Producción
El año 2020 estuvo marcado por el paso de la producción a la instalación de varios de los componentes más importantes del tokamak internacional. Estamos hablando del primer sector de la cámara de vacío, varios imanes del campo toroidal a la vez, la primera bobina del campo poloidal, la base del criostato y muchos elementos más pequeños, pero no menos importantes.
A finales de 2019, Corea del Sur completó la soldadura y montaje del primer sector de la cámara de vacío (de 4 fabricados en Corea). Este es un producto complejo que pesa 440 toneladas: un recipiente de dos paredes con paredes de hasta 60 mm de grosor (en promedio, 40) y una estructura compleja entre las paredes (aquí están los elementos para sujetar la primera pared y los conjuntos de bioprotección de acero). El primero de su tipo en el sector de la cámara de vacío del ITER tokamak Por cierto, los elementos de protección son bloques de acero al boro, cuya producción de 9000 unidades India terminó en 2020. La tarea de producción se complica enormemente por la geometría del sector, con superficies ubicuas de doble curvatura, en el contexto de las más altas exigencias de precisión de fabricación.
El fabricante coreano ha lanzado un buen video, que muestra el trabajo titánico para crear este producto.
Sin embargo, el milagro de las cadenas de producción está en camino: el segundo sector coreano está en camino, que debería completarse en la primera mitad de 2021, y luego los 2 últimos, que se esperan en Cadarache para fines de 2022.
En el proceso de ensamblar un tokamak en una sola cámara, se necesita una gran cantidad de equipo pesado (necesario para ahorrar geometría), también fabricado en Corea. En particular, necesitamos una columna central y suspensiones radiales activas, que son de color verde en la imagen de abajo.
Entonces, en 2020, estos elementos se produjeron y probaron, y ya en 2021 deberían usarse.
Junto con cada sector de la cámara de vacío, se instalan en la mina dos bobinas de campo toroidal de 320 toneladas, los imanes más potentes del mundo actual. La producción de 18 de estos imanes comenzó ya en 2009 e incluyó 6 grandes etapas: la producción de cables superconductores, tableros radiales, ensamblaje de longitudes superconductoras, ensamblaje de paquetes de bobinado, producción de cuerpos de bobinas, ensamblaje de bobinas. Y finalmente, en 2020, las bobinas listas para usar comenzaron a salir de los transportadores japoneses y europeos, de las cuales ya había 5 bobinas listas para fines de año. Las dos primeras bobinas toroidales terminadas en el sitio de Cadarache en preparación para el montaje con el primer sector de la cámara toroidal.
Y un poco antes, en el proceso de soldadura de la abertura a través de la cual se insertó el paquete de bobinado del cable superconductor en el cuerpo de potencia de la bobina.
Y una foto más del mismo proceso para una mejor comprensión de la escala.
Y aquí hay otro proceso técnico: llenar el interior de la bobina con epoxi, para lo cual debe calentarse e inclinarse 10 grados.
Sorprendentemente, al inicio del proyecto, estos imanes se consideraron uno de los principales desafíos tecnológicos, determinando en gran medida su tiempo y costo. Sin embargo, la industria hizo frente de manera brillante a esta tarea. Entre otras cosas, cabe destacar el ruso VNIIKP, que fabricó 22 kilómetros de cable superconductor a partir de hilos TVEL, que ahora se encuentra dentro de los imanes terminados.
Además de los imanes toroidales, hay otros 4 tipos en el tokamak: un solenoide central, poloidal, correctivo e imanes calientes en la cámara para estabilización vertical y supresión de ELM. Desde el punto de vista del programa de montaje, lo más importante son las bobinas poloidales PF6 y PF5 y un juego de 6 imanes correctores de fondo.
Los 18 imanes de corrección estarán ubicados en esta configuración. Estos "pequeños" imanes con 32 o 40 vueltas de un cable superconductor con una corriente de 10 kA son necesarios para la corrección de campo controlado de los imanes principales.
El PF6 se fabricó en 2019 en China, pero llegó a Kadarash solo en septiembre y, sospecho, la pandemia fue solo una excusa y se trataba de algunas jambas extraíbles. Desde octubre hasta finales de diciembre, se llevaron a cabo pruebas en frío de PF6 y finalmente, la belleza de 400 toneladas está casi lista para ser instalada en la parte inferior de la base del criostato (desde la cual luego se moverá a los soportes en la parte inferior de la "rosquilla" cuando esté ensamblada en la mina). Bobina PF6. Al hacer clic en la imagen, puede abrir el tamaño completo y ver sus detalles: uniendo capas entre sí, enfriando los colectores de helio y los cables de los sensores de temperatura y voltaje.
