ITER: Conjuntos de diagnóstico

Pergunte a si mesmo: “por que o ITER leva tanto tempo para construir”? Se você honestamente leu minhas anotações sobre esse projeto, a primeira coisa que vem à mente é "é uma instalação extremamente complicada".


Uma das duas dúzias de conjuntos de diagnóstico do reator ITER que serão discutidos hoje.A

complexidade das estruturas de engenharia é uma substância difícil de medir, ao contrário de, por exemplo, algoritmos.. Historicamente, a humanidade complicou continuamente suas estruturas, máquinas e sistemas e lutou com uma complexidade cada vez maior, decompondo-a em obras menores e realizando-as em paralelo, e padronizando a experiência adquirida. A primeira abordagem pode ser ilustrada, por exemplo, assim: um edifício não é projetado desenhando peças prontas com todos os elementos (estrutura, elétrica, ventilação, fachadas, comunicações na água etc.), mas paralelamente a um conceito comum de pessoas diferentes. A segunda abordagem se manifesta no uso de componentes padrão, no desenvolvimento de algoritmos e soluções prontas ("o valor máximo de corrente de 8 a 10 amperes / mm2 é usado para a fiação do fio de cobre" - todo mundo não precisa examinar a questão de qual corrente não causará incêndio, isso já está estabelecido nas regras e regulamentos desenvolvedor).

No entanto, a decomposição e paralelização das tarefas de engenharia têm uma desvantagem óbvia - uma queda nos retornos de cada pessoa adicionada. A comunicação, a solução de problemas e a sincronização dos processos de desenvolvimento ocupam uma parte crescente das horas trabalhadas.

É especialmente ruim quando a decomposição não é fácil, onde há muitos problemas relacionados e as soluções para um puxam a necessidade de refazer os outros. Na prática, essas dificuldades surgem onde muitas disciplinas diferentes convergem em um ponto, que são ocupadas por diferentes especialistas que não se conhecem bem. Por exemplo, se para o desenvolvimento de desenhos de projeto for necessário levar em consideração cálculos em física de nêutrons, mecânica térmica e termo-hidráulica, forças eletromagnéticas e, ao mesmo tempo, os requisitos da massa de disciplinas de engenharia - tecnologia de vácuo, confiabilidade de embarcações nucleares sob pressão, capacidade de fabricação e coleta, a possibilidade de atender robôs ... parece que você entende que tipo de instalação ... Eu digo.

Hoje falaremos sobre montagens de diagnóstico, também chamadas de "porta de plug-in de diagnóstico" - menos grandiosas que os principais sistemas ITER, mas dispositivos incrivelmente complexos e de precisão.


Planta do ITER. No centro do eixo do reator, ao redor dele, estão as câmaras de porta (células de porta), nas quais um sistema de aquecimento, conjunto de manta de teste ou conjunto de diagnóstico pode ser inserido

Os diagnósticos no ITER referem-se a equipamentos que medem alguns parâmetros do plasma (ou seja, plasma, sensores que medem o estado de uma máquina são chamados de "instrumentação"). I.e. de fato, esses são dispositivos científicos do reator. Por exemplo, pode ser um monitor de nêutrons medindo o fluxo de nêutrons de um plasma, caracterizando a energia termonuclear de um reator. Ou um refletômetro de microondas recebendo um perfil de temperatura e densidade do plasma através de um cordão de plasma. Um total de 47 sistemas de diagnóstico de todos os tipos possíveis será instalado no ITER (e mais de dez mil sensores de instrumentação apenas no reator).


Sistemas de diagnóstico na escala da estrutura ITER (destacada em verde). As partes físicas dos dispositivos são montadas em conjuntos de diagnóstico nas portas, e os componentes eletrônicos e os servidores estão localizados em um prédio anexo separado

Como o plasma nos tokamaks é cercado por uma câmara de vácuo e uma poderosa célula de ímãs , o acesso ao plasma é possível apenas através de orifícios nesses dois sistemas. No ITER, as aberturas são chamadas de portas e estão organizadas em três camadas: a mais baixa é o desvio, a equatorial no meio e a camada superior é chamada de superior. Existem 44 portas no total: 9 desvios, 17 equatoriais e 18 superiores.


