Projeto ITER em 2019

Bem-vindo ao primeiro resumo do ITER sobre prontidão para plasma! Deixe-me lembrá-lo de que temos informações básicas sobre o projeto. Posso dizer que temos boas notícias hoje - o Congresso dos EUA adotou um orçamento para o ano fiscal de 2020 com um aumento acentuado do financiamento para a parte americana do ITER - US $ 257 milhões. Depois de vários anos de subfinanciamento, são ótimas notícias! Em geral, até o final de 2019, podemos verificar a implementação de mais de 65% do plano de trabalho antes do primeiro plasma. Mas a frente é o terceiro mais difícil.


Site do ITER em outubro de 2019. Observe o anel branco em segundo plano próximo ao prédio cinza. Esta é uma seção de 30 metros (de diâmetro) de um criostato - um recipiente a vácuo no qual o reator ITER estará localizado.

• Portanto, para lançar o ITER, precisamos:
• Edifícios especializados do complexo ITER
• Eletricidade, água, ar e outras coisas de infraestrutura
• Sistema de remoção de calor
• Sistema de Abastecimento de Fluido Criogênico
• Subsistema de potência de ímãs supercondutores, matriz de comutação e resistores de emergência para redefinir a energia magnética
• Sistema de Vácuo e Combustível de Tokamak
• Criostato e criostetes térmicos
• Ímanes supercondutores acabados - um total de 43 peças
• Câmara de vácuo na qual o plasma queimará
• Um sistema para medir parâmetros de plasma, parâmetros operacionais de equipamentos, controle e visualização - milhares de sensores e atuadores e centenas de racks em todo o complexo
• E o mais importante é juntar tudo, montar, montar e executar. Temos exatamente 6 anos para isso.

Agora vamos ver esses pontos em detalhes

Edifícios

O evento mais significativo de 2019 é a conclusão do edifício tokamak. Já em março de 2020, nos é prometida a conclusão da construção e o início do movimento dos guindastes do edifício de montagem preliminar (inaugurado em 2017) para o edifício de tokamak e, como resultado, o início da montagem do reator no eixo do reator.


Top out!

Sim, o projeto continuou por um longo tempo neste momento - a escavação do poço começou em 2010, o preenchimento da fundação isolante sísmica em 2011 e a construção de "pisos de trabalho" começou no final de 2015 (uma pausa bastante longa foi associada à reformulação do prédio após o acidente na usina nuclear de Fukushima). E agora - a altura do projeto foi atingida! Curiosamente, de acordo com os planos de 2014, isso deveria acontecer em julho de 2019. Em geral, podemos dizer que a tarefa foi concluída quase sem demora.


Dentro do prédio do tokamak, o acesso ao eixo do reator será bloqueado por essas portas de 60 toneladas que servem tanto para absorver a radiação de nêutrons quanto como uma barreira à não proliferação de radioisótopos.

Dos aproximadamente 40 edifícios e estruturas necessários para o primeiro plasma, quase tudo já está pronto ou está na fase final de construção. Dos despreparados, vale destacar o edifício de controle, o edifício dos resistores de descarga de energia magnética (esses resistores são produzidos na Rússia) e o edifício de trítio, que foi construído cerca da metade. No entanto, nos 6 anos restantes, eles podem ser completamente concluídos e saturados com o equipamento.


Renderização de um site concluído. Cinza indica o equipamento já construído e saturado, o prédio roxo - tokamak ainda em construção, o azul - edifícios futuros. Todo esse prédio azul em torno do prédio de tokamak não é necessário para o primeiro plasma e será construído posteriormente.


Além disso, em 2019, os construtores transferiram edifícios acabados para conversores de energia do sistema magnético, um edifício para equipamentos de compensação de energia reativa e, no final de 2018, também a construção de um sistema de rejeição de calor.

