Sistem Cryogenic ITER

Reaktor Termonuklir Internasional ITER adalah fasilitas ilmiah paling ambisius yang saat ini sedang dibangun di Prancis selatan. Banyak elemen tokamak ini memiliki awalan "catatan", "pertama dari jenisnya", "yang paling kuat di dunia." Beberapa unit, misalnya, membutuhkan lebih dari sepuluh tahun penelitian dan konstruksi prototipe untuk mencapai parameter yang diperlukan. Namun demikian, sulit untuk mengharapkan bahwa sistem bantu sederhana, seperti pendingin air atau catu daya dari kompleks ilmiah, akan memecahkan beberapa catatan. Namun, cryosystem ITER, yang memberikan pendinginan pada suhu helium cair, akan menjadi yang paling kuat di dunia.Para konsumen utamanya adalah magnet superkonduktor reaktor dan pompa vakum dengan jebakan kriogenik.. Kilometer jalur yang dievakuasi dengan pipa di dalam dengan helium cair dan superkritis, pompa yang beroperasi pada suhu 4 derajat di atas nol mutlak dan peralatan di kapal duar seukuran tangki kereta api - mari kita lihat ini secara lebih rinci.



Jadi, salah satu masalah utama tokamaks mirip ITER adalah pendinginan magnet superkonduktor raksasa mereka . Mempertahankan suhu 4,5K adalah tugas yang sangat intensif energi - kita harus menghabiskan 500 joule untuk pengoperasian kulkas untuk setiap joule yang mengalir panas. Jika magnet tidak terisolasi secara termal dengan cara apa pun, puluhan gigawatt daya akan masuk ke operasi cryosystem ITER. Oleh karena itu, pendinginan “sangat terpisah” dari panas eksternal dan internal instalasi.


Tinjauan umum tentang "cryocombine" - sistem pendingin paling kuat di dunia untuk menyediakan pendingin cryo ITER.

Pertama-tama, seluruh reaktor direndam dalam volume vakum cryostat. Ini memungkinkan Anda untuk tidak memikirkan perpindahan panas ke magnet dari udara. Pada gilirannya, layar cryo - lembaran cermin dari baja yang dilapisi dengan sistem pendingin, yang memiliki suhu 80K, melindungi dari radiasi panas.


Layar termal, "membungkus" magnet superkonduktor ITER dari semua sisi.

Dengan demikian, magnet superkonduktor itu sendiri "melihat" permukaan di sekitar diri mereka hanya dengan suhu 80K (dan bukan 300 atau bahkan 520K - suhu maksimum di mana elemen eksternal tokamak dipanaskan) dan ini mengurangi fluks panas ke magnet sebesar ~ 10 kali. Layar Cryo memiliki bentuk yang kompleks, dan mereka sendiri adalah konsumen dari kapasitas lemari es ITER.


Salah satu elemen seri pertama dari cryoscreen, dibuat baru-baru ini di Korea Selatan.

Akhirnya, fluks panas kecil yang tersisa dari luar diambil oleh helium cair yang dipompa melalui masing-masing magnet (yang kabelnya digunakan untuk membungkus magnet dibuat dengan cara yang agak rumit). Selain itu, panas dalam magnet muncul dari perubahan arus yang cepat (tipikal untuk magnet CS dan PF) dan dari radiasi neutron dari reaktor.


Kabel superkonduktor koil toroidal ITER. Spiral di dalam dan kekosongan yang terlihat di antara untaian adalah untuk helium cair.

Daya termal yang diberikan oleh magnet yang didinginkan dalam operasi adalah 110 kilowatt, dan ini berarti bahwa daya lemari es untuk mereka harus setidaknya 55 megawatt. Namun, tim ITER menggunakan fakta bahwa ITER akan beroperasi dalam mode berdenyut - satu "tembakan" yang berlangsung hingga 700 detik setiap setengah jam sekali, untuk mengurangi daya dan biaya cryocombine, di mana lemari es berada.


Magnet adalah konsumen utama dingin. Pengaturan input helium dan arus ke magnet.

Dengan cara ini, output panas rata-rata yang diambil dikurangi menjadi 65 kilowatt pada level 4,5K, dan perlu untuk membayar ini dengan mengatur tangki dengan helium cair yang menyerap beban puncak. Kelompok terpisah dari konsumen helium cair adalah pompa vakum cryosorption dan cryocondensation, magnet gyrotron, ada konsumen dingin pada suhu 50 Kelvin (input superkonduktor), 80K - cryoscreens.


Konsumen penting lainnya adalah cryopumps (hijau di panel bawah).

Cryocombine, yang memasok seluruh sistem dengan refrigeran, terletak di gedung terpisah. Ini dibagi menjadi kapasitas produksi nitrogen cair, yang pada gilirannya melepaskan kelebihan panas dari bengkel produksi helium cair. Secara umum, pabrik helium dan nitrogen beroperasi dengan prinsip yang sama - kompresor memampatkan gas, yang memanaskannya, kelebihan panas dari gas dilepaskan ke sirkuit eksternal, setelah itu diumpankan ke turboexpander, di mana ia mengembang dan mendingin.


Helium turboexpander diproduksi oleh Heliummash. Dalam pencair helium, pabrik cryogenic ITER akan kira-kira sama.

