ITER: Majelis Diagnostik

Tanyakan kepada diri sendiri, “mengapa ITER membutuhkan waktu begitu lama untuk dibangun”? Jika Anda dengan jujur ​​membaca catatan saya tentang proyek ini, hal pertama yang terlintas dalam pikiran adalah "ini adalah instalasi yang sangat rumit".


Satu dari dua lusin rakitan diagnostik reaktor ITER yang akan dibahas hari

ini.Kompleksitas struktur teknik adalah sulit untuk mengukur substansi, tidak seperti, misalnya, algoritma.. Secara historis, umat manusia terus-menerus memperumit struktur, mesin, dan sistemnya, dan telah berjuang dengan meningkatnya kompleksitas baik dengan menguraikannya menjadi pekerjaan yang lebih kecil dan melakukannya secara paralel, dan menstandarisasi pengalaman yang diperoleh. Pendekatan pertama dapat diilustrasikan, misalnya, seperti ini: sebuah bangunan dirancang bukan dengan menggambar benda-benda yang sudah jadi dengan semua elemen (struktur, listrik, ventilasi, fasad, komunikasi air, dll.), Tetapi secara paralel dari konsep umum oleh orang yang berbeda. Pendekatan kedua dimanifestasikan dalam penggunaan komponen standar, pengembangan algoritma dan solusi siap pakai ("nilai arus maksimum 8-10 ampere / mm2 digunakan untuk kabel kawat tembaga" - semua orang tidak perlu memeriksa pertanyaan arus mana yang tidak akan menyebabkan kebakaran, ini sudah diatur dalam peraturan dan regulasi pengembang).

Namun, dekomposisi dan paralelisasi tugas-tugas teknik memiliki kelemahan yang jelas - penurunan pengembalian untuk setiap orang ditambahkan. Komunikasi, pemecahan masalah, dan sinkronisasi proses pengembangan menempati bagian yang semakin meningkat dari jam kerja yang dihabiskan.

Ini sangat buruk di mana dekomposisi tidak mudah, di mana ada banyak masalah terkait, dan solusi untuk satu menarik kebutuhan untuk mengulang yang lain. Dalam praktiknya, kesulitan semacam itu muncul ketika banyak disiplin ilmu yang berbeda bertemu pada satu titik, yang ditempati oleh spesialis yang berbeda yang tidak saling kenal. Sebagai contoh, jika untuk pengembangan gambar desain perlu memperhitungkan perhitungan dalam fisika neutron, mekanika termal dan termohidraulik, gaya elektromagnetik, dan pada saat yang sama persyaratan massa disiplin ilmu teknik - teknologi vakum, keandalan kapal nuklir di bawah tekanan, manufakturabilitas dan pengumpulan, kemungkinan jenis servis robot ... sepertinya Anda mengerti jenis instalasi apa yang tampaknya seperti robot instalasi ... Saya katakan.

Hari ini kita akan berbicara tentang majelis diagnostik, atau disebut sebagai "port plug-in diagnostik" - kurang muluk daripada sistem ITER utama, tetapi perangkat yang sangat kompleks dan presisi.


Rencana lantai ITER. Di tengah poros reaktor, di sekitarnya, ada ruang port (Sel Port), di mana sistem pemanas, rakitan selimut uji atau rakitan diagnostik dapat dimasukkan

Diagnostik dalam ITER mengacu pada peralatan yang mengukur beberapa parameter plasma (yaitu, plasma, sensor yang mengukur keadaan mesin disebut "instrumentasi"). Yaitu sebenarnya, ini adalah perangkat ilmiah reaktor. Sebagai contoh, itu mungkin monitor neutron yang mengukur fluks neutron dari plasma, yang mencirikan kekuatan termonuklir reaktor. Atau reflektometer gelombang mikro yang menerima profil suhu dan kepadatan plasma di seluruh kabel plasma. Sebanyak 47 sistem diagnostik dari semua jenis yang mungkin akan dipasang di ITER (dan lebih dari sepuluh ribu sensor instrumentasi hanya di reaktor).


Sistem diagnostik pada skala struktur ITER (disorot dengan warna hijau). Bagian fisik perangkat dirakit dalam rakitan diagnostik di port, dan elektronik dan server terletak di gedung terlampir yang terpisah

Karena plasma di tokamak dikelilingi oleh ruang vakum dan sel magnet yang kuat , akses ke plasma hanya dimungkinkan melalui lubang di kedua sistem ini. Dalam ITER, bukaan disebut port dan diatur dalam tiga tingkatan: yang lebih rendah adalah divertor, khatulistiwa di tengah dan tingkat atas disebut bagian atas. Total ada 44 port: 9 divertor, 17 equatorial dan 18 di atas.


