ИТЭР в 2020 году, часть первая.
Прошедший год, безусловно, сильно выделяется силе слома привычного течения вещей и по количеству внезапно возникших проблем. Особенно сильно эти проблемы могли бы проявиться для большого индустриального проекта, раскинутого на 35 стран и зависящего от государственного финансирования. Тем не менее, можно сказать, что ИТЭР прошел пандемические ограничения и трудности с честью.
Строительство, монтаж, производство, координация и связь участников из разных стран - все это быстро перестраивалось по мере изменения обстановки, и в итоге прогресс проекта в 2020 году вышел весьма впечатляющим. Везло проекту и с финансированием, так, главные отстающие - США, в 2020 финансовом нарастили вливания в проект даже выше своих прямых обязательств, покрывая накопленные за предыдущие годы долги. Все это привело к впечатляющему техническому прогрессу, в который мы и окунемся.
Строительство
Рубрика “строительство” раньше занимала не менее половины всего годового текста, однако теперь ее время явно уходит, вслед за завершением строительной части проекта. На конец 2020 года было сдано 16 из 18 зданий “пускового минимума 2025 года” и началось строительство 17 - здания управления, где будет находится “ЦУП” ИТЭР и ИТ инфраструктура. Тем не менее, надо отметить главное событие, произошедшее в 2020 году - завершение “здания токамака”.
8 января 2020 года - строители заканчивают металлоконструкции надстройки здания токамака и приступают к облицовке. Отставание от графика 2015 в итоге составило ~6 месяцев.
Это здание - центр всего комплекса, самый тяжелый и сложный построенный объект. 120х90 метров в плане, 7 этажей в вертикали, ~300 тысяч тонн весом, ~250 млн евро стоимостью, сооружение которого заняло около 7 лет.
Декабрь 2013 - начало заливки пола нижнего подвального этажа комплекса зданий токамака.
Финальная металлоконструкция, накрывающая реакторный зал и предоставляющая путь для грандиозных мостовых кранов была собрана всего за полгода, и в феврале 2020 года началась разборка временной стенки между залом предварительной сборки и зданием токамака. 30 марта, за сутки до дедлайна спарка мостовых кранов грузоподьемностью 1500 тонн вошла в здание токамака, официально соединив его с соседом.
Краны с ~1000 тонн тестовой нагрузки первый раз въезжают из здания предварительной сборки в реакторный зал.
Надо отметить, что к зданию токамака плотно пристроены 2 крыла - диагностическое здание с юго-запада и здание фабрики трития с северо-востока. Первое было достроено еще в 2018 и с тех пор обживается, а вот здание трития замерло на уровне пола этажа L2 примерно тогда же, в 2018. Причины этого не озвучиваются, но подозреваю, что виноват очередной редизайн систем. Впрочем, тритий в проекте ИТЭР понадобится не раньше 2030, так что время для достройки еще есть.
Сборка и монтаж
В 2020 году на площадке в Кадараше заметно увеличились работы по сборке и монтажу элементов систем ИТЭР, от банальной электрики до весьма специфических частей будущего реактора - например криоэкранов. Но обо всем по порядку.
Рендер здания токамака со всем (или большей частью) насыщения. Видны бедевые линии кабельных лотков, желтые - шинопроводов и коммутации, голубые - охлаждающей воды, синии - криогеники, бледно-зеленые - вентиляции, темно-зеленые - научного оборудования, красные - систем нагрева и т.п.
Все специализированные системы ИТЭР, типа конвертеров магнитной энергии, микроволнового электрон-циклотронного нагрева или диагностических сборок зависят от более базовых сервисных систем, коих можно выделить четыре штуки: электропитание, отведение тепла, снабжение криожидкостями и вакуумом. Довольно очевидно, без ввода этих подсистем невозможна пусконаладка всего остального. Самым базовым, очевидно, является электропитание, без которого не заработают ни отвод тепла, ни криокомбинат, ни вакуумные насосы. Еще в 2019 году в строй было введено распределительное устройства 22 киловольт, отвечающее за ~110 мегаватт потребителей в основном сервисных нагрузок.
Самую большую часть площадки занимает "электрочасть" ИТЭР. Ближе всего к нам открытое распределительное устройство (ОРУ) 400 киловольт, за ней - 7 вводных цепей ИТЭР - справа 4 постоянных нагрузок, слева 3 - импульсных. ВРУ 22 киловольта находится справа за трансформаторами, слева за трансами ОРУ 66 киловольт и за ним - здания магнитных конвертеров. Вдали слева - система компенсации реактивной мощности.
Load Center 14, сданный в 2020 году отвечает за питание низковольтных потребителей систем радиочастотного нагрева.
В 2020 году создание этой подсистемы продолжилось строительством и монтажом load center’ов - локальных вводных распределительных устройств, расположенных возле основных потребителей (криокомбината, системы сброса тепла, здания радиочастотного нагрева и предварительной сборки). Выполнялась так же и затяжка кабелей потребителей.
