ITER: assemblages de diagnostic

Demandez-vous «pourquoi ITER prend-il autant de temps à construire»? Si vous lisez honnêtement mes notes sur ce projet, la première chose qui me vient à l'esprit est «c'est une installation extrêmement compliquée».


L'un des deux douzaines d'assemblages de diagnostic du réacteur ITER qui seront discutés aujourd'hui

La complexité des structures d'ingénierie est une substance difficile à mesurer, contrairement, par exemple, aux algorithmes.. Historiquement, l'humanité n'a cessé de compliquer ses structures, ses machines et ses systèmes, et a lutté avec une complexité croissante à la fois en la décomposant en œuvres plus petites et en les exécutant en parallèle, et en standardisant l'expérience acquise. La première approche peut être illustrée, par exemple, comme ceci: un bâtiment est conçu non pas en dessinant des pièces toutes faites avec tous les éléments (structure, électricité, ventilation, façades, communications d'eau, etc.), mais en parallèle d'un concept commun par différentes personnes. La deuxième approche se manifeste dans l'utilisation de composants standard, le développement d'algorithmes et de solutions prêts à l'emploi («la valeur de courant maximale de 8-10 ampères / mm2 est utilisée pour le câblage en cuivre» - tout le monde n'a pas besoin d'examiner la question de savoir quel courant ne provoquera pas d'incendie, cela est déjà défini dans les règles et réglementations) développeur).

Cependant, la décomposition et la parallélisation des tâches d'ingénierie ont un inconvénient évident - une baisse des rendements pour chaque personne ajoutée. La communication, le dépannage et la synchronisation des processus de développement occupent une part croissante des heures de travail passées.

C'est particulièrement mauvais là où la décomposition n'est pas facile, où il y a beaucoup de problèmes liés, et les solutions à l'une tirent le besoin de refaire les autres. Dans la pratique, de telles difficultés surviennent lorsque de nombreuses disciplines différentes convergent à un moment donné, occupées par des spécialistes différents qui ne se connaissent pas bien. Par exemple, si pour l'élaboration des dessins de conception, il est nécessaire de prendre en compte les calculs en physique des neutrons, la mécanique thermique et thermohydraulique, les forces électromagnétiques et en même temps les exigences de la masse des disciplines d'ingénierie - technologie du vide, fiabilité des cuves nucléaires sous pression, fabricabilité et collecte, possibilité de réparer des robots ... il semble que vous compreniez quel type d'installation Dis-je.

Aujourd'hui, nous allons parler d'assemblages de diagnostic, autrement appelés «port de plug-in de diagnostic» - moins grandioses que les principaux systèmes ITER, mais des appareils incroyablement complexes et précis.


Plan d'étage ITER. Au centre de la cuve du réacteur, autour de celle-ci, se trouvent des chambres de port (cellules de port), dans lesquelles un système de chauffage, un ensemble de couverture de test ou un ensemble de diagnostic peuvent être insérés

Le diagnostic dans ITER fait référence à un équipement qui mesure certains paramètres du plasma (à savoir, le plasma, les capteurs qui mesurent l'état d'une machine sont appelés «instrumentation»). C'est-à-dire en fait, ce sont des dispositifs scientifiques du réacteur. Par exemple, il peut s'agir d'un moniteur neutronique mesurant le flux neutronique d'un plasma, caractérisant la puissance thermonucléaire d'un réacteur. Ou un réflectomètre à micro-ondes recevant un profil de température et de densité de plasma à travers un cordon de plasma. Au total, 47 systèmes de diagnostic de tous les types imaginables seront installés à ITER (et plus de dix mille capteurs d'instrumentation uniquement dans le réacteur).


Systèmes de diagnostic à l'échelle de la structure ITER (surlignés en vert). Les parties physiques des appareils sont assemblées dans des ensembles de diagnostic dans les ports, et l'électronique et les serveurs sont situés dans un bâtiment attenant séparé

Le plasma des tokamaks étant entouré d'une chambre à vide et d'une puissante cellule d'aimants , l'accès au plasma n'est possible que par les trous de ces deux systèmes. Dans ITER, les ouvertures sont appelées ports et sont organisées en trois niveaux: le bas est le diverteur, équatorial au milieu et le niveau supérieur est appelé le supérieur. Il y a au total 44 ports: 9 diverteurs, 17 équatoriaux et 18 supérieurs.


