Продолжение. начало в первой части.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/systemsplantassembly/busbar_09-09-2020-1_small.jpg)
Российские шинопроводы и корейские преобразователи (слева) в здании магнитных конверторов.
2020 год отметился передачей с производства на монтаж сразу нескольких важнейших компонентов международного токамака. Речь идет про первый сектор вакуумной камеры, сразу несколько магнитов тороидального поля, первую катушку полоидального поля, основание криостата и множество более мелких, но от этого не менее важных элементов.
Южная Корея в конце 2019 года закончила сварку-сборку первого сектора вакуумной камеры (из 4, изготавливаемых в Корее). Это сложнейшее изделие весом в 440 тонн — двухстеночный сосуд со стенками толщиной до 60 мм (в среднем — 40) и сложной структурой между стенок (здесь находятся элементы крепления первой стенки и сборки стальной биозащиты).
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/2020-0406_after%20hlt.jpg)
Первый в своем роде сектор вакуумной камеры токамака ИТЭР
![image](https://www.iter.org/img/resize-900-90/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3489/iws_india_nwsl.jpg)
Кстати элементы защиты представляют собой вот такие блочки из борированной стали, производство 9000 единиц которых Индия закончила в 2020 году.
Задачу производства сильно осложняет геометрия сектора, с повсеместными поверхностями двойной кривизны, на фоне высочайших требований к точности изготовления.
Корейский производитель выпустил неплохой ролик, в котором видна титаническая работа по созданию этого изделия.
Впрочем, чудо производственных цепочек — на подходе уже второй корейский сектор, который должны сдать в первом полугодии 2021, а затем и 2 заключительных, ожидаемых в Кадараше до конца 2022.
В процессе сборки токамака в единую камеру необходимо множество всякой тяжелой оснастки (нужной для сохранения геометрии), также изготавливаемой в Корее. В частности нужны центральная колонна и активные радиальные подвесы, на картинке ниже покрашенные зеленым.
![image](https://i.postimg.cc/4dzfC8bz/in-pit-column-tool-small-ed.jpg)
Так вот, в 2020 году эти элементы были произведены и протестированы, и уже в 2021 они должны пойти в дело.
![image](https://i.postimg.cc/vG31Qcby/img-0548-sm.jpg)
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/assemblytooling/sector_lifting_tool_test_ed_small.jpg)
Вместе с каждым сектором вакуумной камеры в шахту устанавливается и по две 320 тонные катушки тороидального поля — мощнейшие, на сегодня, магниты в мире. Производство 18 этих магнитов началось аж в 2009 году и включало в себя 6 больших этапов: производство сверхпроводящих кабелей, радиальных плат, сборка сверхпроводящих длинн, сборка намоточных пакетов, производство корпусов катушек, сборка катушек. И вот, наконец, в 2020 году с Японского и Европейского конвееров начали сходить готовые катушки, коих к концу года набралось уже 5 штук готовых.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/tokamakassembly/tf9-tf12_4a_small%20(1).jpg)
Первые две готовые тороидальные катушки на площадке в Кадараше в процессе подготовки к сборке с первым сектором тороидальной камеры.
![image](https://i.postimg.cc/8TVdFF2r/49064951041-b749ac6b14-o.jpg)
И чуть раньше — в процессе заварки проема, через который намоточный пакет сверхпроводящего кабеля вставлялся в силовой корпус катушки.
![image](https://i.postimg.cc/x8Mb4yq7/49064360533-803b04d8bb-o.jpg)
И еще одно фото этого же процесса для лучшего понимания масштаба.
![image](https://i.postimg.cc/hnC0CtdH/49064942281-ccc6bd1cfc-o.jpg)
А вот тут другой техпроцесс — заливки внутренностей катушки эпоксидной смолой, для чего ее приходится подогревать и наклонить на 10 градусов.
Удивительно, но на старте проекта эти магниты считались одним из главных технологических вызовов, во многом определяющих его сроки и стоимость. Однако промышленность в блеском справилась с этой задачей. В том числе необходимо отметить российский ВНИИКП, изготовивший 22 километра сверхпроводяшего кабеля из стрендов ТВЭЛ, находящегося сейчас внутри готовых магнитов.
Кроме тороидальных магнитов, в токамаке есть еще 4 других типа: центральный соленоид, полоидальные, корректирующие и внутрикамерные теплые магниты вертикальной стабилизации и подавления ELM. С точки зрения графика сборки самыми важными являются полоидальные катушки PF6 и PF5 а также набор из 6 нижних корректирующих магнитов.
![image](https://i.postimg.cc/FhtpjCLz/11-cc-overview-qwzrfv-v1-0.jpg)
18 корректирующих магнитов будут расположены вот в такой конфигурации. Это «маленькие» магниты с 32 или 40 витками сверхпроводящего кабеля с током 10 кА нужны для управляемой коррекции поля основных магнитов.
