ИТЭР: итоги 2015 года

2015 год стал знаковым для проекта международного термоядерного реактора. Новый руководитель ИТЭР Бернар Биго (сменивший в 2015 Осаму Мотоджиму) сумел переломить тренд постоянного роста отставания от сроков и ощущения, что проект развалится не дойдя до запуска. В ушедшем году волевым усилием нового директора были закончены чертежи зданий комплекса и переданы строителям, что помогло тем в разы нарастить темп работ на площадке. Тем временем, долго разворачивавшаяся промышленность, в 2015 году вышла на крейсерскую скорость, и первые элементы гигантской машины достигли площадки в Кадараше. Наконец, третий важный компонент проекта — разработка сверхвысокотехнологичных элементов машины к настоящему моменту показывает успех по большинству направлений, и снимает все больше рисков того, что производство упрется в технологические тупики.

Строительство.


Площадка ИТЭР в феврале 2015. В яме комплекса зданий токамака видна первая робкая активность по заливке стен этажа B2, на заднем плане — начавшееся строительства зала предварительной сборки.

В 2015 году многократно выросли как объемы строительства так и законченные элементы. На площадке было начато сразу 7 зданий а два строящихся были подведены под крышу. Традиционная ссылка на большой план комплекса, который обязательно надо открыть, что бы понимать что написано ниже. Итак, за 2015 год строители успели:

• Практически закончить нижний подвальный этаж (называемый B2) комплекса зданий токамака (зд. 14,11,74), и перейти к заливке перекрытий следующего — B1. В том числе была залита крайне сложная конструкция биозащиты на нижнем подвальном этаже.
  
  
  План этажа B2 с оборудованием. Серое — строительные элементы, которые в 2015 году практически доведены до конца.
  Кстати, в целом этот этаж является самым непростым из всех 6 основных этажей комплекса зданий токамака. Уже в 2016 году здание токамака начнет подниматься над уровнем земли, постепенно выползая из котлована 17 метровой глубины, а дальше темп строительства предусматривает возведение двух этажей в год.
  
  
  Этаж B2 в начале декабря 2015. На заднем плане уже видна опалубка стен этажа B1.
  
• Начатое в 2014 году строительство металлоконструкций зала предварительной сборки (зд. 13) успешно закончилось подъемом крыши и началом сооружения внешней обшивки. Возведение этого высокотехнологичного сарая, где будет осуществляться сборка самых больших блоков реактора перед установкой в шахте позволило начать строительство двух примыкающих зданий. Сдача здания с оборудованием планируется в апреле 2017 года.
  
  
  А еще в этом здании будет установлена спарка мостовых кранов общей грузоподъемностью 1500 тонн — кажется, очередной рекорд ИТЭР.
  
• Первое из них — это сооружение очистки, зд. №17. Здесь будет осуществляться отмывка элементов токамака, которые пойдут в чистовую зону предварительной сборки до нужной чистоты.
  
  
  Проектное изображение сооружения очистки. Задом это здание примыкает к залу предварительной сборки и работает эдаким шлюзом.
  
• Второе — здание радиочастотного нагрева №15, начатое в самом конце 2015 Запланированное к завершению строительства в марте 2017, это будет вторая вводимая внешняя система токамака после…
  
  
  Земляные работы на месте будущего здания №15, вид от зала предварительной сборки. На дальнем плане зд. 61
  
• Конвертеров магнитной энергии, здания 32 и 33. Эти здания должны быть построены на рубеже 16/17 года (во что, впрочем, не очень верится). Здесь будут располагаться мощнейшие синхронные выпрямители, от которых будет запитана магнитная система ИТЭР.
  
  
  Например, вот это китайский прототип выпрямителя, который будет ставится в здании магнитных конвертеров.
  
  
• В прошлом году резво стартовало строительство и криокомбината (зд 51,52). Его планируется передавать под монтаж оборудования начиная со второй половины 2017 года. Напомню, что система криоснабжения ИТЭР — мощнейшая в мире.
  
  
  Пока криокомбинат выглядит вот так. На заднем плане гигаваттное 400-киловольтное октрытое распредустройство, которое будет питать ИТЭР в работе.
  
  
• Наконец, в этом году так же начато строительство центра управления токамаком (зд. 71). Это будет скорее офисное здание с большим залом для 70 рабочих мест операторов комплекса и немаленьким ЦОДом на 150+ стоек, где будет расположен петафлопный расчетный кластер, 15 петабайтное хранилище и 70 серверов системы управления CODAC.
  
  
• Кроме того надо отметить прогресс строительства здания 61 в 2015 году. Это крайне скучное здание, в котором будет располагаться газоподготовка, компрессорная, газгольдеры и прочее для раздачи по площадке воды и газов. Тем не менее это будет первое сданное (уже в 2016) здание, которое будет принимать непосредственное участие в работе комплекса.
  
