a démarré, elle durera jusqu'à l'été 2017. En Inde, une maquette d'un segment de lignes de distribution de réfrigérant et de diverses glacières est en cours de réalisation et déjà l'année prochaine les premiers éléments de cryolines commenceront à arriver sur le site.

Source: https://habr.com/ru/post/fr382973/