Inmediatamente en el emplazamiento del ITER se fabricó otra bobina PF5, de 17 metros de diámetro, junto con las otras 4 poloidales, cuyas dimensiones no permiten su transporte. A mediados de diciembre se instaló en un banco de pruebas y en unos meses podemos esperar su entrega.
La situación con las bobinas de corrección superconductoras es notablemente más triste. Ya en 2018, China, responsable de su fabricación, informó sobre la finalización de la fabricación del primer imán, y el envío de los primeros imanes a fines de 2019. A fines de 2019, se trataba de probar el imán y enviar las primeras 4 piezas a principios de 2020. Sin embargo, hoy aún no se ha realizado la entrega. sucedió, en cualquier caso, no se anunció públicamente en ningún lado. Desafortunadamente, las bobinas de corrección no se pueden instalar después del inicio del ensamblaje de la cámara de vacío, por lo que si los chinos no quieren interrumpir el programa de ensamblaje, deben darse prisa con este elemento.
El proceso de inserción del devanado superconductor de la bobina de corrección inferior en la caja de acero de potencia, 2018.
En 2020, los elementos del sistema de suministro de energía para los imanes ITER se produjeron e instalaron activamente. Permíteme recordarte que aunque los imanes son superconductores, y parece que no puedes alimentarlos, la física de los tokamaks requiere cambiar (a veces muy bruscamente) la intensidad del campo y, en consecuencia, la corriente durante el lanzamiento. Considerando las dimensiones físicas de los imanes y la energía de campo almacenada en ellos, la potencia de los convertidores que controlan la corriente es enorme. En 2020, los rectificadores síncronos de tiristores en serie con una capacidad de 10 a 50 megavatios, fabricados en Corea del Sur y China, comenzaron a llegar al sitio de Cadarash. Otro elemento importante, cuyo envío comenzó el año pasado, fueron los módulos de conmutación rusos: los primeros 10 de los 150 equipos partieron hacia Francia en noviembre. También continuó la producción y suministro de barras colectoras de aluminio para 20 líneas de alimentación de imanes.
(12- ) …
… , .
FMS ~50 . , — «» — «», ( )
Varias historias de producción interesantes se relacionan con la jaula de energía del sistema magnético. La combinación de 15 megaamperios de corriente de plasma y campos de 6-13 Tesla genera en imanes completamente diversos en direcciones fuerzas de hasta decenas de miles de toneladas. Se utilizan muchas mecánicas complicadas para mantener la geometría del sistema magnético, flexible en una dirección y rígida en la otra.
Intentemos profundizar en los detalles aquí y observemos un dispositivo responsable de pretensar el solenoide central. Una vista muy detallada del solenoide central con todas sus estructuras mecánicas. Y aquí está uno de los detalles de la estructura de la CA. Los lectores observadores dirán cuál.
El solenoide central, 6 módulos magnéticos de los cuales se encuentran en diferentes etapas de producción (en particular, 1 ya está completamente listo) se tirará en la dirección longitudinal con una fuerza de 21.000 toneladas.
Para comprender los números en los "campos de fútbol", para tal esfuerzo, solo necesitará 2 de tales presiones.
¿Por qué es esto necesario? El hecho es que durante el proceso de arranque en el CS, la corriente disminuirá rápidamente a cero y a valores fuertemente negativos, y en diferentes módulos a diferentes velocidades. En algún momento, comenzarán a empujarse entre sí, y para estabilizar la estructura, se necesita un sistema de pretensado.
Un módulo CA casi listo para usar en el proceso de verificación de geometría. El peso de este producto es de 109 toneladas.
Para ello se utilizan placas de acero longitudinales y bloques tensores especiales, 9 juegos para toda la estructura central. Cada bloque tensor tiene 5 pernos que se apoyan contra el módulo CA superior y tiran de la parte inferior del CA por las placas longitudinales, creando así compresión.
El bloque de teclas superior se apoya contra el elemento azul que se encuentra debajo y tira de la parte inferior del solenoide hacia sí mismo a través de la placa de unión.