Elementos de infraestrutura

O complexo ITER, em lançamentos em larga escala, será o maior consumidor de eletricidade - cerca de 110 megawatts para sistemas de suporte e até 250 megawatts para sistemas de aquecimento e fornecimento de energia para ímãs. Tudo isso será distribuído entre os sistemas com um complexo sistema multinível composto por 7 transformadores e duas estações ASU conectadas a um painel de distribuição de 400 quilovolts. A primeira parte - a saber, um dispositivo de média tensão de distribuição geral que fornece 110 megawatts de cargas, foi comissionada em janeiro de 2019 e assumiu o fornecimento de muito poucos consumidores (construtores e instaladores). Essa entrada permitirá testar todas as principais instalações de infraestrutura do tokamak - uma criocombina, um sistema de descarga de calor (esses dois consumidores são responsáveis ​​pela maior parte da carga - quase 100 MW para dois), no entanto, ainda está em andamento o trabalho de construção de subestações locais de transformadores e redes de distribuição.


Novo centro de distribuição (centro de carga), do qual os sistemas de aquecimento a plasma serão alimentados no futuro

Também em 2019, foi encomendado o primeiro transformador para 400 MVAR (em três) do subsistema de energia de cargas variáveis ​​(ímãs, sistemas de aquecimento). Ele será usado para testar os conversores de potência do sistema magnético, que, no entanto, ocorrerão não antes de dois anos.


Vista do local do ITER a partir do lado do painel externo de 400 quilovolts, transformadores de cargas constantes (à direita no centro) e cargas pulsadas (à esquerda no centro). Dois edifícios de conversores de potência de ímãs estão localizados à esquerda da criocombina (com tanques de gás amarelos).

Em 2019, o equipamento de um sistema de remoção de calor foi instalado ativamente - e isso é nada menos que 5 sistemas de circulação de água autônomos com nível diferente de química e confiabilidade da água, 10 torres de resfriamento com uma capacidade total de cerca de 300 megawatts e duas piscinas de água quente e fria, além de 4 uma dúzia de bombas, equipamentos de troca de calor, etc. Todo o sistema deve receber até 1150 megawatts de calor do tokamak e de seus sistemas auxiliares no momento do lançamento, e o armazenamento em buffer desse calor irá despejá-lo gradualmente em pausas. Para o primeiro plasma, no entanto, está claro que o poder deste sistema será usado em uma pequena fração das possibilidades.


Instalação de torres de resfriamento - dezembro de 2019


Instalação de bombas verticais do sistema de refrigeração. Eles são necessários para o fornecimento de água da piscina "quente" acumulada para a torre de resfriamento.

Crococombina

A criocombina é uma das maiores instalações de produção de hélio líquido do mundo em 2019 ... foi redesenhada ativamente. Em princípio, esse é o flagelo de qualquer projeto complexo “primeiro de seu tipo” - um grande número de relacionamentos leva ao fato de que a negligência de algumas pequenas coisas se traduz em grandes alterações. Em particular, como os engenheiros do ITER me explicaram, a revisão da carga levou à necessidade de um ligeiro aumento no equipamento e na adição de sistemas de ventilação e ar condicionado, e seu volume total foi maior do que as capacidades do telhado, e alguns dos condicionadores de ar tiveram que ser transferidos para o anexo e todas as rotas de ventilação redesenho. Portanto, uma pequena mudança levou à suspensão da instalação do equipamento aqui por um ano.


A situação para setembro de 2019. Em comparação com setembro de 2018, quando eu estava aqui, apareceram caixas e cabos de ventilação - isso significa que o assunto saiu do chão! No entanto, os motores do compressor ainda não foram acoplados aos próprios compressores (esta operação é realizada após a conexão de toda a rede elétrica).


Tanques azuis - instalações para a drenagem de hélio, mais abaixo no corredor - instalações para a purificação de hélio de impurezas. À direita e à esquerda nas elevações estão os compressores de hélio e os trocadores de calor.

No entanto, esse momento está atrasado e em 2020 é esperado o início de testes autônomos de unidades. Após a construção do edifício dos resistores de emergência (ano 2022), um viaduto será instalado com tubulações de líquidos criogênicos da criocombinada do edifício tokamak e, aparentemente, depois de 2023 a introdução faseada do sistema de criossistema ocorrerá no edifício tokamak, deve ser bastante interessante.



Outro dos eventos mais importantes de 2019 - a instalação de criolinas começou no piso inferior do edifício tokamak, a partir do qual os alimentadores criogênicos de ímãs supercondutores e várias outras coisas, como bombas de vácuo de criossorção, serão alimentados.