PF6 была изготовлена еще в 2019 году в Китае, однако добралась до Кадараша только к сентябрю месяцу, причем, подозреваю, пандемия была только отговоркой и речь шла о каких-то устранимых косяках. С октября по конец декабря было проведено холодное тестирование PF6 и наконец, 400-тонная красавица практически готова к установке в нижней части основания криостата (из которой она потом перекочует на крепления внизу “бублика”, когда он будет собран в шахте).
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/pf6_tested.jpg)
Катушка PF6. По клику картинку можно открыть в полный размер и поразглядывать ее детали — соденинения слоев между собой, коллекторы охлаждающего гелия и кабели от датчиков температуры и напряжения
Другая катушка PF5, диаметром 17 метров, изготавливалась сразу на площадке ИТЭР, наряду с другими 4 полоидальными, размеры которых не позволяют их транспортировать. В середине декабря она была установлена в тестовый стенд и через несколько месяцев можно ожидать сдачи.
![image](https://i.postimg.cc/k5gKgbh6/12-pf-3-web14-12-2020.jpg)
Ситуация с сверхпроводящими корректирующими катушками заметно печальнее. Ответственный за их изготовление Китай еще в в 2018 году рапортовал об окончании изготовления первого магнита, и отправки первых магнитов в конце 2019. В конце 2019 года речь шла о тестировании магнита и отправке первых 4 штук в начале 2020. Однако на сегодня поставка так и не произошла, во всяком случае нигде публично это озвучено не было. К сожалению, корректирующие катушки невозможно установить после начала сборки вакуумной камеры, так что если китайцы не хотят нарушить график сборки им надо поторопиться и с этим элементом.
![image](https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3101/cc_insertion_qualification_140951.jpg)
Процесс вставки сверхпроводящей обмотки нижней корректирующей катушки в силовой стальной корпус, 2018 год.
В 2020 активно производились и устанавливались элементы системы электропитания магнитов ИТЭР. Напомню, что хотя магниты и сверхпроводящие, и их вроде как можно не подпитывать, физика токамаков требует в процессе запуска менять (порой очень резко) напряженность поля и соответственно ток. Учитывая физические размеры магнитов и запасенную в них энергию поля, мощность преобразователей, управляющих током, получается грандиозная. В 2020 году на площадку Кадараша начали поступать серийные тиристорные синхронные выпрямители мощностью от 10 до 50 мегаватт, производства Южной Кореи и Китая. Еще одним важным элементом, отгрузка которого начата в прошлом году стали российские коммутирующие модули: первые 10 из 150 единиц оборудования уехали во Францию в ноябре. Продолжалась и производство и поставка алюминиевых шинопроводов для 20 линий питания магнитов.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/newsline%20galleries/newsline/3386/32-33_converter.jpg)
Первые конверторы (12-пульсные тиристорные синхронные выпрямители) в здании…
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/newsline%20galleries/newsline/3386/32-33_reactor.jpg)
… а так же их сглаживащие индуктивности, выключатели и прочая машинерия.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/elec_switchboards_niiefa.jpg)
Быстрые пневматические выключатели FMS на ~50 килоампер тока и несколько киловольт напряжения. Если у вас возникает вопрос, что же тут коммутируются — то приглядитесь к алюминиевому листу на «столе» — это один «провод», а второй находится под столом (подробнее про устройство)
Несколько интересных производственных историй касаются силового каркаса магнитной системы. Сочетание 15 мегаампер тока плазмы и полей в 6-13 Тесла рождает в магнитах совершенно разнообразные по направлению силы величиной до десятков тысяч тонн. Чтобы удержать геометрию магнитной системы используется множество хитрой механики, гибкой в одном направлении и жесткой в другом.
Давайте попробуем тут нырнуть совсем в детали и посмотреть на одно устройство, отвечающее за преднатяжение центрального соленоида.
![image](https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3233/cs_and_structures.jpg)
Очень подробное изображение центрального соленоида со всеми его механическими структурами.
![image](https://www.usiter.org/sites/default/files/inline-images/flex%20brackets%20-%20cropped_0.jpg)
А вот и одна из деталей структуры ЦС. Наблюдательные читатели скажут — какая.
Центральный соленоид, 6 магнитных модулей которого находятся на разных стадиях изготовления (в частности 1 уже полностью готов) будет стянут в продольном направлении с усилием 21000 тонн.
![image](https://shubmachinery.com/wp-content/uploads/2014/04/10000-ton-press-croatia-1.png)
Для понимания цифр в «футбольных полях» — для такого усилия вам понадобится как раз 2 таких пресса.
Зачем это надо? Дело в том, что в процессе запуска в ЦС ток будет быстро снижаться до нуля и до сильно отрицательных значений, причем в разным модулях с разной скоростью. В какие-то моменты они начнут расталкивать друг друга, и чтобы стабилизировать стуктуру и нужна система преднатяжения.
![image](https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3268/module-1-helium-piping.jpg)
Практически готовый модуль ЦС в процессе проверки геометрии. Вес этого изделия — 109 тонн.