Cellules de port, tuyaux de raccordement, chambre à vide. Soit dit en passant, faites attention à l'harmonica sur les tuyaux de connexion - ils sont nécessaires pour compenser le changement de taille du réacteur pendant le refroidissement et les mouvements causés par les pannes de plasma. Les

ports ont des objectifs différents: à travers certains, surveiller les systèmes de chauffage ( radiofréquence , par exemple, antennes, sur le plasma)IRCH ), 4 ports de dérivation seront occupés par des pompes de cryosorption , certains auront accès à des robots à l'intérieur du tore, 3 ports équatoriaux seront occupés par des assemblages expérimentaux de la couverture de propagation (du tritium à partir de lithium sera produit et diverses variantes d'ingénierie d'une telle couverture seront évaluées), enfin 6 équatoriales et 11 les ports supérieurs seront occupés par les diagnostics.



L'emplacement de l'assemblage de diagnostic du port équatorial numéro 1. Une pièce avec des tubes gris est une chambre à neutrons radiale recevant une image neutronique à basse résolution d'un champ de neutrons plasma

Pour chaque port de diagnostic, un insert de port est fabriqué - un long assemblage pesant jusqu'à 150 tonnes, qui peut être installé et retiré par le système de service robotique ITER. Cet ensemble comprend jusqu'à 10 instruments scientifiques, leur protection et leur refroidissement contre les neutrons et les rayonnements électromagnétiques du plasma, les communications nécessaires, etc.


Ensemble de diagnostic du port équatorial n ° 11, développé à l'INP de Novossibirsk. Longueur de montage - environ 17 mètres.

En raison de leur emplacement dans les plug-ins de port, les exigences contradictoires de nombreuses disciplines convergent. Commençons par les lister:

L'insert de port comprend la partie aspirante avant (appelée port enfichable) et la partie atmosphérique arrière (appelée insert caméra-port), ce qui signifie que toutes les communications sont interrompues par des volets, des fenêtres, etc. étanches au vide. Dans le même temps, la partie à vide du bouchon de port doit satisfaire aux conditions extrêmement strictes du vide ultra-élevé du tore ITER, ce qui signifie des exigences telles qu'une sélection étroite de matériaux, l'absence de cavités fermées (qui peuvent graver avec des résidus d'air), par exemple, des filetages borgnes, la nécessité de nettoyer l'ensemble du bloc de vide des matières organiques pollution avant installation dans le réacteur.


Par conséquent, tous les trajets optiques / micro-ondes doivent être tirés à travers de telles fenêtres étanches au vide, et les connecteurs électriques doivent être réalisés avec une cavité intermédiaire avec un vide de sécurité.

L'ensemble de la conception de l'insert de port, qui comprend les systèmes optiques de précision des scientifiques, doit être assemblé par des robots avec une faible précision, ce qui signifie que tous les systèmes qui nécessitent une installation précise doivent pouvoir s'ajuster - avoir des miroirs mobiles. De plus, l'ancrage de toutes les communications doit également se faire automatiquement - il s'avère que c'est un système très, très automatisé de ce type, ce que personne au monde n'a encore fait.


L'un des cauchemars d'ingénierie d'ITER est les systèmes optiques qui transmettent le rayonnement plasma aux spectrographes délicats retirés dans la queue. Voici les problèmes de déformations thermiques, et les problèmes d'alignement, et les problèmes de nettoyage de l'optique, et les problèmes de "divorce" du flux neutronique et du flux lumineux

Toute la structure sera soumise à un rayonnement neutronique plus sévère que dans les réacteurs nucléaires, de sorte que le bouclier neutronique en acier, eau et carbure de bore sera situé à l'avant. Pour que la structure d'assemblage ne se transforme pas en déchets hautement radioactifs, le rayonnement neutronique à l'arrière du bouchon de port doit être affaibli 10 millions de fois. Dans ce cas, il faut plier en défense tous les canaux du diagnostic qui regardent le plasma pour que les neutrons ne puissent pas passer directement par ces canaux. Si les canaux ne peuvent pas être courbés (par exemple, pour les rayons X, le rayonnement gamma, le rayonnement neutronique, il n'y a pas de miroirs), il est alors nécessaire de les entourer d'éléments de protection neutronique séparés.