Células portuárias, tubos de conexão, câmara de vácuo. A propósito, preste atenção à harmônica nos tubos de conexão - eles são necessários para compensar a alteração no tamanho do reator durante o resfriamento e quaisquer movimentos causados ​​por falhas no plasma.As

portas têm objetivos diferentes: através de alguns, observar sistemas de aquecimento ( radiofrequência , por exemplo, antenas no plasma)IRCH ), 4 portas de desvio serão ocupadas por bombas de criossorção , algumas terão acesso a robôs dentro do toro, 3 portas equatoriais serão ocupadas por montagens experimentais da manta de propagação (será produzido o trítio a partir de lítio e serão avaliadas várias variantes de engenharia dessa manta), finalmente 6 equatoriais e 11 as portas superiores estarão ocupadas com o diagnóstico.



A localização do conjunto de diagnóstico da porta equatorial número 1. Uma peça com tubos cinzentos é uma câmara de nêutrons radiais que recebe uma imagem de nêutrons de baixa resolução de um campo de nêutrons no plasma

Para cada porta de diagnóstico, é feita uma inserção de porta - um conjunto longo com peso de até 150 toneladas, que pode ser instalado e removido pelo sistema de serviço robótico ITER. Este conjunto inclui até 10 instrumentos científicos, sua proteção e resfriamento contra nêutrons e radiação eletromagnética do plasma, comunicações necessárias, etc.


Montagem de diagnóstico da porta equatorial nº 11, desenvolvida no INP de Novosibirsk. Comprimento de montagem - cerca de 17 metros.

Devido à sua localização em plug-ins de porta, convergem requisitos conflitantes de muitas disciplinas. Vamos começar listando-os:

A inserção da porta inclui a parte de vácuo frontal (chamada de porta de plug-in) e a parte atmosférica traseira (chamada de inserção de câmera de porta), o que significa que todas as comunicações são interrompidas por persianas, janelas, etc. Ao mesmo tempo, a parte de vácuo do plugue de porta deve satisfazer as condições extremamente rigorosas do vácuo ultra-alto do toro ITER, o que significa requisitos como uma seleção restrita de materiais, ausência de cavidades fechadas (que podem causar resíduos de ar), por exemplo, roscas cegas, a necessidade de limpar todo o bloco de vácuo de produtos orgânicos poluição antes da instalação no reator.


Portanto, todos os caminhos ópticos / de microondas devem ser traçados através dessas janelas estanques ao vácuo, e os conectores elétricos devem ser feitos com uma cavidade intermediária com um vácuo de segurança.

Todo o design do inserto de porta, que inclui os sistemas ópticos de precisão dos cientistas, deve ser montado por robôs com baixa precisão, o que significa que todos os sistemas que requerem instalação precisa devem ser capazes de ajustar - possuem espelhos móveis. Além disso, o encaixe de todas as comunicações também deve ser feito automaticamente - resultando em um sistema muito, muito automatizado desse tipo, que ninguém no mundo ainda o fez.


Um dos pesadelos de engenharia do ITER são os sistemas ópticos que transmitem radiação de plasma para os delicados espectrógrafos removidos na cauda. Aqui estão os problemas das deformações térmicas, os problemas de alinhamento, os problemas da óptica de limpeza e os problemas de "divorciar" o fluxo de nêutrons e o fluxo de luz

Toda a estrutura estará sujeita a radiação de nêutrons mais severa do que nos reatores nucleares; portanto, o escudo de nêutrons de aço, água e carboneto de boro estará localizado na frente. Para que a estrutura da montagem não se transforme em lixo altamente radioativo, a radiação de nêutrons na parte traseira do plugue da porta deve ser enfraquecida 10 milhões de vezes. Nesse caso, é necessário dobrar na defesa todos os canais dos diagnósticos que olham para o plasma, para que os nêutrons não possam passar por esses canais diretamente de volta. Se os canais não puderem ser curvados (por exemplo, raios X, radiação gama, radiação de nêutrons não existem espelhos), é necessário cercá-los com elementos separados de proteção de nêutrons.