Для этого используются продольные стальные пластины и специальные блоки-натяжители, 9 комплектов на весь ЦС. В каждом блоке-натяжителе есть 5 болтов, которые упираются в верхний модуль ЦС и тянут за продольные пластины нижнюю часть ЦС, таким образом создавая компрессию.
![image](https://i.postimg.cc/5xRpJhc4/2021-01-09-13-31-02.png)
Upper Key Block упирается в синий элемент под собой и через Tie Plate'ы тянет нижнюю часть соленоида к себе.
А теперь перейдем от абстрактных десятков тысяч тонн к конкретным 467 тоннам, которые должен создать каждый из болтов. Много это или мало? Затягивая стандартным ключем болт мы можем создать осевое усилие в нем примерно в 70-80 раз больше усилия на обычном ключе, и в 200-400 раз — на хорошо удлиненном ключе. В данном случае было бы приложить усилие в 1,2-1,5 тонны на 9-метровом ключе. Это нереальные значения, поэтому возникает идея использования гидравлических натяжителей. К сожалению, на магнитах ИТЭР запрещено использование маслонаполненного инструмента, да и места под гидроголовку стандартного инструмента маловато. Поэтому сегодня рассматривается 2 варианта — либо специально спроектированный под задачу гидронатяжитель с водой, либо специальные болты, называемые Multi Jackbolt Tensioner. Это очень интересные механические натяжители, активно использующиеся там, где требуется слишком большое натяжение.
Рекламный ролик, подробно рассказывающий о MJT. Коротко — маленькие болтики упираются в шайбу и вытягивают тело основного болта.
Для рассматриваемого случая нужно было бы MJT с 24 болтами-вставками, натяжение в 20 шагов и всего ~120000 операций докручивания болтов-вставок, что заняло бы 1,5 месяца работы нескольких бригад. Такая вот мелочь.
![image](https://www.usiter.org/sites/default/files/styles/hero_wide_2x/public/media-images/2018-07/Supernut%20for%20CS%20structures.JPG?itok=Tt3Gy12o)
Опытный MJT для ЦС ИТЭР устанавливается в устройство для измерения создаваемого натяжения.
Можно еще отметить хитрые опоры ЦС, на которых он снизу прикрепляется к тороидальным катушкам таким образом, чтобы радиальные движения ТК не смещали ось ЦС. Еще этому будет способствовать комплект преднапряженных стеклопластиковых колец, которые будут распирать ТК снизу и сверху. Эти кольца были изготовлены во Франции в 2019-2020 году и совсем скоро пойдут в шахту реактора.
![image](https://i.postimg.cc/ZYtnfNF8/48125459698-d9d9a3b140-o.jpg)
![image](https://i.postimg.cc/Vz6fW4Py/48125415396-c848ab62c6-o.jpg)
Парочка производственных новостей касаются внутренних устройств вакуумной камеры. Устройства эти понадобяться не скоро, но это одна из самых сложных частей ИТЭР — высокий вакуум, радиация, мощнейшие тепловые нагрузки от плазмы, сложная геометрия. К этим устройствам можно отнести «первую стенкку» — активно охлаждаемые панели, облицованные берилием, которые будут обращены непосредственно к плазме…
![image](https://i.postimg.cc/J1MQFyKW/48825882486-cf25288e96-o.jpg)
Прототип одной из 440 панелей первой стенки
… защитные блоки, представляющие собой ~5 тонные стальные изделия, наполненные водой, задача которых принять в себя нейтронное и частично — гамма-излучение от термоядерной реакции. Именно на них будут крепиться панели первой стенки.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/first_series_shield_block_ko.jpg)
Первый серийный корейский защитный блок (Корея отвечает за производство 220 блоков)
И, наконец, дивертор, устройство, на которое будет стекать термоядерная плазма (после чего она охлаждается и откачиватся, тем самым обеспечивая циркуляционную очистку плазмы). Дивертор будет устанавливаться в вакуумную камеру ~2030 году, но производство его главных рабочих поверхностей, облицованных вольфрамом, индустрия пробудет уже сейчас, пытаясь понять глубину технологической пропасти, в которую придется опуститься.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/f4e_ivt_prototype.jpg)
Европейский элемент дивертора
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/ru_in-vessel_1_small.jpg)
и российский элемент дивертора
Еще из “реакторной” части проекта в 2020 году была закончена крышка криостата, конечно, поражающая своим абсурдным размером (напомню — ее диаметр 30 метров).
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/flag-off_top-lid_2.jpg)
Среди “внешних” систем можно отметить продолжающееся производство гиротронов Японского и Российского производства. Удивительно, конечно, как неровно выходит производство компонент в таком проекте. Сложнейшие высокотехнологичные радиолампы, которые способны производить 3 фирмы в мире, сделаны уже с запасом к первоначальным планам, а “простые” опоры для тороидальных магнитов отстают от сроков на 2 года.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/ja_gyrotron510.jpg)
Японские гиротроны скучают в ожидании монтажа. Кстати, белые фланцы, обращенные к нам — это выход микроволнового излучения, и окно в них сделано из алмаза.