Port sel, pipa penghubung, ruang vakum. Omong-omong, perhatikan harmonika pada pipa penghubung - mereka diperlukan untuk mengkompensasi perubahan ukuran reaktor selama pendinginan dan setiap gerakan yang disebabkan oleh kerusakan plasma.

Pelabuhan memiliki tujuan yang berbeda: melalui beberapa, menonton sistem pemanas ( frekuensi radio , misalnya, antena, pada plasma)IRCH ), 4 port divertor akan ditempati oleh pompa cryosorption , beberapa akan memiliki akses ke robot di dalam torus, 3 port khatulistiwa akan ditempati oleh majelis eksperimental dari selimut merambat (tritium dari lithium akan diproduksi dan berbagai varian teknik dari selimut seperti itu akan dievaluasi), akhirnya 6 khatulistiwa dan 11 port atas akan sibuk dengan diagnostik.



Lokasi perakitan diagnostik nomor port khatulistiwa 1. Sepotong dengan tabung abu-abu adalah ruang neutron radial yang menerima gambar neutron resolusi rendah dari bidang neutron plasma

Untuk setiap port diagnostik, dibuat port insert - rakitan panjang dengan berat hingga 150 ton, yang dapat dipasang dan dilepas oleh sistem layanan robot ITER. Majelis ini mencakup hingga 10 instrumen ilmiah, perlindungan dan pendinginan dari neutron dan radiasi elektromagnetik dari plasma, komunikasi yang diperlukan, dll.


Perakitan diagnostik port ekuatorial No. 11, dikembangkan di Novosibirsk INP. Panjang perakitan - sekitar 17 meter.

Karena lokasinya di port plug-in, persyaratan yang bertentangan dari banyak disiplin ilmu bertemu. Mari kita mulai dengan mendaftar mereka:

Sisipan port termasuk bagian vakum depan (disebut port plug-in) dan bagian atmosfer belakang (disebut port-camera insert), yang berarti bahwa semua komunikasi terganggu oleh penutup jendela, jendela, dll. Pada saat yang sama, bagian vakum dari port plug harus memenuhi kondisi yang sangat ketat dari vakum ultra-tinggi dari torus ITER, yang berarti persyaratan seperti pemilihan bahan yang sempit, tidak adanya rongga tertutup (yang dapat dietsa dengan residu udara), misalnya, benang blind, kebutuhan untuk membersihkan seluruh blok vakum dari organik polusi sebelum pemasangan di reaktor.


Oleh karena itu, semua jalur optik / gelombang mikro harus ditarik melalui jendela kedap udara, dan konektor listrik harus dibuat dengan rongga antara dengan ruang hampa keamanan.

Seluruh desain sisipan port, yang mencakup sistem optik presisi para ilmuwan, harus dirakit oleh robot dengan akurasi rendah, yang berarti bahwa semua sistem yang membutuhkan pemasangan yang tepat harus dapat menyesuaikan - memiliki cermin yang dapat dipindah-pindahkan. Selain itu, pemasangan semua komunikasi juga harus dilakukan secara otomatis - ternyata sistem ini sangat, sangat otomatis, yang belum pernah dilakukan oleh siapa pun di dunia.


Salah satu mimpi buruk rekayasa ITER adalah sistem optik yang mentransmisikan radiasi plasma ke spektograf halus yang dibuang ke ekor. Berikut adalah masalah deformasi termal, dan masalah penjajaran, dan masalah pembersihan optik, dan masalah "menceraikan" fluks neutron dan fluks cahaya.

Seluruh struktur akan terkena radiasi neutron yang lebih parah daripada di reaktor nuklir, sehingga pelindung neutron dari baja, air, dan boron karbida akan berada di depan. Agar struktur perakitan tidak berubah menjadi limbah yang sangat radioaktif, radiasi neutron ke bagian belakang colokan port harus melemah 10 juta kali. Dalam hal ini, perlu membengkokkan pertahanan semua saluran diagnostik yang melihat plasma sehingga neutron tidak bisa melewati saluran ini secara langsung kembali. Jika saluran tidak dapat ditekuk (misalnya, untuk sinar-X, radiasi gamma, radiasi neutron tidak ada cermin), maka perlu mengelilingi mereka dengan elemen perlindungan neutron yang terpisah.