Мрачноватое фото из подземного канала в котором видны множество уложенных кабелей 66 киловольт, идущих к потребителям. Вообще в ИТЭР порядка 3 км таких подземных галлерей.
Второй частью системы электропитания служит “система питания переменных нагрузок” PPEN к коим в основном относятся системы нагрева и управления током в магнитах. В момент плазменного выстрела эта часть будет забирать из национальной сети до 500 мегаватт мощности, при этом внутри магнитной системы будет циркулировать до 2 гигаватт мгновенной мощности. Здесь в 2020 году монтировалось крупное открытое распределительное устройство 66 киловольт, затягивались кабели к основным потребителям (магнитным конвертерам и зданию радиочастотного нагрева) а также монтировалось оборудование станции контроля реактивной мощности, фактически - набора коммутируемых конденсаторов и индуктивностей, которые будут обмениваться энергией с гигантскими катушками сверхпроводящих магнитов ИТЭР, снижая нагрузку на национальную электросеть Франции.
Здания магнитных конверторов в процессе монтажа оборудования.
Аллея измерительных трансформаторов тока и конденсаторных сборок активных фильтров системы компенсации реактивной мощности.
Готовность подсистемы питания позволило в течении 2020 года сильно продвинуться в монтаже крупнейшего потребителя электроэнергии - системы сброса тепла.
В момент мощнейших термоядерных экспериментов эта система будет принимать до 1150 мегаватт как термоядерного тепла, так и тепла механизмов и систем. Тепло будет сбрасываться темпом 500-600 мегаватт через 10 вентиляторных градирен, а разница - буферизоваться в горячем и холодном бассейне. На всей площадке ИТЭР уже протянуты трубы трех петель теплоносителя, обеспечивающих примерно ~10 точек теплообмена холодной водой.
Как год назад весьма радовали фотографии первых единиц смонтированного оборудования, то в конце года радуют глаза с функциональных тестов этого оборудования. На фото - бассейн холодной воды под градирнями.
В ноябре успешно были проверены бассейны воды на утечки и в декабре началась пусконаладка довольно сложного комплекса из 27 насосов, 20 теплообменников, системы подготовки воды, сотен датчиков, десятков приводов арматуры общим потреблением до 67 мегаватт. Ожидается, что в 1 полугодии 2021 эта система будет готова обслуживать некоторых потребителей, в частности криокомбинат - другую важную сервисную систему ИТЭР.
Криокомбинат ИТЭР будет самой большой сосредоточенной криоустановкой в мире (криосистема БАК еще больше, однако она разнесена на несколько блоков). Он состоит из парка газгольдеров и баков криожидкостей, генератора азота, 2 азотных компрессоров, 2 колонн ожижения азота, 18 компрессоров гелия, организованных в 3 линии, систем очистки гелия от масла и воды и как вершины всего этого - трех вакуумных боксов для ожижения гелия.
2 из 4 "холодных ящиков" криокомбината - вакуумных сосудов с размещенным внутри оборудованием для ожижения гелия - теплообменниками, циркуляторами, испарителями, турбодетандерами и т.п.
Из одного перечисления основных блоков становится понятно, что количество соединительных трубопроводов будет зашкаливать, а пусконаладка будет не быстрой. В частности, в 2020 году монтажники установили в криокомбинате ~800 секций только криогенных трубопроводов (для “теплых” трубопроводов точной информации нет, но думаю их никак не меньше). Так же в 2020 шла затяжка силовых и управляющих кабелей, установка силовой электроники. Во второй половине 2021 года можно ожидать начало пусконаладки криокомбината - как раз в тот момент, когда система сброса тепла сможет принимать тепло работающих компрессоров (до 30 мегаватт в пике).
Интересная деталь - на переднем плане 5 электрических нагревателей общей мощностью 800 киловатт, которые нужны для того, что бы побыстрее отогреть сверхпроводящие магниты до комнатной температуры, когда установка будет останавливаться на обслуживание.
Есть правда одно но - между криокомбинатом и зданием токамака должна быть проложена эстакада, где пройдут трубопроводы с криотеплоносителями. Но, ее строительство еще даже не начиналось, да и потребителей в здании токамака пока нет. Так что раньше ~2023 года никакой пользы от криокомбината мы не увидим.
Не смотря на видимость запредельной сложности - весь криокомбинат собран из уже индустриально готовых систем, т.е. здесь просто МНОГО всего, но хотя бы не на грани фантастики.
