Produção
O ano de 2020 foi marcado pela transferência da produção para a instalação de vários dos componentes mais importantes do tokamak internacional. Estamos falando do primeiro setor da câmara de vácuo, vários ímãs do campo toroidal ao mesmo tempo, a primeira bobina do campo poloidal, a base do criostato e muitos elementos menores, mas não menos importantes.
No final de 2019, a Coreia do Sul concluiu a soldagem e montagem do primeiro setor da câmara de vácuo (de 4 fabricados na Coreia). Trata-se de um produto complexo de 440 toneladas - um vaso de duas paredes com paredes de até 60 mm de espessura (em média - 40) e uma estrutura complexa entre as paredes (aqui estão os elementos de fixação da primeira parede e conjuntos de bioproteção de aço). O primeiro setor desse tipo da câmara de vácuo do tokamak ITER A propósito, os elementos de proteção são esses blocos de aço ao boro, cuja produção de 9.000 unidades a Índia terminou em 2020. A tarefa de produção é muito complicada pela geometria do setor, com superfícies onipresentes de dupla curvatura, tendo como pano de fundo os mais altos requisitos de precisão de fabricação.
O fabricante coreano lançou um bom vídeo, que mostra o trabalho titânico para criar este produto.
No entanto, o milagre das cadeias produtivas está a caminho - o segundo setor coreano está a caminho, que deve ser concluído no primeiro semestre de 2021, e depois os 2 últimos, previstos em Cadarache até o final de 2022.
No processo de montagem de um tokamak em uma única câmara, muitos equipamentos pesados são necessários (necessário geometria), também feito na Coréia. Em particular, precisamos de uma coluna central e ganchos radiais ativos, coloridos de verde na imagem abaixo.
Então, em 2020, esses elementos foram produzidos e testados, e já em 2021 eles devem ser usados.
Junto com cada setor da câmara de vácuo, duas bobinas de 320 toneladas do campo toroidal são instaladas na mina - os ímãs mais poderosos do mundo hoje. A produção de 18 desses ímãs começou já em 2009 e incluiu 6 grandes etapas: a produção de cabos supercondutores, placas radiais, montagem de comprimentos supercondutores, montagem de pacotes de enrolamento, produção de corpos de bobinas, montagem de bobinas. E, finalmente, em 2020, as bobinas prontas começaram a sair das esteiras japonesas e europeias, das quais já existiam 5 bobinas prontas até o final do ano. As duas primeiras bobinas toroidais acabadas no site Cadarache em preparação para a montagem com o primeiro setor da câmara toroidal.
E um pouco antes - no processo de soldagem da abertura por meio da qual o pacote de enrolamento do cabo supercondutor foi inserido no corpo de energia da bobina.
E mais uma foto do mesmo processo para um melhor entendimento da escala.
E aqui está outro processo técnico - encher o interior da bobina com epóxi, para o qual ela deve ser aquecida e inclinada em 10 graus.
Surpreendentemente, no início do projeto, esses ímãs foram considerados um dos principais desafios tecnológicos, determinando em grande parte o seu tempo e custo. No entanto, a indústria lidou de forma brilhante com essa tarefa. Entre outras coisas, é necessário destacar o VNIIKP russo, que fabricou 22 quilômetros de cabos supercondutores a partir de fios de TVEL, que agora estão dentro dos ímãs acabados.
Além dos ímãs toroidais, existem 4 outros tipos no tokamak: um solenóide central, poloidal, corretivo e ímãs quentes na câmara para estabilização vertical e supressão de ELM. Do ponto de vista do cronograma de montagem, os mais importantes são as bobinas poloidais PF6 e PF5 e um conjunto de 6 ímãs de correção de fundo.
Os 18 ímãs de correção estarão localizados nesta configuração. Esses "pequenos" ímãs com 32 ou 40 voltas de um cabo supercondutor com corrente de 10 kA são necessários para a correção de campo controlado dos ímãs principais.