Um exemplo de cálculo termo-hidráulico dos elementos com maior carga de calor do plug-in de porta (módulos de proteção para diagnóstico)


E aqui está um exemplo de otimização do resfriamento de um conjunto óptico: a

proteção contra nêutrons e radiação eletromagnética (chamados blocos de proteção de diagnóstico do DZM e a primeira parede de diagnóstico do DPS) será exposta a fluxos de calor poderosos de uma reação termonuclear que leva vários metros.

A carga de calor pode atingir vários megawatts e é volumosa - o que significa que todos os projetos de plugues de portas devem ser perfurados com canais com água corrente para resfriamento.

Em caso de quebra do plasma, a potência de um plugue de porta induz correntes de centenas de milhares de amperes, o que causa não apenas aquecimento adicional, mas também forças eletromagnéticas (devido à interação com o campo magnético do tokamak) de milhares de toneladas, que devem ser calculadas, levadas em conta e projetadas projetar para que ele possa suportar esses esforços.


Cálculo eletromagnético DZM porta superior. As correntes atuais que interagem com o campo magnético ITER criam DZM "rasgando" a partir do ninho de força na escala de dezenas de toneladas de força.

Sim, devido à presença de trítio no reator, o plugue da porta é uma barreira de não proliferação. É necessário provar à vigilância atômica francesa que sob todas as cargas possíveis (por exemplo, sísmica) a barreira não será quebrada.

E também para diagnosticar todas as soldas que estarão neste projeto para mostrar que elas não vazarão. Essa tarefa é complicada pela geometria do quebra-cabeça, na qual é quase impossível obter algumas costuras de dois lados para fazer o controle de raios-x.

Deixe-me lembrá-lo de que esse design deve funcionar por pelo menos 15 anos e, na melhor das hipóteses, ser atendido por pessoal com tempo de acesso limitado e roupas de proteção, e melhor por robôs.


Cálculo termo-hidráulico dos canais de refrigeração DZM. Da perfuração de metal cego através de janelas com subsequente soldagem de janelas - um tópico separado no campo de coberturas de engenharia e plug-ins de portas.

Vocês são poucos? Agora imagine que a engenharia desta instalação é feita por equipes localizadas na França, Rússia, Índia, EUA e Coréia do Sul.

Como resultado, qualquer mudança, mesmo a menor alteração no projeto, leva à necessidade de inúmeras recontagens, aprovações e, provavelmente, as alterações a seguir.

A Rússia é responsável pela integração de equipamentos científicos e pelo design das inserções da porta equatorial nº 11 (onde haverá 8 sistemas científicos, sobre os quais falaremos) e pelas portas superiores nº 2 e 8. “Integração” aqui implica o desenvolvimento e fabricação de um projeto que combinará 8 diagnósticos e cumprirá todos os requisitos indicados acima. Este trabalho é realizado pelo Instituto Novosibirsk de Física Nuclear (INP), com cerca de 30 pessoas envolvidas. Enquanto a equipe do INP se prepara para a proteção preliminar do projeto em Kadarash, a produção real de protótipos necessários para proteger o projeto técnico do equipamento portuário equatorial nº 11 começará em alguns anos.



A porta equatorial nº 11 é o primeiro conjunto de diagnóstico ITER a ser instalado no reator, e os diagnósticos necessários para o primeiro plasma (planejado para dezembro de 2025) para analisar o comportamento do plasma na máquina são coletados aqui. Estes incluíam:

1. Um refletômetro de campo fraco (EUA) é um radar de banda larga de microondas (15-220 GHz) que estuda a distribuição da densidade de elétrons sobre o perfil do plasma. Uma importante medida diagnóstica das características de densidade e temperatura de um plasma.
2. Analisador de Gás Residual (EUA) - um espectrômetro de massa que mede a composição química dos gases que permanecem na câmara de vácuo após o bombeamento
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Espectrômetro cristalino de raios X da Índia

Elementos de oito diagnósticos são montados na forma de três blocos que já estão unidos na porta ITER: plug-in de porta, estrutura de suporte na continuação da porta (OPOP), estrutura de suporte da câmera de porta. O mais difícil de desenvolver é um plugue de porta - a parte a vácuo da montagem, cujo peso não pode exceder 45 toneladas.