No piso inferior do edifício tokamak, a instalação de criolinas (localizadas em um único tubo de vácuo com isolamento térmico). É assim que a maioria das comunicações fica pendurada no teto.

Esse ponto é importante porque a instalação das primeiras (de muitas) comunicações no edifício tokamak finalmente começou. Esse processo será complexo e longo, o que significa que é importante iniciá-lo o mais rápido possível.

Conversores Magnéticos

Os ímãs supercondutores do ITER em operação armazenam até 46 gigajoules e operam com corrente de até 68 quiloamperes. Além disso, o tokamak requer uma mudança bastante rápida na corrente nos ímãs, o que significa fontes de corrente poderosas “bombeando” e “bombeando” ímãs com a corrente. Em dois edifícios, haverá cerca de 40 conversores separados, que são retificadores multifásicos controlados de tamanhos grandiosos (os maiores conversores terão até 90 megawatts de energia e a potência total de todos os conversores será de 2,1 GW). Como a energia é necessária especificamente para alterar a corrente, o sistema magnético será emparelhado com um sistema de compensação de energia reativa - grosso modo, um conjunto de capacitores e indutores comutados para uma rede de corrente alternada. Isso permitirá armazenar parte da energia magnética extraída e devolvê-la no próximo ciclo sem "puxar" a linha de alta tensão.


Construção de um sistema de compensação de potência reativa. Uma das coisas interessantes no quadro são indutores de alta tensão em segundo plano.

Em 2019, em ambos os edifícios dos conversores, iniciou-se a instalação de barramentos (fabricados na Rússia), que conectará os conversores e os alimentadores magnéticos, e a preparação das bases para a instalação dos próprios blocos inversores. Há também a instalação de transformadores (cada inversor depende de um trans de entrada), claramente visível nos planos gerais (eles estão fora do edifício).


Barramentos russos (amarelos) dentro da construção de conversores magnéticos. Ainda não há conversores.

Em 2020, os inversores serão instalados e todos os componentes serão combinados, mas os testes elétricos ainda estão longe.

Sistema de vácuo

Um sistema extremamente importante como parte do ITER, incluindo até 400 bombas de vácuo e 10 quilômetros de tubos de vácuo. Parece que em 2018-2019 ela foi atingida pelo vírus de redesenho, em qualquer caso, a construção daquela parte do edifício de trítio, onde, por assim dizer, uma oficina a vácuo com várias dezenas de bombas de bombeamento principais estava localizada, está em pé desde meados de 2018. No entanto, no andar acima desta sala, todo o andar do prédio de trítio é reservado para outro sistema de mudança ativa - o resfriamento de água de tokamak, cujas tarefas foram transferidas dos EUA para a UE em 2018. Alguns novos elementos do sistema de vácuo, no entanto, se iluminaram.


Na foto, senhores, gerentes e trabalhadores estão satisfeitos com os testes de densidade de vácuo do modelo de porta equatorial do ITER, durante os quais é mostrada uma superioridade significativa do ferro sobre os requisitos de vazamento. As "entradas" abafadas do reator serão mais ou menos assim no futuro.

Criostato

Um criostato é um recipiente a vácuo no qual um tokamak será localizado junto com um sistema magnético. O vácuo aqui é principalmente para isolamento térmico de ímãs muito frios de uma câmara de vácuo bastante quente e do prédio ao redor. Em 2019, a produção do “cilindro inferior do criostato” foi concluída - esta é a segunda parte do criostato a partir do fundo (de 4), e o trabalho com a base do criostato está quase terminado - esta é a parte mais baixa. Desde a instalação da base nos mancais e depois do cilindro inferior na base em março de 2020, a montagem do ITER deve começar (mais sobre isso abaixo). De fato, centenas de elementos de suporte para crioscópios térmicos, sensores e suas linhas de cabos ainda não foram soldados nas duas partes do criostato, mas esse trabalho pode ser feito nos meses restantes e até após a instalação do reator na mina.


A base do criostato, verão de 2019. A montagem das peças principais está concluída e até as bases dos suportes da bobina estão prontas.