O PF6 foi fabricado em 2019 na China, mas chegou a Kadarash apenas em setembro e, suspeito, a pandemia era apenas uma desculpa e se tratava de alguns batentes removíveis. De outubro até o final de dezembro, o teste de frio de PF6 foi realizado e, finalmente, a beleza de 400 toneladas está quase pronta para ser instalada na parte inferior da base do criostato (da qual então se moverá para as montagens na parte inferior do "donut" quando for montada na mina). Bobina PF6. Ao clicar na imagem, você pode abrir o tamanho original e ver seus detalhes - camadas de junção entre si, resfriamento de coletores de hélio e cabos de sensores de temperatura e tensão
Outra bobina PF5, com 17 metros de diâmetro, foi feita imediatamente no site do ITER, juntamente com as outras 4 bobinas poloidais, cujas dimensões não permitem o seu transporte. Em meados de dezembro foi instalado em uma bancada de testes e em alguns meses podemos esperar a entrega.
A situação com bobinas de correção supercondutoras é notavelmente mais triste. Já em 2018, a China, responsável pela sua fabricação, informou sobre a conclusão da fabricação do primeiro ímã, e o envio dos primeiros ímãs no final de 2019. No final de 2019, tratava-se de testar o ímã e enviar as primeiras 4 peças no início de 2020. No entanto, hoje a entrega ainda não foi aconteceu, em qualquer caso, não foi anunciado publicamente em qualquer lugar. Infelizmente, as bobinas de correção não podem ser instaladas após o início da montagem da câmara de vácuo, portanto, se os chineses não querem atrapalhar o cronograma de montagem, devem se apressar com este elemento.
O processo de inserção do enrolamento supercondutor da bobina de correção inferior na caixa de aço de energia, 2018.
Em 2020, os elementos do sistema de alimentação de ímãs ITER foram ativamente produzidos e instalados. Deixe-me lembrá-lo de que, embora os ímãs sejam supercondutores, e pareça que você não pode alimentá-los, a física dos tokamaks requer a mudança (às vezes muito brusca) da intensidade do campo e, consequentemente, da corrente durante o lançamento. Considerando as dimensões físicas dos ímãs e a energia do campo armazenada neles, a potência dos conversores que controlam a corrente é enorme. Em 2020, retificadores síncronos tiristores seriais com capacidade de 10 a 50 megawatts, feitos na Coréia do Sul e na China, começaram a chegar ao site de Cadarash. Outro elemento importante, cujo embarque começou no ano passado, foram os módulos de comutação russos: os primeiros 10 dos 150 equipamentos partiram para a França em novembro. A produção e fornecimento de barramentos de alumínio para 20 linhas de alimentação magnética também continuou.
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Várias histórias de produção interessantes se relacionam com a gaiola de energia do sistema magnético. A combinação de 15 megaamperes de corrente de plasma e campos de 6-13 Tesla gera em ímãs completamente diversos em forças de direção de até dezenas de milhares de toneladas. Muitos mecanismos complicados são usados para manter a geometria do sistema magnético, flexível em uma direção e rígida na outra.
Vamos tentar mergulhar nos detalhes aqui e olhar para um dispositivo responsável por pré-tensionar o solenóide central. Uma visão muito detalhada do solenóide central com todas as suas estruturas mecânicas. E aqui está um dos detalhes da estrutura do CA. Leitores atentos dirão qual.
O solenóide central, dos quais 6 módulos magnéticos estão em diferentes estágios de produção (em particular, 1 já está completamente pronto) será puxado no sentido longitudinal com uma força de 21.000 toneladas.
Para entender os números nos "campos de futebol" - para tanto, você precisará de apenas 2 dessas prensas.
Por que isso é necessário? O fato é que durante o processo de inicialização no CS, a corrente irá diminuir rapidamente para zero e para valores fortemente negativos, e em diferentes módulos em diferentes velocidades. Em algum momento, eles vão começar a se empurrar e, para estabilizar a estrutura, é necessário um sistema de pré-tensionamento.
Um módulo CA quase pronto no processo de verificação da geometria. O peso deste produto é de 109 toneladas.
Para isso, são utilizadas placas de aço longitudinais e blocos tensores especiais, 9 conjuntos para toda a estrutura central. Cada bloco tensor possui 5 parafusos que encostam no módulo CA superior e puxam a parte inferior do CA pelas placas longitudinais, criando assim a compressão.
O bloco de chave superior fica apoiado no elemento azul por baixo e puxa a parte inferior do solenóide em sua direção através da placa de amarração.