  
  
• Еще хочется вспомнить установку летом 2016 4 трансформаторов системы постоянного питания комплекса (SSEN) — в 2016 году здесь начнется сборка высоковольтной и низковольтной части этой системы и строительство здания средневольтного распределительного устройства мощностью 120 мегаватт.

Изготовление компонентов

В 2015 году термоядерная промышленность достигла такого масштаба и разнообразия, что перестала помещаться в блог. Я отобрал 10 наиболее выдающихся достижений в производстве компонентов ИТЭР, при этом пришлось оставить некоторые интересные вещи за кадром (например, изготовление первой полноразмерной вертикальной мишени дивертора ИТЭР)

1. На первом месте у нас, конечно, изготовление и доставка в Кадараш деталей днища криостата ИТЭР. Это первые детали — не прототипы и модели, а настоящие железяки будущего термоядерного “наше все”. 420 тонн конструкций из нержавеющей стали начнут в следующем году превращать в самую тяжелую деталь реактора.
2. Вторым важнейшим моментом очевидно стало развертывание серийного производства сверхпроводящих магнитов ИТЭР. Если 2 года назад основной объем работы приходился на производство сверхпроводящих нитей, а в 2014 — на производство кабелей и радиальных плат, то сегодня речь идет о намоточных модулях, из которых потом будут собраны все 25 основных магнитов ИТЭР.
   
   
   Подготовка двойного блина тороидальной катушки к вакуумно-нагнетательной пропитке эпоксидной смолой.
   
   На сегодняшний день Европа, к примеру, уже изготовила больше 40% элементарных намоточных элементов тороидальных катушек (так называемых “двойных блинов”) и готовится к сборке первой полноразмерной (310 тонн) TF. В России, в Китае и непосредственно на площадке в Кадараше развертывается производство полоидальных катушек. В США построен небольшой завод с 11 рабочими позициями для изготовления модулей центрального соленоида — мощнейшего магнита в мире.
   
   
   
   В свое время считалось, что производство сверхпроводящих магнитов такого размера и сложности будет самым рискованным и дорогим элементом проекта ИТЭР, и к концу 2015 года можно довольно уверенно говорить и том, что точка невозврата пройдена, а у человечества появилась технология производства сверхмощных сверхпроводящих магнитов, запасающих единицы и десятки гигаджоулей.
   
   
   Кстати, еще одной важной технологической системой является теплоизолированный токо- и хладо-ввод в магниты, здесь показан китайский прототип.
   
   
3. Завершение изготовления сверхпроводящих стрэндов для магнитов проекта сразу в четырех странах-участниках ИТЭР (Россия, Европа, Китай, Корея). ИТЭР потребовал беспрецедентных объемов сверхпроводника Nb3Sn — 500 тонн соответствовали 37 летнему объему производства эпохи “до ИТЭР”. Шестикратное увеличение мировых производственных мощностей этого интерметаллида и композитных проводов из него возможно поможет более широкому внедрению его в промышленность.
   
   
   Интересный срез макета корректирующей катушки ИТЭР, показывающий, каким образом пропитка эпоксидной смолой укрепляет и изолирует структуру катушек.
   
   
   В этом кадре отгрузка последней длины сверхпроводника для тороидальных катушек с испытательного стенда (построенного для тестирования катушек «лебединой песни» СССР токамака Т-15) в Курчатовском Институте.
   
   
4. Прогресс многих производителей в создании различных робототехнических систем проекта. Прежде всего, впрочем, прогресс тут в переходе от разработок к контрактам с промышленностью на изготовление всех ключевых элементов роботизации ИТЭР. Но есть и некоторые прототипы важных систем (например, роботизированной сварки вакуумной камеры), которые воплощены в железе и начали проходить первые тесты. Впрочем, применение роботам на стройке ИТЭР найдется не раньше 2020 года.
   
   
   Тестирование в английском центре CCFE дистанционно управляемого приспособления для резки и сварки труб.
   
   
   Манипулятор на установщике диверторных кассет. Интересно, что в силу предназначенности к высоковакуумному и радиоактивному окружению он работает на водяной гидравлике.
   
   
5. Поставка первых компонентов систем ИТЭР на площадку так же произошла в 2015 году. До площадки, кроме вышеупомянутых трансформаторов SSEN добрались большие дренажные баки для водяной системы охлаждения (они стоят на этаже B2-B1, поэтому должны быть установлены до закрытия проемов на вышележащих этажах), 5 баков хранения воды с тритием (системы оборота трития — о которой я напишу статью в этом году), и что интересно — силовые токопроводы производства питерского НИИЭФ
   
   
   100 кубовый бак для хранения воды с тритием прибыл на площадку ИТЭР.
   
   
   А это разгрузка первой партии «проводов» для 68 килоамперных токов.
   