As telas de Cryo, a propósito, também estão a caminho do site. São astutas chapas de aço inoxidável de 10 a 20 mm de espessura com tubos de refrigeração soldados, através dos quais o hélio flui a uma temperatura de 80 a 100 K e banhado a prata para melhorar o reflexo da radiação infravermelha. Algumas das telas criogênicas estão incluídas nas primeiras montagens que precisam ser instaladas na mina, por isso temos o prazer de observar que sua produção foi concluída no prazo (a Coréia do Sul está envolvida nela)


Telas criogênicas térmicas. Especificamente, este é um elemento da tela localizado entre a câmara de vácuo e os ímãs toroidais.

Ímãs supercondutores

Se você leu meus artigos sobre o ITER antes, sabe que não me canso de admirar a grandeza dos principais ímãs supercondutores do reator termonuclear internacional. Na verdade, todos os 25 grandes ímãs ITER se tornarão os 25 maiores ímãs supercondutores do mundo. Para o primeiro plasma, é necessário coletar todos eles - no entanto, a ordem de montagem determina qual dos ímãs é a mais prioritária. Na verdade, já este ano pelo menos 2 dos primeiros ímãs devem ser instalados na mina - esses são os poloidais inferiores PF6 e PF5, que estarão localizados sob a câmara de tokamak. O primeiro é fabricado na China e se move na direção de Kadarash, e o segundo está atualmente passando por operações finais de produção, diretamente no local do ITER. Ambos os ímãs terão testes criotécnicos (no local) e equipamentos adicionais com sensores, mas podemos esperar que, no final do verão, eles sejam reduzidos à posição de design. Dado o peso (~ 400 toneladas cada) e as dimensões (10 e 18 metros de diâmetro), as operações de instalação devem ser bastante épicas.


A cerimônia de colocação da primeira bobina ITER pelos chineses - PF6. A bobina está à esquerda, no centro há uma câmara na qual foi impregnada com resina epóxi, à direita há uma embalagem de transporte.


O PF5, em meados de novembro, estava se preparando para impregnar a pressão a vácuo de todo o ímã; até o final do ano, essa operação deveria ser concluída. À frente está a instalação de sensores e entradas de hélio, bem como fixadores mecânicos.


Montagem mecânica da bobina na câmara de tokamak fabricada na China.

A prontidão dos ímãs de campo toroidal de TF não é menos importante - aproximadamente um ano após o início da instalação, a montagem da câmara de vácuo na mina deve começar de acordo com os planos (esta operação levará de 2 a 2,5 anos) e, para isso, a montagem preliminar de 2 bobinas de TF e um setor ( bem como telas criogênicas relacionadas) no estande da montagem do setor no edifício da montagem preliminar (você já escreveu sobre a montagem?). I.e. Em algum momento do verão de 2020, idealmente, os dois primeiros ímãs de TF e o primeiro setor da câmara de vácuo devem chegar ao local do ITER e continuar a fazê-lo regularmente.


Suporte de montagem para saco de enrolamento e corpo da bobina TF. Agora a segunda bobina já está chegando aqui, então as coisas vão ficar mais energéticas (5 pacotes de enrolamento já estão prontos).

Os ímãs toroidais são montados na Europa e no Japão. Em particular, há um ano, "embaixo da árvore de Natal" na Europa, eles executaram a operação de deslizar as metades do estojo na embalagem de enrolamento (no Japão, em março de 2019) e, ao longo de 2019, continuaram a trazer o primeiro ímã de "combate" à prontidão. Para isso, foi necessário expor com precisão o saco de enrolamento dentro da caixa, soldar as metades da caixa, soldar as tampas pelas quais a bolsa foi inserida, encher o interior com epóxi. Tudo isso foi concluído com sucesso e a última operação permaneceu - a usinagem do corpo de acordo com as permissões deixadas para a imprecisão da montagem. Essa complexidade tecnológica se deve ao fato de ser necessário obter uma coincidência de eixos magnéticos reais e teóricos dentro de 1 mm em três eixos com uma dimensão do produto de 16x10x3 metros.


Soldagem de coberturas de habitação em um carrinho com robôs. Os europeus eram bastante preguiçosos ...


... e as extremidades das mesmas capas. Por que não robôs?


Epóxi preencher um ímã. Para fazer isso, tive que fazer uma posição especial em que um produto de 300 toneladas pudesse ser inclinado 10 graus e aquecido.