Ahora pasemos de las decenas de miles de toneladas abstractas a las 467 toneladas específicas que debe crear cada uno de los tornillos. ¿Es mucho o poco? Al apretar el perno con una llave estándar, podemos crear una fuerza axial en él de aproximadamente 70 a 80 veces la fuerza de una llave normal y 200 a 400 veces en una llave bien alargada. En este caso, sería aplicar un esfuerzo de 1,2-1,5 toneladas en una llave de 9 metros. Estos son valores poco realistas, por lo que surge la idea de utilizar tensores hidráulicos. Desafortunadamente, está prohibido utilizar herramientas llenas de aceite en los imanes ITER y no hay suficiente espacio para el cabezal hidráulico de una herramienta estándar. Por lo tanto, en la actualidad se están considerando 2 opciones: un tensor hidráulico especialmente diseñado con agua o pernos especiales llamados tensor Multi Jackbolt. Estos son tensores mecánicos muy interesantes,se utiliza activamente donde se requiere demasiada tensión.
Video promocional detallando MJT. En resumen, los pernos pequeños se apoyan en la arandela y extraen el cuerpo del perno principal.
Para el caso en consideración, se necesitaría un MJT con 24 pernos-insertos, la tensión era de 20 pasos y solo ~ 120,000 operaciones de apriete de los pernos-insertos, lo que requeriría 1.5 meses de trabajo de varios equipos. Esa es la bagatela.
MJT experimentado para ITER CS está instalado en el dispositivo para medir la tensión generada.
También puede observar los complicados soportes del CS, sobre los que se fija desde abajo a las bobinas toroidales para que los movimientos radiales del TC no desplacen el eje del CS. Esto también se verá facilitado por un conjunto de anillos de fibra de vidrio pretensados, que expandirán el TC desde abajo y desde arriba. Estos anillos se fabricaron en Francia en 2019-2020 y pronto entrarán en el eje del reactor.
Un par de novedades de producción relacionadas con los componentes internos de la cámara de vacío. Estos dispositivos no serán necesarios pronto, pero esta es una de las partes más difíciles del ITER: alto vacío, radiación, las cargas térmicas más potentes del plasma y geometría compleja. Estos dispositivos incluyen la "primera pared": paneles enfriados activamente revestidos con berilio, que se enfrentarán directamente al plasma ...
Un prototipo de uno de los 440 paneles de la primera pared
... bloques protectores, que son ~ 5 toneladas de productos de acero llenos de agua, cuya tarea es absorber neutrones y, en parte, radiación gamma de una reacción termonuclear. Es sobre ellos donde se unirán los paneles de la primera pared.
La primera unidad de protección coreana en serie (Corea es responsable de la producción de 220 unidades)
Y, finalmente, el desviador, un dispositivo en el que se drenará el plasma termonuclear (después de lo cual se enfría y bombea, asegurando así la purificación del plasma circulante). El desviador se instalará en una cámara de vacío ~ 2030, pero la producción de sus principales superficies de trabajo, revestidas con tungsteno, la industria se despertará ahora, tratando de comprender la profundidad del abismo tecnológico en el que tendrá que hundirse.
Elemento desviador europeo
y elemento desviador ruso
Incluso desde la parte del “reactor” del proyecto, en 2020 se completó la tapa del criostato, por supuesto, llamativa en su tamaño absurdo (recuerde, su diámetro es de 30 metros). Entre los sistemas "externos", podemos señalar la producción en curso de gyrotrones de fabricación japonesa y rusa. Es sorprendente, por supuesto, lo desigual que es la producción de componentes en un proyecto de este tipo. Los tubos de radio de alta tecnología más sofisticados que 3 empresas en el mundo son capaces de producir ya están hechos con un margen a los planos originales, y los soportes “simples” para imanes toroidales están 2 años atrasados.
Los gyrotrones japoneses se aburren mientras esperan la edición. Por cierto, las bridas blancas que están frente a nosotros son la salida de la radiación de microondas, y la ventana en ellas está hecha de diamante.
India continuó suministrando segmentos de criolina, que son tuberías de evacuación de un diámetro decente, dentro de las cuales se colocan tuberías con líquidos y gases y se instalan crio cribas.
Soldadura de tuberías de criolín profundo en el sótano B1 del edificio tokamak.