   
6. Прогресс в создании криокомпонентов ИТЭР. Главным подрядчиком в производстве криокомбината является французская Air Liquid, и в 2015 году множество субкомпонентов этого комбината засветилось в различных пресс-релизах. В конце 2016 нас ожидает начало заводских испытаний, а в 2017 — и монтаж оборудования в строениях.
   
   
   Тестирование теплообменника ожижителя гелия для криосистемы ИТЭР.
   
   
   За толпой сотрудников Air Liquide и ITER IO виднеется холодный объем с ожижителем гелия для токамака JT-60SA, близкий к тем, что будут в составе криокомбината ИТЭР.
   
   
7. Продолжающийся прогресс в создании системы пневмовдува гранул в разные элементы плазмы. Гранулы изготавливаются специальной машиной из дейтерий-тритиевого льда при температуре 15К и выстреливаются гелиевой пневмопушкой в один из каналов на скорости 700 м/с с частотой до 10 штук в секунду. Такая скорость позволяет доставлять доставлять термоядерное топливо прямо в горячий центр плазменного тора, не теряя время на сложности проникновения газа из периферии в центр (в силу конфаймента плазмы, перемещение чего-либо заряженного в радиальном направлении сильно подавлено).
   
   
   Пневмопушки, разгоняющие капсулы для стрельбы в разные точки внутри вакуумной камеры.
   
   
8. Прогресс России, Европы, Японии в области создания гиротронов. Если Европа находится в середине пути создания прототипа серийной мегаваттной “микроволновки”, то Япония и Россия перешли к производству серии (по 8 установок). Причем по словам Анатолия Красильникова у Японцев есть проблемы с воспроизведением характеристик прототипа гиротрона.
   
   
   Для разнообразия — последний европейский прототип гиротрона производства THALES, пока его время его работы составляет не более 60 секунд (а цель — 1000)
   
   
9. С заметным отставанием развивается производство ключевого компонента — вакуумной камеры токамака. 9 секторов камеры изготавливаются в Корее (2 штуки) и Европе (остаток). Внутренние экранирующие сборки из борированной стали отданы Индии, верхние патрубки — России.
   
   
   Внешний вид и распределение элементов вакуумной камеры между партнерами.
   
   Все участники этого производства не выдерживают сроки, кто-то не очень критично, как Корея и Индия, кто-то чуть заметнее, как Россия, которая должна была поставить в Корею первый верхний патрубок в 2015 году, и в конце всех следует Европа, отстающая от графика производства своих секторов вакуумной камеры не меньше 2 лет.
   
   
   Сварка первого сегмента вакуумной камеры в Южной Корее на заводе Huyndai
   
   
   Кстати, корея еще делает такие красивые штуки — тепловые экраны, надеваемые на вакуумную камеру, охлаждаемые гелием при 80К и теплоизолирующие горячую вакуумную камеру от сверххолодных магнитов.
   
   Напомню, что первые два готовых сектора должны встать в зале предварительной сборки не позже середины 2019 года, что бы не сдвинуть график первой плазмы за 2025.
10. Последним ярким моментов в производстве компонентов я бы отметил первенцев “мелких” компонентов — специальных кабелей, разъемов, датчиков, актуаторов, блоков электроники и прочего. Множество мелких компонентов машины будут работать в настолько жестких условиях (радиация, вакуум, сильные магнитные поля, температуры от 4 до 600 Кельвинов), что их невозможно купить на рынке, поэтому их проектирование и производство — важная составляющая промышленных усилий проекта.

Расходомер для гелия, керамический датчик магнитного поля для работы в радиационных полях, высоковольтный вакуумный разъем для датчиков.

Кроме того, хотелось бы отметить тестовый комплекс PRIMA, где будут установлены два стенда для доработки инжекторов нейтрального луча. В этом году там во всю идет сборка первого стенда SPIDER для тестирования источника отрицательных ионов, и начинается работа по второму стенду MITICA, который будет представлять собой полноразмерный 50-мегаваттный NBI ITER. Я неоднократно писал про этот стенд, и вот под конец год туда прибыли первые элементы японского вклада — трансформаторы системы питания MITICA (мегавольт напряжения при токе 50 ампер — кстати вам было бы интересно прочесть про эту сугубо электротехническую, однако выдающуюся в своем роде систему?) и 3-метровый “компактный тестовый источник мегавольтного напряжения” для тестирования линии передачи.


Слева «компактный» источник для тестирования линии, справа — один из 5 трансформаторов высоковольтного преобразователя.

Два таких электротехнических набора встанут в 20х годах на площадке ИТЭР, а пока мы ожидаем в конце 2016 начала пуско-наладки стенда SPIDER.

Что ж, 2015 год был весьма интересным для проекта, и если директору Бернару Биго удастся и дальше ускорять проект и не допускать каких-то значимых проблем, то каждый последующий год обещает быть не менее интересным, вплоть до первых пусков ИТЭР.