Agora, vamos passar das dezenas de milhares de toneladas abstratas às 467 toneladas específicas que cada um dos parafusos deve criar. É muito ou pouco? Ao apertar o parafuso com uma chave padrão, podemos criar uma força axial cerca de 70-80 vezes a força em uma chave normal e 200-400 vezes em uma chave bem alongada. Neste caso, seria necessário aplicar um esforço de 1,2-1,5 toneladas em uma chave de 9 metros. Esses são valores irreais, então surge a ideia de usar tensionadores hidráulicos. Infelizmente, é proibido usar ferramentas cheias de óleo nos ímãs ITER e não há espaço suficiente para o cabeçote hidráulico de uma ferramenta padrão. Portanto, hoje 2 opções estão sendo consideradas - um tensionador hidráulico especialmente projetado com água ou parafusos especiais chamados de Tensor Multi Jackbolt. Estes são tensores mecânicos muito interessantes,usado ativamente onde muita tensão é necessária.
Vídeo promocional detalhando o MJT. Resumindo, pequenos parafusos encostam na arruela e puxam o corpo do parafuso principal.
Para o caso em consideração, seria necessário um MJT com 24 inserções de parafusos, uma tensão de 20 passos e apenas ~ 120.000 operações de aperto das inserções de parafusos, o que levaria 1,5 meses de trabalho de várias equipes. Essa é a bagatela.
O experiente MJT para ITER CS é instalado no dispositivo para medir a tensão gerada.
Você também pode notar o suporte complicado do CS, no qual é preso por baixo às bobinas toroidais para que os movimentos radiais do TC não desloquem o eixo do CS. Isso também será facilitado por um conjunto de anéis de fibra de vidro protendidos, que expandirão o TC de baixo e de cima. Esses anéis foram feitos na França em 2019-2020 e logo irão para o eixo do reator.
Algumas notícias de produção relacionadas à parte interna da câmara de vácuo. Esses dispositivos não serão necessários em breve, mas esta é uma das partes mais difíceis do ITER - alto vácuo, radiação, as cargas térmicas mais poderosas de plasma e geometria complexa. Esses dispositivos incluem a "primeira parede" - painéis resfriados ativamente, revestidos com berílio, que ficarão voltados diretamente para o plasma ...
Um protótipo de um dos 440 painéis da primeira parede
... blocos de proteção, que são produtos de aço de ~ 5 toneladas cheios de água, cuja tarefa é absorver nêutrons e parcialmente radiação gama de uma reação termonuclear. É sobre eles que serão fixados os painéis da primeira parede.
A primeira unidade de proteção serial coreana (a Coreia é responsável pela produção de 220 unidades)
E, por fim, o divertor, dispositivo pelo qual o plasma termonuclear será drenado (após o qual é resfriado e bombeado, garantindo assim a purificação do plasma circulante). O divertor será instalado em câmara de vácuo ~ 2030, mas com a produção de suas principais superfícies de trabalho, forradas a tungstênio, a indústria já está acordada, tentando entender a profundidade do abismo tecnológico ao qual terá que descer.
Elemento divertor europeu
e elemento divertor russo
Mesmo da parte “reator” do projeto, em 2020 a tampa do criostato foi concluída, é claro, impressionante em seu tamanho absurdo (lembre-se - seu diâmetro é de 30 metros). Entre os sistemas "externos", podemos notar a produção contínua de girotrons de fabricação japonesa e russa. É incrível, claro, como a produção de componentes em um projeto como esse é desigual. Os tubos de rádio de alta tecnologia mais sofisticados que 3 empresas no mundo são capazes de produzir já são feitos com uma margem em relação aos planos originais, e os suportes “simples” para ímãs toroidais estão 2 anos atrasados.
Os girotrons japoneses ficam entediados enquanto esperam pela edição. A propósito, as flanges brancas diante de nós são saídas de radiação de microondas, e a janela nelas é feita de diamante.
A Índia continuou a fornecer segmentos de criolina, que são tubos evacuados de um diâmetro decente, dentro dos quais tubos com líquidos e gases são colocados, e telas criogênicas são instaladas.
Soldagem de dutos de criolina profundamente no subsolo B1 do edifício tokamak.