Индия продолжала поставки сегментов криолиний, представляющих из себя вакуумируемые трубы приличного диаметра, внутри которых проложены трубы с жидкостями и газами, а также установлены криоэкраны.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/systemsplantassembly/cryoline_welder_1.jpg)
Сварка трубопроводов криолиний в глубине подвального этажа B1 здания токамака.
В заключение раздела “производство” хочу показать еще один момент, скорее про монтаж, но тем не менее — радиационно-защитные двери ИТЭР. В силу того, что в “бублике” вакуумной камеры организовано аж 45 больших проходок — портов, шахту реактора окружает 45 порт-камер — помещений, в которых расположено продолжение оборудования, заходящего в данный порт. Для организации биозащиты в этих проемах от нейтронного и гамма-излучения реактора, мощность дозы которого на стенке реактора будет достигать ~100000 рентген в час, организутся пробки нейтронной защиты из карбида бора, стали и воды и биозащиты от гамма-излучения в виде бетонной пробки. Однако чтобы погасить все, что прошло вдоль элементов оборудования и защитить окружающие здания в конце каждой порт-камеры установлена 100-тонная дверь с заполнением тяжелым бетоном. В целом в здании реактора нужно было установить 60 таких дверей, что и было завершено осенью 2020 года.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/tkmcomplex/snc_tc2_oct20.jpg)
ИТЭР в целом потребовал и требует невероятного объема работы ученых, исследователей, разработчиков и инженеров — даже без индустриальных партнеров эти затраты превышают 10000 человеко-лет. Однако немаленький кусок все еще остается. В 2020 году был опубликован план поддерживающих R&D (в 120 пунктов), в физической части которой будут задействованы все современные токамаки мира и множество специализированных установок и стендов.
![image](https://1.bp.blogspot.com/-7OgNFqN1Lek/WtdNM3W5_hI/AAAAAAAANtE/Ky_oeGesyRMTVk9bAS7vv6IczUZFqAy6QCLcBGAs/s1600/DSC_7680.jpg)
Стенд SPIDER представляет из себя радиочастотный ионизатор газа низкого давления с вытягивающей отрицательные ионы электростатитческой системой. Все это сложновато разглядеть за сплетением труб охлаждения, медных шин и прочих штанг.
Самым большим блоком остается создание инжекторов нейтралов, под которые в Германии создан крупный стенд ELISE, в Италии построена сразу большая лаборатория с двумя большими установками SPIDER и MITICA. Наукоемкость и сложность этой системы, пожалуй, самая высокая во всем ИТЭР, и несмотря на уже 10 лет разработки, нужные удельные показатели по току ионов и доле электронов в этом токе пока не достигнуты.
![image](https://i.postimg.cc/Hp3SqnmF/2021-01-09-18-24-18.png)
MITICA — это не просто стенд, это целый комплекс установок.
Важной частью исследований является подавление срывов плазмы с помощью ввдувов газов и стрельбы замороженными льдинками (льдинки на скорости 200-400 м/с лучше всего доносят холодное вещество до центра плазменного шнура). Эти исследования ведутся на американском токамаке DIII-D и корейском KSTAR.
![image](https://i.redd.it/c1u49xr3wr201.png)
Интересная развертка стенки токамака DIII-D где подписаны порты всех систем диагностики, нагрева и т.п.
Громадный объем R&D касается диагностических систем ИТЭР — т.е. его научных приборов. Чтобы не множить общие слова, предлагаю заглянуть внутрь разработки российских систем диагностики — например первых зеркал прибора спектроскопии водородных линий или нейтронного коллиматора анализатора нейтральных частиц плазмы. Можно посмотреть на инженерию и вроде бы более приземленных вещей, например, роботосовместимых болтов крепления первой стенки к защитным блокам или посмотреть как тестируют вакуумно-плотных разъемов для ИТЭР на термоциклы.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/f4e_feedthrough-protos.jpg)
Надо отметить, что вложения в людей и технологии, которые происходят в рамках этой масштабной разработки термоядерного реактора, безусловно дают и дадут положительный эффект в других, не связанных с ИТЭР полях. Знания, технологии, инженерные решения, квалификация кадров — можно считать все эти расходы инвестициями в длинном ряду отраслей и направлений.
Еще один год принес для проекта международного термоядерного экспериментального реактора множество положительных сдвигов в части монтажа систем и элементов. Более того, робко стартовавшие в 2019 году первые функциональные тесты начали шириться и разрастаться и можно ожидать в 2021 готовности первых больших сервисных систем. Мы постепенно подходим к моменту, когда идеи, заложенные в машину, качество исполнения и организация проекта будут проходить суровый экзамен сдачи в эксплуатацию, и именно он будет определять кто же прав — критики проекта или его поклонники. Но, как мне кажется, успехи 2020 года позволяют поддерживать умеренный оптимизм по поводу будущего ИТЭР.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/systemsplantassembly/busbar_09-09-2020-1_small.jpg)
Российские шинопроводы и корейские преобразователи (слева) в здании магнитных конверторов.