Embora saibamos muito sobre os sucessos da Europa, o Japão (infelizmente, tradicionalmente) para o ano não publicou nada sobre o progresso da assembléia do TF. Há um ano, o atraso foi literalmente alguns meses, então talvez em 2020 o TF japonês chegue a Kadarash, o que seria muito útil - apenas com ímãs europeus, não há como acompanhar as datas da montagem.

Além do exposto, também existe um solenóide central fabricado nos EUA (segundo o qual não há notícias desde maio), ímãs PF4,3,2,1 (dos quais apenas 3,4 não foram iniciados) - mas tudo isso será necessário para a instalação em 2-4 anos, então hoje não vamos tocá-los.


No entanto, um tiro será útil - um suporte de enrolamento onde foram feitas panquecas duplas para PF5 e PF2 agora estão sendo refeito para um diâmetro maior (24 metros) de bobinas PF3,4

Câmara de vácuo

Mesmo no início da formação dos tokamaks como o tipo mais promissor de reatores de fusão controlada, os engenheiros observaram que a forma toroidal da câmara é um pesadelo tecnológico para a indústria. No entanto, a realidade acabou sendo muito pior: você precisa não apenas de uma câmera toroidal, mas de uma câmera de duas paredes com alta rigidez (e, portanto, com nervuras grossas e numerosas), requisitos extremos para soldas e até requisitos exorbitantes para a precisão da geometria (isso é em superfícies com curvatura dupla - onde não é tão fácil medir a precisão com uma régua e até um modelo).


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A câmara de vácuo ITER será montada em 9 setores, 4 dos quais fabricados na Coréia do Sul (Hyundai Heavy Industry) e 5 - na Europa (Walter Tosto / Ansaldo / ENSA). O ciclo de produção inclui estampagem a quente de peças em branco, sua usinagem, soldagem em 4 etapas de ampliação com usinagem intermediária - e tudo isso exige muitos equipamentos de formato irregular e sua própria metrologia óptica. As coisas estão mudando muito lentamente - os coreanos começaram a cortar metal para o primeiro setor em 2012 e somente no outono de 2019 chegaram à soldagem de 4 segmentos no setor acabado. A Europa está atrasada em cerca de 2 anos e, na minha opinião, não poderá emitir 1 setor antes do final de 2021, o que com uma alta probabilidade significa que os planos para o primeiro plasma ITER cairão por 1 ano.


No outono de 2019, os europeus terminaram de soldar o interior de um segmento poloidal (de 4) de seu primeiro setor. Os coreanos fizeram esse progresso há dois anos.


Os coreanos em setembro de 2019 começaram a soldar 4 segmentos acabados em um único setor. A seguir, ainda está soldando os tubos das portas superior e do desvio, medições finais e usinagem - e despacho.

No projeto da câmara de vácuo, há também a contribuição da Índia (fabrica blocos de absorvedores de nêutrons de aço boro) e da Rússia (paga pela fabricação de 9 tubos superiores na Alemanha, cada um pesando 18 toneladas) - mas está tudo bem aqui, sem drama e emoções.


Um dos bicos superiores da câmara de vácuo, fabricado pela MAN por encomenda da Federação Russa.

Por fim, existem dispositivos intracameral - um desvio, primeira parede, em branco, ímãs "quentes" para suprimir instabilidades de ELF, vários sensores e linhas de água. No entanto, isso não é necessário para o primeiro plasma, então hoje vamos pular esse tópico, embora haja progresso e realizações nessa área (de alta tecnologia) do trabalho do ITER.


Em 2019, várias empresas europeias fabricaram seus protótipos dos primeiros painéis de parede. Telhas de berílio, dissipador de calor de cobre, construção em aço inoxidável.