O plugue da porta consiste em um invólucro fornecido pelo ITER-IO, primeiras paredes de diagnóstico que protegem a porta contra radiação eletromagnética (berílio de 10 mm está localizado aqui em uma base de cobre intensamente resfriada) e plasma e módulos de proteção para diagnóstico que absorvem a radiação de nêutrons - em princípio estruturalmente o plug-in é semelhante aos módulos de segurança e à primeira parede do cobertor ITER.



O plugue da porta montado é inserido na porta (idealmente com a ajuda de robôs) e selado com um flange de parafuso, e o próprio flange também é fechado por uma tampa de cobertura com um vácuo de segurança. A primeira estrutura de suporte, que conecta a continuação dos caminhos de diagnóstico (além de tubulações de resfriamento, conectores elétricos da instrumentação do plugue da porta, eixos e tirantes para o alinhamento do espelho, etc.) às janelas de vácuo no flange do plugue da porta, é conectada ao plugue da porta. Todos esses elementos estão estruturalmente localizados dentro do criostato, ou seja, no eixo do reator. Por trás da primeira estrutura de suporte, há um plugue de biossegurança que protege da radiação gama do plasma e das estruturas do reator ativado e, por trás dela, uma segunda estrutura, com a maior parte do equipamento de medição.



O flange de vácuo do plugue da porta e sua mecanização de acoplamento de caminhos de diagnóstico e tubulações de resfriamento.

Curiosamente, até o momento, nenhum dos integradores de portas atendeu à combinação de requisitos no plug da porta de 45 toneladas de peso máximo e atenuação do fluxo de nêutrons em 10 ^ 7 vezes. Esses requisitos foram incluídos no projeto preliminar do ITER como viáveis, mas na prática resultou que é impossível cumpri-los usando a proteção de aço-água. Agora, a proteção de carboneto de boro está sendo introduzida no design dos bujões de conexão - embora não seja desejável para o vácuo do reator (o boro libera hélio sob o fluxo de nêutrons, que precisa ser bombeado, o que fornece uma carga não planejada no sistema de vácuo ITER).

Este episódio mostra novamente que a decomposição e o desenvolvimento paralelo de sistemas complexos sempre tropeçam na falta de entendimento comum no estágio de esmagar tarefas em pequenas.


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Uma plotagem importante para os integradores de plug-ins de porta é que o ITER é uma instalação nuclear. É necessário não apenas a proteção contra radiação ionizante, mas também a organização de barreiras de não proliferação da câmara de vácuo de tokamak - ou seja, dentro da câmara após as primeiras campanhas termonucleares, trítio e poeira radioativa das estruturas se acumularão. Do ponto de vista prático, isso significa que toda a estrutura deve ser certificada de acordo com as regras francesas no campo da regulamentação nuclear ESPN e RCC-MR 2007. Além disso, não apenas a estrutura, mas também os métodos, conhecimentos e habilidades dos projetistas, sistema de qualidade - a quantidade de trabalho em papel pode ser comparável à o volume do trabalho de design.


A montagem de diagnóstico da porta equatorial nº 11 será montada em parte a partir dos componentes padrão do fornecimento do ITER-IO e dos componentes que o INPP fabricará em sua planta. Por exemplo, aqui está um protótipo de uma cesta para blocos de proteção de nêutrons de carboneto de boro, feita para testes.




Nesse projeto, o INP modernizará sua produção, incluindo o equipamento de um local de montagem e teste bastante grande - lembro que os componentes mais pesados ​​aqui pesam até 45 toneladas.

Eu acho que será muito interessante olhar para a produção e teste de ferro de complexidade semelhante. Não tenho medo de dizer que hoje esses desenvolvimentos determinam os novos registros da humanidade em termos de complexidade de engenharia e estabelecem os limites para o que é possível.

Source: https://habr.com/ru/post/pt397611/