Contoh perhitungan termohidraulik dari elemen port plug-in yang paling banyak mengandung panas (modul pelindung diagnostik)


Dan di sini adalah contoh mengoptimalkan pendinginan rakitan optik.

Perlindungan dari neutron dan radiasi elektromagnetik (disebut blok pelindung diagnostik DZM dan dinding DPS diagnostik pertama) akan terkena fluks panas yang kuat dari reaksi termonuklir yang memakan waktu beberapa meter.

Beban panas dapat mencapai beberapa megawatt, dan sangat besar - yang berarti bahwa semua desain port plug harus ditusuk dengan saluran dengan air yang mengalir untuk pendinginan.

Jika terjadi gangguan plasma, kekuatan port plug akan menyebabkan arus ratusan ribu ampere, yang menyebabkan tidak hanya pemanasan tambahan, tetapi juga gaya elektromagnetik (karena interaksi dengan medan magnet tokamak) ribuan ton, yang harus dihitung, diperhitungkan dan dirancang desain sehingga dapat menahan upaya ini.


Perhitungan elektromagnetik DZM port atas. Arus arus yang berinteraksi dengan medan magnet ITER menciptakan "merobek" DZM dari sarang gaya pada skala gaya puluhan ton.

Ya, karena keberadaan tritium di reaktor, port plug adalah penghalang non-proliferasi. Penting untuk membuktikan kepada pengawasan atom Prancis bahwa di bawah semua kemungkinan muatan (misalnya, seismik) penghalang tidak akan rusak.

Dan juga untuk mendiagnosis semua lasan yang akan ada dalam desain ini untuk menunjukkan bahwa mereka tidak akan bocor. Tugas ini rumit oleh puzzle geometri, di mana hampir tidak mungkin untuk mendapatkan beberapa jahitan dari dua sisi untuk melakukan kontrol x-ray.

Biarkan saya mengingatkan Anda bahwa desain ini harus bekerja setidaknya selama 15 tahun, dan paling baik dilayani oleh personel dengan waktu akses terbatas dan pakaian pelindung, dan lebih baik oleh robot.


Perhitungan termohidraulik saluran pendingin DZM. Dari pengeboran dalam logam buta melalui jendela dengan pengelasan jendela berikutnya - topik terpisah di bidang selimut rekayasa dan plug-in port.

Apakah kamu sedikit? Sekarang bayangkan teknik pemasangan ini dilakukan oleh tim yang berlokasi di Perancis, Rusia, India, Amerika Serikat, dan Korea Selatan.

Akibatnya, apa pun, bahkan perubahan sekecil apa pun dalam desain mengarah pada kebutuhan akan banyak penghitungan ulang, persetujuan, dan kemungkinan besar - perubahan desain berikut.

Rusia bertanggung jawab atas integrasi peralatan ilmiah dan desain sisipan port ekuatorial No. 11 (di mana akan ada 8 sistem ilmiah, yang akan kita bicarakan) dan port atas No. 2 dan 8. “Integrasi” di sini menyiratkan pengembangan dan pembuatan desain yang akan menggabungkan 8 diagnostik. dan akan memenuhi semua persyaratan yang disebutkan di atas. Pekerjaan ini dilakukan oleh Institut Fisika Nuklir Novosibirsk (INP), sekitar 30 orang terlibat di dalamnya. Sementara tim INP sedang mempersiapkan perlindungan awal proyek di Kadarash, produksi prototipe yang sebenarnya diperlukan untuk melindungi desain teknis peralatan pelabuhan khatulistiwa No. 11 akan dimulai dalam beberapa tahun.



Port khatulistiwa No. 11 adalah rakitan diagnostik ITER pertama yang dipasang pada reaktor, dan diagnostik yang diperlukan untuk plasma pertama (direncanakan untuk Desember 2025) untuk menganalisis perilaku plasma dalam mesin dikumpulkan di sini. Ini termasuk:

1. Reflektor medan lemah (AS) adalah radar pita lebar gelombang mikro (15-220 GHz) yang mempelajari distribusi kerapatan elektron pada profil plasma. Ukuran diagnostik penting dari kepadatan dan karakteristik suhu plasma.
2. Residual Gas Analyzer (USA) - spektrometer massa yang mengukur komposisi kimia gas yang tersisa di ruang vakum setelah dipompa
3. H-alpha (). , — -, H- .
4. () — , ( ) . . , ( , ) 12 .
5. - .
6. (-) (-) (). . , ( ) . .
7. (). , — , (, , , , ..), . , - () .
8. () — , , , , , ..