Производство
2020 год отметился передачей с производства на монтаж сразу нескольких важнейших компонентов международного токамака. Речь идет про первый сектор вакуумной камеры, сразу несколько магнитов тороидального поля, первую катушку полоидального поля, основание криостата и множество более мелких, но от этого не менее важных элементов.
Южная Корея в конце 2019 года закончила сварку-сборку первого сектора вакуумной камеры (из 4, изготавливаемых в Корее). Это сложнейшее изделие весом в 440 тонн — двухстеночный сосуд со стенками толщиной до 60 мм (в среднем — 40) и сложной структурой между стенок (здесь находятся элементы крепления первой стенки и сборки стальной биозащиты).
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/2020-0406_after%20hlt.jpg)
Первый в своем роде сектор вакуумной камеры токамака ИТЭР
![image](https://www.iter.org/img/resize-900-90/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3489/iws_india_nwsl.jpg)
Кстати элементы защиты представляют собой вот такие блочки из борированной стали, производство 9000 единиц которых Индия закончила в 2020 году.
Задачу производства сильно осложняет геометрия сектора, с повсеместными поверхностями двойной кривизны, на фоне высочайших требований к точности изготовления.
Корейский производитель выпустил неплохой ролик, в котором видна титаническая работа по созданию этого изделия.
Впрочем, чудо производственных цепочек — на подходе уже второй корейский сектор, который должны сдать в первом полугодии 2021, а затем и 2 заключительных, ожидаемых в Кадараше до конца 2022.
В процессе сборки токамака в единую камеру необходимо множество всякой тяжелой оснастки (нужной для сохранения геометрии), также изготавливаемой в Корее. В частности нужны центральная колонна и активные радиальные подвесы, на картинке ниже покрашенные зеленым.
![image](https://i.postimg.cc/4dzfC8bz/in-pit-column-tool-small-ed.jpg)
Так вот, в 2020 году эти элементы были произведены и протестированы, и уже в 2021 они должны пойти в дело.
![image](https://i.postimg.cc/vG31Qcby/img-0548-sm.jpg)
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/assemblytooling/sector_lifting_tool_test_ed_small.jpg)
Вместе с каждым сектором вакуумной камеры в шахту устанавливается и по две 320 тонные катушки тороидального поля — мощнейшие, на сегодня, магниты в мире. Производство 18 этих магнитов началось аж в 2009 году и включало в себя 6 больших этапов: производство сверхпроводящих кабелей, радиальных плат, сборка сверхпроводящих длинн, сборка намоточных пакетов, производство корпусов катушек, сборка катушек. И вот, наконец, в 2020 году с Японского и Европейского конвееров начали сходить готовые катушки, коих к концу года набралось уже 5 штук готовых.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/tokamakassembly/tf9-tf12_4a_small%20(1).jpg)
Первые две готовые тороидальные катушки на площадке в Кадараше в процессе подготовки к сборке с первым сектором тороидальной камеры.
![image](https://i.postimg.cc/8TVdFF2r/49064951041-b749ac6b14-o.jpg)
И чуть раньше — в процессе заварки проема, через который намоточный пакет сверхпроводящего кабеля вставлялся в силовой корпус катушки.
![image](https://i.postimg.cc/x8Mb4yq7/49064360533-803b04d8bb-o.jpg)
И еще одно фото этого же процесса для лучшего понимания масштаба.
![image](https://i.postimg.cc/hnC0CtdH/49064942281-ccc6bd1cfc-o.jpg)
А вот тут другой техпроцесс — заливки внутренностей катушки эпоксидной смолой, для чего ее приходится подогревать и наклонить на 10 градусов.
Удивительно, но на старте проекта эти магниты считались одним из главных технологических вызовов, во многом определяющих его сроки и стоимость. Однако промышленность в блеском справилась с этой задачей. В том числе необходимо отметить российский ВНИИКП, изготовивший 22 километра сверхпроводяшего кабеля из стрендов ТВЭЛ, находящегося сейчас внутри готовых магнитов.
Кроме тороидальных магнитов, в токамаке есть еще 4 других типа: центральный соленоид, полоидальные, корректирующие и внутрикамерные теплые магниты вертикальной стабилизации и подавления ELM. С точки зрения графика сборки самыми важными являются полоидальные катушки PF6 и PF5 а также набор из 6 нижних корректирующих магнитов.
![image](https://i.postimg.cc/FhtpjCLz/11-cc-overview-qwzrfv-v1-0.jpg)
18 корректирующих магнитов будут расположены вот в такой конфигурации. Это «маленькие» магниты с 32 или 40 витками сверхпроводящего кабеля с током 10 кА нужны для управляемой коррекции поля основных магнитов.
