Sistema Criogênico ITER

O Reator Termonuclear Internacional ITER é a instalação científica mais ambiciosa atualmente em construção no sul da França. Muitos elementos desse tokamak têm os prefixos "record", "first of kind", "os mais poderosos do mundo". Algumas unidades, por exemplo, exigiram mais de dez anos de pesquisa e construção de protótipo para atingir os parâmetros necessários. No entanto, é difícil esperar que sistemas auxiliares simples, como o resfriamento de água ou a fonte de alimentação do complexo científico, quebrem alguns recordes. No entanto, o sistema criogênico ITER, que fornece resfriamento a temperaturas líquidas de hélio, será o mais poderoso do mundo, tendo como principais consumidores ímãs magnéticos supercondutores de reatores e bombas de vácuo com armadilhas criogênicas.. Quilômetros de linhas evacuadas com tubos internos com hélio líquido e supercrítico, bombas operando a uma temperatura de 4 graus acima do zero absoluto e equipamentos em embarcações duar do tamanho de um tanque ferroviário - vamos ver isso com mais detalhes.



Portanto, um dos principais problemas dos tokamaks do tipo ITER é o resfriamento de seus imãs gigantes supercondutores . Manter uma temperatura de 4,5K é uma tarefa que consome muita energia - precisamos gastar 500 joules na operação da geladeira para cada joule que flui calor. Se os ímãs não fossem isolados termicamente, dezenas de gigawatts de energia teriam entrado em operação do sistema de crioster ITER. Portanto, o resfriamento é "profundamente separado" do calor externo e interno da instalação.


Visão geral do "cryocombine" - o sistema de refrigeração mais poderoso do mundo para fornecer crio-refrigerantes ITER.

Para começar, todo o reator é imerso no volume de vácuo do criostato. Isso permite que você não pense na transferência de calor para os ímãs do ar. Por sua vez, as telas criogênicas - chapas de espelho de aço revestidas com um sistema de refrigeração, com temperatura de 80K, protegem da radiação de calor.


Telas térmicas, "envolvendo" os ímãs supercondutores do ITER de todos os lados.

Assim, os próprios ímãs supercondutores "veem" em torno de si superfícies com apenas uma temperatura de 80K (e não 300 ou mesmo 520K - a temperatura máxima na qual os elementos externos do tokamak são aquecidos) e isso reduz o fluxo de calor para os ímãs em ~ 10 vezes. As telas de criogenia têm uma forma complexa e elas próprias são consumidoras das capacidades dos refrigeradores ITER.


Um dos primeiros elementos seriais de uma tela de criosfera, fabricada recentemente na Coréia do Sul.

Finalmente, o pequeno fluxo de calor restante do lado de fora é absorvido pelo hélio líquido bombeado através de cada ímã (para o qual o cabo usado para enrolar os ímãs é feito de maneira bastante complicada). Além disso, o calor nos ímãs surge de uma rápida mudança na corrente (típica dos ímãs CS e PF) e da radiação de nêutrons do reator.


Cabo supercondutor da bobina toroidal ITER. A espiral interna e os vazios visíveis entre os fios são para hélio líquido.

A energia térmica que os ímãs refrigerados emitem em operação é de 110 quilowatts, e isso significa que a energia do refrigerador para eles deve ser de pelo menos 55 megawatts. No entanto, a equipe do ITER usa o fato de o ITER operar em modo pulsado - uma “injeção” com duração de até 700 segundos, a cada meia hora, para reduzir a energia e o custo da criocombina, onde os refrigeradores estão localizados.


Os ímãs são os principais consumidores de frio. Arranjo de hélio e entradas de corrente para ímãs.

Dessa maneira, a produção média de calor obtida foi reduzida para 65 quilowatts no nível de 4,5K, e é necessário pagar por isso organizando tanques com hélio líquido que absorvem cargas de pico. Grupos separados de consumidores de hélio líquido são bombas de vácuo de criossorção e crocondensação, ímãs de giroscópio, há consumidores frios a uma temperatura de 50 Kelvin (entradas supercondutoras), 80K - crioscopia.


Outro consumidor importante são as bombas criogênicas (verdes no painel inferior).

A criocombina, que fornece todo o sistema com refrigerantes, está localizada em um prédio separado. Ele é dividido em capacidades de produção de nitrogênio líquido, que por sua vez descarregam o excesso de calor da oficina de produção de hélio líquido. Em geral, as usinas de hélio e nitrogênio operam com o mesmo princípio - o compressor comprime o gás, do qual aquece, o excesso de calor do gás é descarregado no circuito externo, após o qual é alimentado ao turboexpansor, onde se expande e esfria.


Turbocompressor de hélio produzido pela Heliummash. Nos liquefadores de hélio, a planta criogênica do ITER será aproximadamente a mesma.