Spektrometer kristalin sinar-X India

Elemen dari delapan diagnostik dirangkai dalam bentuk tiga blok yang sudah tergabung dalam port ITER: plug-in port, bingkai dukungan dalam kelanjutan port (OPOP), bingkai pendukung kamera port. Yang paling sulit untuk dikembangkan adalah colokan port - bagian vakum dari perakitan, yang beratnya tidak melebihi 45 ton.

Steker port terdiri dari cangkang yang dipasok oleh ITER-IO, dinding diagnostik pertama yang melindungi port dari radiasi elektromagnetik (berilium 10 mm terletak di sini di atas pangkalan tembaga yang didinginkan secara intensif) dan plasma, dan modul pelindung diagnostik yang menyerap radiasi neutron - pada prinsipnya, secara struktural plug-in mirip dengan modul keamanan dan dinding pertama selimut ITER.



Steker port rakitan dimasukkan ke dalam port (idealnya dengan bantuan robot) dan disegel dengan flens baut, dan flens itu sendiri juga ditutup oleh tutup penutup dengan kekosongan keamanan. Kerangka pendukung pertama, yang menghubungkan kelanjutan jalur diagnostik (serta pipa pendingin, konektor listrik instrumentasi port plug, poros dan batang pengikat untuk penyelarasan cermin, dll.) Ke jendela vakum pada flensa port plug, terhubung ke portplag. Semua elemen ini secara struktural terletak di dalam cryostat, mis. di poros reaktor. Di belakang kerangka pendukung pertama ada steker biosecurity yang melindungi dari radiasi gamma plasma dan struktur reaktor yang diaktifkan, dan di belakangnya adalah kerangka kedua, dengan sebagian besar peralatan pengukur.



Flensa vakum pada port plug, dan mekanisasinya pada jalur diagnostik dan jalur pipa pendingin.

Menariknya, sampai saat ini, tidak ada integrator port yang telah memenuhi kombinasi persyaratan pada port plug dengan berat maksimum 45 ton dan atenuasi fluks neutron sebanyak 10 ^ 7 kali. Persyaratan ini dimasukkan dalam proyek awal ITER sebagai layak, tetapi dalam praktiknya ternyata tidak mungkin dipenuhi dengan menggunakan perlindungan air-baja. Sekarang, perlindungan boron karbida sedang dimasukkan ke dalam desain colokan port - walaupun tidak diinginkan untuk vakum reaktor (boron melepaskan helium di bawah fluks neutron, yang perlu dipompa keluar, yang memberikan beban yang tidak direncanakan pada sistem vakum ITER).

Episode ini sekali lagi menunjukkan bahwa dekomposisi dan pengembangan paralel dari sistem yang kompleks seperti itu akan selalu menemukan kurangnya pemahaman bersama pada tahap menghancurkan tugas menjadi yang kecil.


- 11. 5 /3 , , 250 .

Plot penting untuk integrator plug-in port adalah ITER adalah instalasi nuklir. Diperlukan tidak hanya perlindungan dari radiasi pengion, tetapi juga organisasi hambatan non-proliferasi dari ruang vakum tokamak - yaitu di dalam ruangan setelah kampanye termonuklir pertama, tritium dan debu radioaktif dari struktur akan menumpuk. Dari sudut pandang praktis, ini berarti bahwa seluruh struktur harus disertifikasi sesuai dengan aturan Perancis di bidang regulasi nuklir ESPN dan RCC-MR 2007. Selain itu, tidak hanya struktur, tetapi juga metode, pengetahuan dan keterampilan para desainer, sistem kualitas - jumlah pekerjaan kertas dapat dibandingkan dengan volume pekerjaan desain.


Perakitan diagnostik port ekuatorial No. 11 akan dirakit sebagian dari komponen standar penyediaan ITER-IO dan dari komponen yang akan diproduksi INPP di pabriknya. Sebagai contoh, berikut adalah prototipe keranjang untuk blok perlindungan neutron boron karbida, yang dibuat untuk pengujian.




Di bawah proyek ini, INP akan memodernisasi produksinya, termasuk melengkapi tempat perakitan dan pengujian yang agak besar - Saya ingat bahwa komponen terberat di sini akan berbobot hingga 45 ton.

Saya pikir akan sangat menarik untuk melihat produksi dan pengujian besi dengan kompleksitas yang sama. Saya tidak takut untuk mengatakan bahwa saat ini perkembangan tersebut menentukan catatan baru umat manusia dalam hal kompleksitas teknik dan menetapkan batas-batas untuk apa yang mungkin.

Source: https://habr.com/ru/post/id397611/