PF6 была изготовлена еще в 2019 году в Китае, однако добралась до Кадараша только к сентябрю месяцу, причем, подозреваю, пандемия была только отговоркой и речь шла о каких-то устранимых косяках. С октября по конец декабря было проведено холодное тестирование PF6 и наконец, 400-тонная красавица практически готова к установке в нижней части основания криостата (из которой она потом перекочует на крепления внизу “бублика”, когда он будет собран в шахте).
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/pf6_tested.jpg)
Катушка PF6. По клику картинку можно открыть в полный размер и поразглядывать ее детали — соденинения слоев между собой, коллекторы охлаждающего гелия и кабели от датчиков температуры и напряжения
Другая катушка PF5, диаметром 17 метров, изготавливалась сразу на площадке ИТЭР, наряду с другими 4 полоидальными, размеры которых не позволяют их транспортировать. В середине декабря она была установлена в тестовый стенд и через несколько месяцев можно ожидать сдачи.
![image](https://i.postimg.cc/k5gKgbh6/12-pf-3-web14-12-2020.jpg)
Ситуация с сверхпроводящими корректирующими катушками заметно печальнее. Ответственный за их изготовление Китай еще в в 2018 году рапортовал об окончании изготовления первого магнита, и отправки первых магнитов в конце 2019. В конце 2019 года речь шла о тестировании магнита и отправке первых 4 штук в начале 2020. Однако на сегодня поставка так и не произошла, во всяком случае нигде публично это озвучено не было. К сожалению, корректирующие катушки невозможно установить после начала сборки вакуумной камеры, так что если китайцы не хотят нарушить график сборки им надо поторопиться и с этим элементом.
![image](https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3101/cc_insertion_qualification_140951.jpg)
Процесс вставки сверхпроводящей обмотки нижней корректирующей катушки в силовой стальной корпус, 2018 год.
В 2020 активно производились и устанавливались элементы системы электропитания магнитов ИТЭР. Напомню, что хотя магниты и сверхпроводящие, и их вроде как можно не подпитывать, физика токамаков требует в процессе запуска менять (порой очень резко) напряженность поля и соответственно ток. Учитывая физические размеры магнитов и запасенную в них энергию поля, мощность преобразователей, управляющих током, получается грандиозная. В 2020 году на площадку Кадараша начали поступать серийные тиристорные синхронные выпрямители мощностью от 10 до 50 мегаватт, производства Южной Кореи и Китая. Еще одним важным элементом, отгрузка которого начата в прошлом году стали российские коммутирующие модули: первые 10 из 150 единиц оборудования уехали во Францию в ноябре. Продолжалась и производство и поставка алюминиевых шинопроводов для 20 линий питания магнитов.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/newsline%20galleries/newsline/3386/32-33_converter.jpg)
Первые конверторы (12-пульсные тиристорные синхронные выпрямители) в здании…
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/newsline%20galleries/newsline/3386/32-33_reactor.jpg)
… а так же их сглаживащие индуктивности, выключатели и прочая машинерия.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/elec_switchboards_niiefa.jpg)
Быстрые пневматические выключатели FMS на ~50 килоампер тока и несколько киловольт напряжения. Если у вас возникает вопрос, что же тут коммутируются — то приглядитесь к алюминиевому листу на «столе» — это один «провод», а второй находится под столом (подробнее про устройство)
Несколько интересных производственных историй касаются силового каркаса магнитной системы. Сочетание 15 мегаампер тока плазмы и полей в 6-13 Тесла рождает в магнитах совершенно разнообразные по направлению силы величиной до десятков тысяч тонн. Чтобы удержать геометрию магнитной системы используется множество хитрой механики, гибкой в одном направлении и жесткой в другом.
Давайте попробуем тут нырнуть совсем в детали и посмотреть на одно устройство, отвечающее за преднатяжение центрального соленоида.
![image](https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3233/cs_and_structures.jpg)
Очень подробное изображение центрального соленоида со всеми его механическими структурами.
![image](https://www.usiter.org/sites/default/files/inline-images/flex%20brackets%20-%20cropped_0.jpg)
А вот и одна из деталей структуры ЦС. Наблюдательные читатели скажут — какая.
Центральный соленоид, 6 магнитных модулей которого находятся на разных стадиях изготовления (в частности 1 уже полностью готов) будет стянут в продольном направлении с усилием 21000 тонн.
![image](https://shubmachinery.com/wp-content/uploads/2014/04/10000-ton-press-croatia-1.png)
Для понимания цифр в «футбольных полях» — для такого усилия вам понадобится как раз 2 таких пресса.
Зачем это надо? Дело в том, что в процессе запуска в ЦС ток будет быстро снижаться до нуля и до сильно отрицательных значений, причем в разным модулях с разной скоростью. В какие-то моменты они начнут расталкивать друг друга, и чтобы стабилизировать стуктуру и нужна система преднатяжения.
![image](https://www.iter.org/doc/www/content/com/Lists/Stories/Attachments/3268/module-1-helium-piping.jpg)
Практически готовый модуль ЦС в процессе проверки геометрии. Вес этого изделия — 109 тонн.