Un exemple de calcul thermohydraulique des éléments les plus chargés en chaleur du plug-in de port (modules de diagnostic de protection)


Et voici un exemple d'optimisation du refroidissement d'un ensemble optique. La

protection contre les neutrons et les rayonnements électromagnétiques (appelés blocs de protection diagnostiques du DZM et première paroi de diagnostic du DPS) sera exposée à de puissants flux de chaleur provenant d'une réaction thermonucléaire qui prend plusieurs mètres.

La charge thermique peut atteindre plusieurs mégawatts et elle est volumineuse - ce qui signifie que toutes les conceptions de bouchons d'orifice doivent être percées de canaux avec de l'eau courante pour le refroidissement.

En cas de pannes de plasma, la puissance de la prise de port induira des courants de centaines de milliers d'ampères, ce qui provoque non seulement un échauffement supplémentaire, mais également des forces électromagnétiques (dues à l'interaction avec le champ magnétique du tokamak) de milliers de tonnes, qui doivent être calculées, prises en compte et conçues concevoir de manière à pouvoir résister à ces efforts.


Calcul électromagnétique port supérieur DZM. Les courants actuels qui interagissent avec le champ magnétique ITER créent un DZM «déchirant» du nid de force à l'échelle de dizaines de tonnes de force.

Oui, en raison de la présence de tritium dans le réacteur, le bouchon d'orifice est une barrière de non-prolifération. Il faut prouver à la surveillance atomique française que sous toutes les charges possibles (sismiques par exemple) la barrière ne sera pas brisée.

Et aussi pour diagnostiquer toutes les soudures qui seront dans cette conception pour montrer qu'elles ne fuiront pas. Cette tâche est compliquée par la géométrie du puzzle, dans laquelle il est presque impossible d'accéder à certaines coutures des deux côtés pour effectuer un contrôle par rayons X.

Permettez-moi de vous rappeler que cette conception devrait fonctionner pendant au moins 15 ans, et au mieux être entretenue par du personnel avec un temps d'accès limité et dans des vêtements de protection, et mieux par des robots.


Calcul thermohydraulique des canaux de refroidissement DZM. Du perçage dans le métal aveugle à travers les fenêtres avec le soudage ultérieur des fenêtres - un sujet distinct dans le domaine des couvertures d'ingénierie et des plug-ins de port.

Êtes-vous peu nombreux? Imaginez maintenant que l'ingénierie de cette installation soit réalisée par des équipes situées en France, en Russie, en Inde, aux États-Unis et en Corée du Sud.

Par conséquent, tout changement de conception, même le plus léger, nécessite de nombreux recomptages, approbations et, très probablement, les changements de conception suivants.

La Russie est responsable de l'intégration des équipements scientifiques et de la conception des inserts du port équatorial n ° 11 (où il y aura 8 systèmes scientifiques, dont nous parlerons) et des ports supérieurs n ° 2 et 8. "L'intégration" implique ici le développement et la fabrication d'un design qui combinera 8 diagnostics et répondra à toutes les exigences indiquées ci-dessus. Ce travail est réalisé par l'Institut de physique nucléaire de Novossibirsk (INP), une trentaine de personnes y participent. Alors que l'équipe INP se prépare à la protection préliminaire du projet à Kadarash, la production effective des prototypes nécessaires à la protection de la conception technique de l'équipement portuaire équatorial n ° 11 commencera dans quelques années.



Le port équatorial n ° 11 est le premier ensemble de diagnostic ITER à être installé sur le réacteur, et les diagnostics nécessaires au premier plasma (prévu pour décembre 2025) pour analyser le comportement du plasma dans la machine sont collectés ici. Ceux-ci comprenaient:

1. Un réflectomètre à champ faible (USA) est un radar hyperfréquence à large bande (15-220 GHz) qui étudie la distribution de la densité électronique sur le profil du plasma. Une mesure diagnostique importante des caractéristiques de densité et de température d'un plasma.
2. Analyseur de gaz résiduels (USA) - un spectromètre de masse qui mesure la composition chimique des gaz restant dans une chambre à vide après le pompage
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Spectromètre de cristal à rayons X indien Les

éléments de huit diagnostics sont assemblés sous la forme de trois blocs, qui sont déjà joints dans le port ITER: prise de port, cadre de support dans la continuation du port (OPOP), cadre de support de la caméra du port. Le plus difficile à développer est un bouchon de port - la partie sous vide de l'ensemble, dont le poids ne peut pas dépasser 45 tonnes.