Como conclusión de la sección de "producción", me gustaría mostrar un punto más, más probablemente sobre la instalación, pero no obstante: las puertas de protección contra la radiación ITER. Debido al hecho de que hasta 45 grandes penetraciones - puertos están organizados en el "donut" de la cámara de vacío, el eje del reactor está rodeado por 45 cámaras de puertos - salas en las que se ubica la continuación del equipo que ingresa a este puerto. Para organizar la bioseguridad en estas aberturas de la radiación de neutrones y gamma del reactor, cuya tasa de dosis en la pared del reactor alcanzará ~ 100,000 roentgens por hora, se organizarán tapones de protección contra neutrones hechos de carburo de boro, acero y agua y la bioseguridad de la radiación gamma en forma de tapón de hormigón. Sin embargo, para extinguir cualquier cosa que pasara por el equipo y proteger los edificios circundantes, se instaló una puerta de 100 toneladas llena de concreto pesado al final de cada cámara de babor.En total, se tuvieron que instalar 60 puertas de este tipo en el edificio del reactor, que se completó en el otoño de 2020.
Investigación y desarrollo
ITER en su conjunto requirió y aún requiere una increíble cantidad de trabajo por parte de científicos, investigadores, desarrolladores e ingenieros; incluso sin socios industriales, estos costos superan los 10.000 años-hombre. Sin embargo, todavía queda una gran parte. En 2020 se publicó un plan de I + D de apoyo (120 puntos), en la parte física del cual participarán todos los tokamaks modernos del mundo y muchas instalaciones y stands especializados. El soporte SPIDER es un ionizador de gas RF de baja presión con un sistema electrostático que extrae iones negativos. Todo esto es difícil de discernir detrás del entrelazamiento de tuberías de enfriamiento, barras colectoras de cobre y otras barras.
El bloque más grande sigue siendo la creación de inyectoras neutras, para lo cual se creó un gran stand ELISE en Alemania, un gran laboratorio con dos grandes instalaciones SPIDER y MITICA se construyó en Italia a la vez. La intensidad y complejidad científica de este sistema es quizás la más alta de todo el ITER y, a pesar de que ya lleva 10 años de desarrollo, aún no se han alcanzado los indicadores específicos requeridos para la corriente iónica y la proporción de electrones en esta corriente.
MITICA no es solo un stand, es todo un complejo de instalaciones .
Una parte importante de la investigación es la supresión de las interrupciones del plasma mediante inyección de gas y disparos con trozos de hielo congelados (los trozos de hielo a una velocidad de 200-400 m / s, lo mejor de todo, transportan materia fría al centro de la columna de plasma). Estos estudios se están llevando a cabo en el tokamak DIII-D estadounidense y el KSTAR coreano.
Un interesante escaneo de la pared del tokamak DIII-D donde están firmados los puertos de todos los sistemas de diagnóstico, calefacción, etc.
Una gran cantidad de I + D se ocupa de los sistemas de diagnóstico ITER, es decir, sus instrumentos científicos. Para no multiplicar las palabras generales, propongo mirar dentro del desarrollo de los sistemas de diagnóstico rusos, por ejemplo, los primeros espejos de un dispositivo de espectroscopía de línea de hidrógeno o un colimador de neutrones de un analizador de partículas de plasma neutras . Puede observar la ingeniería y cosas aparentemente más mundanas, por ejemplo, pernos robóticos compatibles para unir la primera pared a bloques protectores, o ver cómo se prueban los conectores herméticos al vacío para ITER para ciclos térmicos.
Cabe señalar que las inversiones en personas y tecnologías que se están realizando en el marco de este desarrollo a gran escala de un reactor termonuclear indudablemente darán y tendrán un efecto positivo en otros campos no relacionados con el ITER. Conocimiento, tecnología, soluciones de ingeniería, calificaciones del personal: todos estos costos pueden considerarse inversiones en una amplia gama de industrias y áreas.
Conclusión
Otro año trajo muchos cambios positivos para el proyecto de un reactor termonuclear experimental internacional en términos de instalación de sistemas y componentes. Además, las primeras pruebas funcionales, que comenzaron tímidamente en 2019, comenzaron a expandirse y crecer, y podemos esperar la preparación de los primeros grandes sistemas de servicios en 2021. Poco a poco estamos llegando al punto en que las ideas puestas en la máquina, la calidad de ejecución y la organización del proyecto pasarán un riguroso examen de puesta en marcha, y será él quien determinará quién tiene razón: los críticos del proyecto o sus seguidores. Pero me parece que los éxitos de 2020 nos permiten mantener un optimismo moderado sobre el futuro del ITER.