Для этого используются продольные стальные пластины и специальные блоки-натяжители, 9 комплектов на весь ЦС. В каждом блоке-натяжителе есть 5 болтов, которые упираются в верхний модуль ЦС и тянут за продольные пластины нижнюю часть ЦС, таким образом создавая компрессию.
![image](https://i.postimg.cc/5xRpJhc4/2021-01-09-13-31-02.png)
Upper Key Block упирается в синий элемент под собой и через Tie Plate'ы тянет нижнюю часть соленоида к себе.
А теперь перейдем от абстрактных десятков тысяч тонн к конкретным 467 тоннам, которые должен создать каждый из болтов. Много это или мало? Затягивая стандартным ключем болт мы можем создать осевое усилие в нем примерно в 70-80 раз больше усилия на обычном ключе, и в 200-400 раз — на хорошо удлиненном ключе. В данном случае было бы приложить усилие в 1,2-1,5 тонны на 9-метровом ключе. Это нереальные значения, поэтому возникает идея использования гидравлических натяжителей. К сожалению, на магнитах ИТЭР запрещено использование маслонаполненного инструмента, да и места под гидроголовку стандартного инструмента маловато. Поэтому сегодня рассматривается 2 варианта — либо специально спроектированный под задачу гидронатяжитель с водой, либо специальные болты, называемые Multi Jackbolt Tensioner. Это очень интересные механические натяжители, активно использующиеся там, где требуется слишком большое натяжение.
Рекламный ролик, подробно рассказывающий о MJT. Коротко — маленькие болтики упираются в шайбу и вытягивают тело основного болта.
Для рассматриваемого случая нужно было бы MJT с 24 болтами-вставками, натяжение в 20 шагов и всего ~120000 операций докручивания болтов-вставок, что заняло бы 1,5 месяца работы нескольких бригад. Такая вот мелочь.
Опытный MJT для ЦС ИТЭР устанавливается в устройство для измерения создаваемого натяжения.
Можно еще отметить хитрые опоры ЦС, на которых он снизу прикрепляется к тороидальным катушкам таким образом, чтобы радиальные движения ТК не смещали ось ЦС. Еще этому будет способствовать комплект преднапряженных стеклопластиковых колец, которые будут распирать ТК снизу и сверху. Эти кольца были изготовлены во Франции в 2019-2020 году и совсем скоро пойдут в шахту реактора.
![image](https://i.postimg.cc/ZYtnfNF8/48125459698-d9d9a3b140-o.jpg)
![image](https://i.postimg.cc/Vz6fW4Py/48125415396-c848ab62c6-o.jpg)
Парочка производственных новостей касаются внутренних устройств вакуумной камеры. Устройства эти понадобяться не скоро, но это одна из самых сложных частей ИТЭР — высокий вакуум, радиация, мощнейшие тепловые нагрузки от плазмы, сложная геометрия. К этим устройствам можно отнести «первую стенкку» — активно охлаждаемые панели, облицованные берилием, которые будут обращены непосредственно к плазме…
![image](https://i.postimg.cc/J1MQFyKW/48825882486-cf25288e96-o.jpg)
Прототип одной из 440 панелей первой стенки
… защитные блоки, представляющие собой ~5 тонные стальные изделия, наполненные водой, задача которых принять в себя нейтронное и частично — гамма-излучение от термоядерной реакции. Именно на них будут крепиться панели первой стенки.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/first_series_shield_block_ko.jpg)
Первый серийный корейский защитный блок (Корея отвечает за производство 220 блоков)
И, наконец, дивертор, устройство, на которое будет стекать термоядерная плазма (после чего она охлаждается и откачиватся, тем самым обеспечивая циркуляционную очистку плазмы). Дивертор будет устанавливаться в вакуумную камеру ~2030 году, но производство его главных рабочих поверхностей, облицованных вольфрамом, индустрия пробудет уже сейчас, пытаясь понять глубину технологической пропасти, в которую придется опуститься.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/f4e_ivt_prototype.jpg)
Европейский элемент дивертора
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/ru_in-vessel_1_small.jpg)
и российский элемент дивертора
Еще из “реакторной” части проекта в 2020 году была закончена крышка криостата, конечно, поражающая своим абсурдным размером (напомню — ее диаметр 30 метров).
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/flag-off_top-lid_2.jpg)
Среди “внешних” систем можно отметить продолжающееся производство гиротронов Японского и Российского производства. Удивительно, конечно, как неровно выходит производство компонент в таком проекте. Сложнейшие высокотехнологичные радиолампы, которые способны производить 3 фирмы в мире, сделаны уже с запасом к первоначальным планам, а “простые” опоры для тороидальных магнитов отстают от сроков на 2 года.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/ja_gyrotron510.jpg)
Японские гиротроны скучают в ожидании монтажа. Кстати, белые фланцы, обращенные к нам — это выход микроволнового излучения, и окно в них сделано из алмаза.