Aliran gas dari kompresor ke turboexpander dan belakang didorong ke penukar panas counter lain, yang memungkinkan Anda untuk secara bertahap mengurangi suhu gas di outlet turboexpander ke kondensasi. Pada saat yang sama, turbo-expander dan penukar panas terletak di "volume dingin" yang dievakuasi khusus (atau coldbox dalam bahasa Inggris). Kapasitas termal bengkel nitrogen adalah 1,3 megawatt panas, yang sesuai dengan pencairan ~ 5 kilogram nitrogen per detik. Kekuatan Helium hanya 65 kilowatt, dan ini adalah sistem yang paling kuat di dunia. Ini akan disediakan oleh 3 unit operasi paralel, yang masing-masing mencakup 6 kompresor dan 2 turbo-expander.


Skema cryocombine yang disederhanakan

Volume dingin garis pencairan helium berukuran 4x22 meter - lebih dari tangki kereta api!


Salah satu dari tiga volume dingin di mana pabrik untuk produksi helium cair dirakit.

Cairan kriogenik dan gas yang disiapkan ditransfer ke gedung tokamak di sepanjang jalur khusus, tentu saja diatur dengan cara yang agak licik (jika Anda hanya melakukan sesuatu dalam proyek ITER, Anda akan ditendang karena ketidakcocokan). Ini adalah pipa yang dievakuasi dengan diameter hingga 1 meter di mana garis dengan helium dari berbagai suhu dan fase diregangkan - helium superkritis pada suhu 4,5 K, gas kembali pada 5,3, gas pada 50, 80 K, kembali pada 300 K,


rakitan tata ruang cryoline di pabrik India.

Namun sayangnya, kesulitan tidak berakhir di situ. Konsumen dingin - berbagai elemen ITER memerlukan kontrol suhu, tekanan, dan laju aliran zat pendingin yang kompleks. Untuk melakukan ini, sekitar 50 kotak katup dingin terletak di dalam bangunan tokamak, yang mencampur, memisahkan, mengarahkan aliran cryoliquids dan gas. Selain itu, 5 volume dingin tambahan ACB yang besar, satu untuk setiap sistem besar magnet dan cryopumps, akan mencakup pompa kriogenik, penukar panas, dan tangki penyangga helium cair.


Diagram disederhanakan dari sistem distribusi pendingin di gedung tokamak.


Dan penuh dengan salah satu ACB!

Subsistem lain di web ini adalah saluran pelepasan helium mendidih, yang diperlukan jika beberapa magnet superkonduktor hilang. Namun, sistem magnetik dan kriogenik ITER dirancang sedemikian rupa untuk mengembalikan tokamak setelah pengaturan ulang hanya dalam beberapa jam.


Gambar Desain ACB.

Sangat menarik untuk membayangkan bagaimana semua ini harus bekerja. Setelah memulai cryocombinance, cryolines dan cold box didinginkan, cryostat dipompa keluar sampai tekanan 10 Pa. Pompa cryosorption diisi dengan helium cair dan membawa tekanan dalam cryostat bekerja 10 ^ -4 Pa. Kemudian mulailah pendinginan magnet dengan santai hingga 80K dengan kecepatan 0,5K per jam. Setelah magnet mendingin 100 derajat, pendinginan layar termal dimulai (urutan ini diperlukan untuk mencegah kondensasi udara dan air pada cryoscreens). Setelah 2,5 minggu, seluruh sistem mencapai suhu nitrogen cair, yang merupakan dasar penghentian layanan ITER jangka menengah. Pada saat yang sama, ⅓ tanaman helium dan ½ nitrogen bekerja. Pendinginan lebih lanjut hingga 4,5 K membutuhkan waktu satu minggu,maka Anda dapat mengisi daya magnet dan memulai operasi plasma. Pada saat yang sama, operasi tokamak itu sendiri akan terjadi selama 16 jam sehari, di mana hingga 40 "tembakan" dan 8 jam pemulihan vakum dan cryosystem akan dilakukan, di mana pompa cryosorption akan sepenuhnya diregenerasi dari kebocoran udara dan kelembaban, dan pengisian cairan helium di tangki ACB.


Beban termal dari berbagai elemen dan operasi.

Sampai saat ini, pengembangan seluruh proyek cryosystem telah selesai, penelitian telah selesai, kontrak telah diberikan (bagian utama diterima oleh French Air Liquide) dan pembuatan peralatan bahkan telah dimulai - misalnya, pada bulan Juli Sumitomo Precision Products mengirim Air Liquide 2 (dari 6) penukar panas 80K pertama, menyediakan pencairan nitrogen, dan pada awal tahun cangkang dari volume dingin yang sangat muluk dari tanaman helium cair dibuat.


Perakitan salah satu dari tiga pabrik pencairan helium. Silinder putih - volume vakum dingin.

Pada gilirannya, di situs ITER pada bulan Juni tahun ini, konstruksi bangunan No. 51.52, di mana peralatan cryocombinery berada, dimulai, akan berlangsung hingga musim panas 2017. Di India, mock-up dari segmen jalur distribusi pendingin dan berbagai kotak dingin sedang dibuat, dan sudah tahun depan elemen cryoline pertama akan mulai tiba di lokasi.

Source: https://habr.com/ru/post/id382973/