Na conclusão da seção “produção”, gostaria de mostrar mais um ponto, mais provavelmente sobre a instalação, mas, no entanto - as portas de proteção contra radiação ITER. Devido ao fato de até 45 grandes penetrações - portas serem organizadas no "donut" da câmara de vácuo, o poço do reator é circundado por 45 câmaras de portas - salas nas quais se localiza a continuação dos equipamentos que entram nesta porta. Para organizar a biossegurança nessas aberturas de radiação gama e de nêutrons do reator, a taxa de dosagem na parede do reator atingirá ~ 100.000 roentgens por hora, serão organizados plugues de proteção de nêutrons feitos de carboneto de boro, aço e água e biossegurança de radiação gama na forma de um tampão de concreto. Porém, para extinguir tudo o que passasse pelo equipamento e proteger os prédios ao redor, uma porta de 100 toneladas cheia de concreto pesado foi instalada no final de cada câmara portuária.No total, 60 dessas portas tiveram que ser instaladas no prédio do reator, que foi concluído no outono de 2020.
Pesquisa e desenvolvimento
O ITER como um todo exigia e ainda exige uma quantidade incrível de trabalho de cientistas, pesquisadores, desenvolvedores e engenheiros - mesmo sem parceiros industriais, esses custos ultrapassam 10.000 homens-ano. No entanto, um grande pedaço ainda permanece. Em 2020, foi publicado um plano de P&D de apoio (120 pontos), na parte física do qual estarão envolvidos todos os tokamaks modernos do mundo e diversas instalações e estandes especializados. O suporte SPIDER é um ionizador de gás RF de baixa pressão com um sistema eletrostático que extrai íons negativos. Tudo isso é difícil de discernir por trás do entrelaçamento de tubos de resfriamento, barramentos de cobre e outras barras.
O maior bloco continua sendo a criação de injetores neutros, para os quais um grande stand ELISE foi criado na Alemanha, um grande laboratório com duas grandes instalações SPIDER e MITICA foi construído na Itália ao mesmo tempo. A intensidade científica e a complexidade deste sistema são talvez as mais altas de todo o ITER e, apesar de já ter 10 anos de desenvolvimento, os indicadores específicos necessários para a corrente iônica e a fração de elétrons nesta corrente ainda não foram alcançados.
MITICA não é apenas um stand, é todo um complexo de instalações .
Uma parte importante da pesquisa é a supressão de rupturas de plasma usando injeção de gás e atirando com pedaços de gelo congelados (pedaços de gelo a uma velocidade de 200-400 m / s, o melhor de todos, carregam matéria fria para o centro da coluna de plasma). Esses estudos estão sendo realizados no tokamak DIII-D americano e no KSTAR coreano.
Uma varredura interessante da parede do tokamak DIII-D onde as portas de todos os sistemas de diagnóstico, aquecimento, etc. são assinadas.
Uma grande quantidade de P&D trata de sistemas de diagnóstico ITER - ou seja, seus instrumentos científicos. Para não multiplicar as palavras gerais, proponho olhar para dentro do desenvolvimento dos sistemas de diagnóstico russos - por exemplo, os primeiros espelhos de um dispositivo de espectroscopia de linha de hidrogênio ou um colimador de nêutrons de um analisador de partículas de plasma neutro . Você pode examinar a engenharia e coisas aparentemente mais mundanas, por exemplo, parafusos robóticos compatíveis para prender a primeira parede a blocos de proteção ou ver como os conectores à prova de vácuo para ITER são testados para ciclos térmicos.
É de notar que os investimentos em pessoas e tecnologias que decorrem no quadro deste desenvolvimento em grande escala de um reactor termonuclear terão, sem dúvida, e terão um efeito positivo noutros domínios não relacionados com o ITER. Conhecimento, tecnologia, soluções de engenharia, qualificação de pessoal - todos esses custos podem ser considerados investimentos em uma ampla gama de setores e áreas.
Conclusão
Mais um ano trouxe muitas mudanças positivas para o projeto de um reator experimental termonuclear internacional em termos de instalação de sistemas e componentes. Além disso, os primeiros testes funcionais, que começaram timidamente em 2019, começaram a se expandir e crescer, e podemos esperar a prontidão dos primeiros grandes sistemas de atendimento em 2021. Aos poucos, estamos chegando ao ponto em que as ideias postas na máquina, a qualidade de execução e a organização do projeto passarão por um severo exame de comissionamento, e será ele quem vai determinar quem está certo - os críticos do projeto ou seus fãs. Mas parece-me que os sucessos de 2020 nos permitem manter um otimismo moderado sobre o futuro do ITER.