Индия продолжала поставки сегментов криолиний, представляющих из себя вакуумируемые трубы приличного диаметра, внутри которых проложены трубы с жидкостями и газами, а также установлены криоэкраны.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/systemsplantassembly/cryoline_welder_1.jpg)
Сварка трубопроводов криолиний в глубине подвального этажа B1 здания токамака.
В заключение раздела “производство” хочу показать еще один момент, скорее про монтаж, но тем не менее — радиационно-защитные двери ИТЭР. В силу того, что в “бублике” вакуумной камеры организовано аж 45 больших проходок — портов, шахту реактора окружает 45 порт-камер — помещений, в которых расположено продолжение оборудования, заходящего в данный порт. Для организации биозащиты в этих проемах от нейтронного и гамма-излучения реактора, мощность дозы которого на стенке реактора будет достигать ~100000 рентген в час, организутся пробки нейтронной защиты из карбида бора, стали и воды и биозащиты от гамма-излучения в виде бетонной пробки. Однако чтобы погасить все, что прошло вдоль элементов оборудования и защитить окружающие здания в конце каждой порт-камеры установлена 100-тонная дверь с заполнением тяжелым бетоном. В целом в здании реактора нужно было установить 60 таких дверей, что и было завершено осенью 2020 года.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/construction/tkmcomplex/snc_tc2_oct20.jpg)
Исследования и разработка
ИТЭР в целом потребовал и требует невероятного объема работы ученых, исследователей, разработчиков и инженеров — даже без индустриальных партнеров эти затраты превышают 10000 человеко-лет. Однако немаленький кусок все еще остается. В 2020 году был опубликован план поддерживающих R&D (в 120 пунктов), в физической части которой будут задействованы все современные токамаки мира и множество специализированных установок и стендов.
![image](https://1.bp.blogspot.com/-7OgNFqN1Lek/WtdNM3W5_hI/AAAAAAAANtE/Ky_oeGesyRMTVk9bAS7vv6IczUZFqAy6QCLcBGAs/s1600/DSC_7680.jpg)
Стенд SPIDER представляет из себя радиочастотный ионизатор газа низкого давления с вытягивающей отрицательные ионы электростатитческой системой. Все это сложновато разглядеть за сплетением труб охлаждения, медных шин и прочих штанг.
Самым большим блоком остается создание инжекторов нейтралов, под которые в Германии создан крупный стенд ELISE, в Италии построена сразу большая лаборатория с двумя большими установками SPIDER и MITICA. Наукоемкость и сложность этой системы, пожалуй, самая высокая во всем ИТЭР, и несмотря на уже 10 лет разработки, нужные удельные показатели по току ионов и доле электронов в этом токе пока не достигнуты.
![image](https://i.postimg.cc/Hp3SqnmF/2021-01-09-18-24-18.png)
MITICA — это не просто стенд, это целый комплекс установок.
Важной частью исследований является подавление срывов плазмы с помощью ввдувов газов и стрельбы замороженными льдинками (льдинки на скорости 200-400 м/с лучше всего доносят холодное вещество до центра плазменного шнура). Эти исследования ведутся на американском токамаке DIII-D и корейском KSTAR.
![image](https://i.redd.it/c1u49xr3wr201.png)
Интересная развертка стенки токамака DIII-D где подписаны порты всех систем диагностики, нагрева и т.п.
Громадный объем R&D касается диагностических систем ИТЭР — т.е. его научных приборов. Чтобы не множить общие слова, предлагаю заглянуть внутрь разработки российских систем диагностики — например первых зеркал прибора спектроскопии водородных линий или нейтронного коллиматора анализатора нейтральных частиц плазмы. Можно посмотреть на инженерию и вроде бы более приземленных вещей, например, роботосовместимых болтов крепления первой стенки к защитным блокам или посмотреть как тестируют вакуумно-плотных разъемов для ИТЭР на термоциклы.
![image](https://www.iter.org/doc/all/content/com/gallery/media/2%20-%20manufacturing%20underway/f4e_feedthrough-protos.jpg)
Надо отметить, что вложения в людей и технологии, которые происходят в рамках этой масштабной разработки термоядерного реактора, безусловно дают и дадут положительный эффект в других, не связанных с ИТЭР полях. Знания, технологии, инженерные решения, квалификация кадров — можно считать все эти расходы инвестициями в длинном ряду отраслей и направлений.
Заключение
Еще один год принес для проекта международного термоядерного экспериментального реактора множество положительных сдвигов в части монтажа систем и элементов. Более того, робко стартовавшие в 2019 году первые функциональные тесты начали шириться и разрастаться и можно ожидать в 2021 готовности первых больших сервисных систем. Мы постепенно подходим к моменту, когда идеи, заложенные в машину, качество исполнения и организация проекта будут проходить суровый экзамен сдачи в эксплуатацию, и именно он будет определять кто же прав — критики проекта или его поклонники. Но, как мне кажется, успехи 2020 года позволяют поддерживать умеренный оптимизм по поводу будущего ИТЭР.