Sistema de controle

Em grandes projetos industriais, o ajuste do sistema de controle de processos geralmente determina o atraso no lançamento de todo o projeto. Primeiro, ele logicamente chega ao último estágio (é impossível configurar o sistema de controle de equipamentos não instalados) e, em segundo lugar, coleta todos os erros de instalação, fabricação, etc. que aparecem durante a depuração. Aqui, o ITER corre o risco de montar um bingo completo: o projeto não é apenas extremamente complicado, muitos componentes também são os primeiros de seu tipo, eles vêm de diferentes países e incluem seus próprios sistemas de controle local. Apesar das medidas preventivas adotadas na forma de software de código aberto como uma pilha de gerenciamento(RHEL + CODAC + EPICS) e distribuir kits de software e hardware a todos os interessados, lançando um sistema com dezenas de milhares de sensores, milhares de atuadores (muitos com o seu próprio software e hardware "dentro"), alguns dos quais também devem atender aos critérios de confiabilidade de energia nuclear. instalações será uma tarefa muito difícil.


Os soquetes de passagem para as condições da câmara de radiação a vácuo do ITER são um dos desenvolvimentos de 2019.

É decepcionante que tudo isso seja um pouco adiado para mais tarde - embora a pilha de controle já esteja funcionando não apenas puramente no laboratório, mas também “direciona”, por exemplo, o sistema de fonte de alimentação padrão ITER (que levou 6 meses para começar), o edifício de controle e o data center do ITER nem sequer começou a construir, para que em menos de três anos não vejamos o processo de colocar o ITER em operação.


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Em 2020, a montagem do reator na mina deve começar - algo pelo qual o projeto passou por cerca de 12 anos de trabalho real e 35 anos a partir da ideia. A montagem promete ser um evento extremamente difícil, mesmo porque muitos empreiteiros trabalharão em diferentes sistemas e áreas: de equipamento pesado a alinhamento óptico, de milhares de cabos de baixa tensão a barramentos de 300x200 mm para linhas de corrente de até 70 quiloamperes, vácuo, criogênica, água e gás - Tudo isso convergirá em uma mina de 30 metros de diâmetro e 30 de profundidade.


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De fato, a instalação do reator já começou - na base de concreto - os rolamentos "coroa" 18 foram instalados sob o suporte móvel e são instaladas almofadas de alinhamento para a futura base do criostato. Após a instalação das duas seções inferiores do criostato, elas precisarão ser soldadas e, paralelamente, todos os produtos de "sub-braçadeiras" deverão ser assentados na base - ímãs PF6.5, seis bobinas corretivas, um coletor grande para a distribuição de criogenia e correntes em ímãs corretivos, telas de crio-vácuo (parcialmente) e, em seguida, instale a coluna de montagem em torno dos quais setores da câmara de vácuo serão pendurados. (a coluna está sendo aceita na Coréia do Sul e em breve partirá para a França)


A primeira etapa da montagem do reator. Duas seções de um criostato, dois ímãs PF inferiores, 5 bobinas em forma de D corrigindo entre eles, uma coluna de montagem é instalada.


Coluna de montagem em uma fábrica na Coréia do Sul.

A propósito, artigos interessantes serão colocados na coluna - 6 anéis de compressão - são peças de fibra de vidro de quatro metros que manterão os segmentos inferiores do TF juntos. Atualmente, esses produtos são fabricados na França.


O primeiro anel de compressão finalizado. Sua tarefa é manter ímãs com uma divergência não superior a 5 mm, com uma força repulsiva de 36.000 toneladas. No total, haverá 3 anéis de trabalho e 3 de reposição abaixo.

Paralelamente ao “espaço da sub-câmara”, 18 suportes para ímãs toroidais (fabricados na China) serão instalados e os crioalimentadores inferiores de ímãs supercondutores serão instalados.


Minha foto no andar L1 do edifício tokamak é apenas para sentir a atmosfera.

Todo esse período deve levar cerca de um ano, após o qual a montagem da câmara de vácuo toroidal deve começar. No entanto, precisamos viver até esse estágio - vamos falar sobre isso em um ano.

Sumário

O projeto ITER progrediu bem em 2019 e até recebeu uma solução inesperada para o problema de financiamento dos Estados Unidos. No entanto, os problemas de implementação continuam surgindo aqui e ali - por exemplo, a instalação de sistemas no prédio de tokamak começou com um atraso anual, há um forte atraso na produção da câmara de vácuo. Mas estou feliz que o ITER já esteja prestes a montar o próprio reator na mina - em alguns meses veremos esse grandioso evento com nossos próprios olhos.

PS Para quem lê até o fim - um pequeno bônus, um link para um maravilhoso tour em 3D do site , filmado em outubro de 2019