O fluxo de gás do compressor para o turboexpansor e para trás é empurrado para outro contador de trocador de calor, o que permite reduzir gradualmente a temperatura do gás na saída do turboexpansor para condensação. Ao mesmo tempo, os turboexpansores e trocadores de calor estão localizados em “volumes frios” evacuados especiais (ou coldbox em inglês). A capacidade térmica da oficina de nitrogênio é de 1,3 megawatts de calor, o que corresponde a uma liquefação de ~ 5 kg de nitrogênio por segundo. A energia de hélio é de apenas 65 quilowatts e é o sistema mais poderoso do mundo. Ele será fornecido por 3 unidades operacionais paralelas, cada uma das quais inclui 6 compressores e 2 turbo-expansores.


Um esquema simplificado de um cryocombine.

Os volumes frios das linhas de liquefação de hélio têm um tamanho de 4x22 metros - mais do que um tanque ferroviário!


Um dos três volumes frios em que a planta para a produção de hélio líquido é montada.

Líquidos e gases criogênicos preparados são transferidos para o prédio do tokamak por linhas especiais, obviamente organizadas de uma maneira bastante esperta (se você fizer algo no projeto ITER, será expulso por inadequação). Este é um tubo evacuado com um diâmetro de até 1 metro, onde as linhas com hélio de várias temperaturas e fases são esticadas - hélio supercrítico a uma temperatura de 4,5 K, retorno gasoso em 5,3, gás a 50, 80 K, retorno a 300 K,


conjuntos de layout de criolinas em uma planta indiana.

Mas, infelizmente, as dificuldades não param por aí. Consumidores de frio - vários elementos do ITER exigem controle complexo de temperatura, pressão e vazão de refrigerantes. Para isso, cerca de 50 caixas de válvulas frias estão localizadas dentro do edifício tokamak, que misturam, separam e redirecionam os fluxos de criolíquidos e gases. Além disso, cinco grandes volumes frios auxiliares de ACB, um para cada grande sistema de ímãs e bombas criogênicas, incluirão bombas criogênicas, trocadores de calor e tanques de hélio líquido.


Um diagrama simplificado de um sistema de distribuição de refrigerante em um edifício de tokamak.


E cheio de um dos ACB!

Outro subsistema nesta rede são as linhas de descarga de hélio em ebulição, que são necessárias se alguns dos ímãs supercondutores forem perdidos. No entanto, os sistemas magnéticos e criogênicos ITER são projetados de forma a restaurar o tokamak após uma redefinição em apenas algumas horas.


Imagem de design ACB.

É interessante imaginar como tudo isso deve funcionar. Após o início da criocombinância, as criolinas e as caixas frias são resfriadas, o criostato é bombeado para uma pressão de 10 Pa. As bombas de criossorção são preenchidas com hélio líquido e levam a pressão no criostato para trabalhar 10 ^ -4 Pa. Em seguida, começa o resfriamento lento dos ímãs para 80K a uma taxa de 0,5K por hora. Após os ímãs resfriarem 100 graus, inicia-se o resfriamento das telas térmicas (essa sequência é necessária para evitar a condensação de ar e água nas telas criogênicas). Após 2,5 semanas, todo o sistema atinge a temperatura do nitrogênio líquido, que é a base para paradas de serviço ITER a médio prazo. Ao mesmo tempo, ⅓ de uma planta de hélio e ½ de nitrogênio funcionam. Um resfriamento adicional a 4,5 K leva uma semana,então você pode carregar os ímãs e iniciar as operações de plasma. Ao mesmo tempo, a operação do tokamak ocorrerá por 16 horas por dia, durante as quais serão realizadas até 40 "disparos" e 8 horas de recuperação a vácuo e sistema de criossistemas, durante as quais as bombas de criossorção serão completamente regeneradas por vazamento de ar e umidade e reposição de líquidos hélio em tanques ACB.


Cargas térmicas de vários elementos e operações.

Até a presente data, o desenvolvimento de todo o projeto do sistema de criossistema foi concluído, o trabalho de pesquisa foi concluído, os contratos foram entregues (a parte principal foi recebida pela French Air Liquide) e a fabricação do equipamento foi iniciada - por exemplo, em julho, a Sumitomo Precision Products transferiu a Air Liquide os primeiros 2 (de 6) trocadores de calor 80K, fornecendo liquefação de nitrogênio e, no início do ano, conchas desses grandiosos volumes frios de plantas de hélio líquido.


Montagem de uma das três plantas de liquefação de hélio. Cilindro branco - volume de vácuo frio.

Por sua vez, no local do ITER em junho deste ano, iniciou-se a construção dos edifícios nº 51,52, onde estão localizados os equipamentos da criocombinação, que durará até o verão de 2017. Na Índia, está sendo feita uma maquete de um segmento de linhas de distribuição de refrigerantes e várias caixas frias, e já no próximo ano os primeiros elementos das criolinas começarão a chegar ao local.

Source: https://habr.com/ru/post/pt382973/