Le bouchon de port se compose d'une coque fournie par ITER-IO, de premières parois de diagnostic protégeant le port des rayonnements électromagnétiques (le béryllium de 10 mm est situé ici sur une base en cuivre intensément refroidie) et du plasma, et de modules de protection de diagnostic absorbant le rayonnement neutronique - en principe, structurellement le plug-in est similaire aux modules de sécurité et à la première paroi de la couverture ITER.



Le bouchon de port assemblé est inséré dans le port (idéalement à l'aide de robots) et scellé avec une bride de boulon, et la bride elle-même est également fermée par un capuchon avec un vide de sécurité. Le premier cadre de support, qui relie la poursuite des voies de diagnostic (ainsi que les canalisations de refroidissement, les connecteurs électriques de l'instrumentation de prise de port, les arbres et les tirants pour l'alignement du miroir, etc.) aux fenêtres à vide sur la bride de la prise de port, est connecté au portplag. Tous ces éléments sont structurellement situés à l'intérieur du cryostat, c'est-à-dire dans la cuve du réacteur. Derrière le premier cadre de support se trouve un bouchon de biosécurité protégeant du rayonnement gamma du plasma et des structures de réacteurs activés, et derrière lui se trouve un deuxième cadre, avec la majeure partie de l'équipement de mesure.



La bride à vide du bouchon de port et sa mécanisation d'accostage des voies de diagnostic et des conduites de refroidissement.

Fait intéressant, à ce jour, aucun des intégrateurs de ports n'a satisfait à la combinaison des exigences sur le bouchon de port de 45 tonnes de poids maximum et d'atténuation du flux de neutrons de 10 ^ 7 fois. Ces exigences ont été incluses dans l'avant-projet ITER comme faisables, mais en pratique, il s'est avéré qu'il est impossible de les satisfaire en utilisant une protection acier-eau. Maintenant, la protection en carbure de bore est introduite dans la conception des bouchons d'orifice - bien qu'elle ne soit pas souhaitable pour le vide du réacteur (le bore libère de l'hélium sous le flux de neutrons, qui doit être pompé, ce qui donne une charge imprévue sur le système de vide ITER).

Cet épisode montre à nouveau que la décomposition et le développement parallèle de ces systèmes complexes tomberont toujours sur un manque de compréhension commune au stade de l'écrasement des tâches en petites tâches.


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Un complot important pour les intégrateurs de plug-ins de port est qu'ITER est une installation nucléaire. Il est nécessaire non seulement de protéger contre les rayonnements ionisants, mais aussi d'organiser des barrières de non-prolifération depuis la chambre à vide du tokamak - c'est-à-dire à l'intérieur de la chambre après les premières campagnes thermonucléaires, le tritium et la poussière radioactive des structures s'accumuleront. D'un point de vue pratique, cela signifie que toute la structure doit être certifiée selon les règles françaises dans le domaine de la réglementation nucléaire ESPN et RCC-MR 2007. De plus, non seulement la structure, mais aussi les méthodes, les connaissances et les compétences des concepteurs, le système qualité - la quantité de paperasse peut être comparable à le volume du travail de conception.


L'assemblage de diagnostic du port équatorial n ° 11 sera assemblé en partie à partir des composants standard de la fourniture d'ITER-IO et des composants qu'INPP fabriquera dans son usine. Par exemple, voici un prototype de panier pour des blocs de protection neutronique en carbure de bore, qui est conçu pour les tests.




Dans le cadre de ce projet, l'INP modernisera sa production, notamment en équipant un site d'assemblage et d'essais assez important - je rappelle que les composants les plus lourds d'ici peseront jusqu'à 45 tonnes.

Je pense qu'il sera très intéressant d'examiner la production et les tests de fer de complexité similaire. Je n’ai pas peur de dire qu’aujourd’hui de tels développements déterminent les nouveaux records de l’humanité en termes de complexité technique et fixent les limites de ce qui est possible.

Source: https://habr.com/ru/post/fr397611/