Одним из ключевых потребителей криотемператур будет вакуумная система ИТЭР. Это четвертый “сервисный” кит, на котором лежит функционирование токамака. Например, с вакуумирования начнется комплексная приемка и сверхпроводящих магнитов и всего реакторного оборудования. К сожалению, на конец 2020 года это была наиболее отстающая в плане монтажа система. Осенью 2020 только начались примерочные установки трубопроводов вакуума, в основном же все ее элементы находятся на разных этапах производства. В частности, активно производятся трубопроводы, задвижки, клапана, заказаны распределительные коробки и шкафы, часть стандартных вакуумных насосов. Идет производство и нестандартных насосов - крисорбционных насосов “первой линии”, криоконденсационных насосов, которые будут разделять изотопы водорода и гелий. Идет разработка важнейшей системы контроля и поиска неплотностей, контракт на которую в 2020 получили компании IDOM, 40-30 и Gutmar
Набор из газоанализаторов остаточных газов вакуумного объема и установленных снаружи источников гелия/внутри - детекторов гелия должен обнаруживать и локализовывать неплотности вакуума.
Однако, хватит о банальном. Давайте поглядим на более уникальные вещи. В 2020 году начался монтаж шинопроводов системы питания сверхпроводящих магнитов. Это алюминиевые шины сечением от 100х160 до 400х700 мм с активным водяным охлаждением, всего из двух зданий магнитной конверсии до вводов в токамак надо протянуть 24 сдвоенные линии шинопроводов. Надо отметить, что эти шинопроводы, их соединения и опоры, коммутационная аппаратура - производятся в России, в рамках вклада в проект. Отрадно видеть “живое” железо, да еще и такое наглядное :)
Последние три фотографии - линии шинопроводов в подвальном этаже здания диагностики (пристройка к зданию токамака), где будет находится часть коммутационного оборудования.
В 2020 году был практически закончен монтаж шинопроводов в здании конверторов и на нижнем этаже здания токамака. Впереди - монтаж вертикальных секций в шахтах здания токамака, на верхнем этаже и на двух мостах, которые соединят все воедино.
А вот так начинаются линии шинопроводов в здании магнитной конверсии - от преобразователей (видны только развязывающие индукторы и активная перемычка) и через мост в здание диагностики.
Кроме того, в здании токамака в 2020 году шел монтаж секций криолиний, вентиляции и кондиционирования, труб водяного охлаждения, кабельных лотков и сотен опор под это все. В общем, монтаж систем в здании токамака официально стартовал.
Без вентиляции и кондиционирования не получится запустить как минимум шкафы электроники управления, так что установка этой системы заранее радует.
Еще одной маленькой, но важной вехой стала передача ИТЭР полностью функционирующего вспомогательного цеха (здания B61). Здесь располагаются системы подготовки деминерализованной воды, сжатого воздуха и азота, чиллеры выдающие воду с температурой 10 градусов и т.п. Это здание было первым готовым на площадке (еще в 2016 году), было и первым, в котором смонтировали все системы (в начале 2019), и теперь вот оно полностью передано в эксплуатацию.
B61 в верхнем левом углу кадра. А справа по центру можно увидеть недоведенную на 4 этажа пристройку "здание трития".
Ну и наконец - к главному “монтажному событию 2020 года”. Конечно, речь идет про начало сборки самого реактора в его шахте. Посмотрите этот ролик, где показаны основные стадии сборки токамака ИТЭР:
Click to view25-26 мая, после ~месяца подготовки, самая тяжелая часть реактора - основание криостата (1250 тонн!) была перенесена в шахту и опущена в предпроектное положение, на домкраты.
В середине апреля основание криостата было затащено внутрь здания предварительной сборки.
Дальше была измерена реальная геометрия зазора до бетонного основания и изготовлена ~100 прокладок для выравнивания основания с точностью до 2 мм от горизонта. И, наконец, в июне месяце первая деталь официальной реакторной части была установлена на место - опоры, которые будут воспринимать вертикальные, горизонтальные и касательные к окружности нагрузки, которыми щедро будет делиться электромагнитная часть реактора.
Интересно, что монтажом тяжеленной по всем мировым канонам детали управляли инженеры из китайского “росатома” компании CNNC, в кооперации с европейцами получившие контракт на монтаж реакторной части ИТЭР.
31 августа прошла операция переноса и установки нижнего цилиндра криостата, а в октябре 2 “детали” криостата начали сваривать друг с другом 90 метровым швом сечением 60 мм.
Тем временем в зале предварительной сборки нарастала активность по подготовке следующих элементов токамака. В сентябре для подготовки был установлен первый из 9 секторов вакуумной камеры. До конца 2020 года шла работа по снятию прецизионной геометрии сектора, повторной проверки его на вакуумную плотность, приварки опор сотни датчиков систем технической и научной диагностики, установки самих датчиков и их кабелей.
В начале 2020 года планируется кантование сектора (весом 440 тонн) в вертикальное положение и установка на стенд сборки, где его окружат вакуумными криоэкранами а затем соединят с двумя тороидальными катушками.
Ах да! Криоэкраны. Если бы их не было в проекте ИТЭР, стоило бы придумать что-то такое. Огромные посеребренные конструкции с загадочными рисунками на них - что может быть лучшей иллюстрацией грандиозного научно-фантастического проекта?
Нижняя цилиндрическая секция внешнего криоэкрана. Справа видны коллекторы, с которых раздается и собирается гелий при температуре 80К.
В 2020 году была подготовлена 2 из четырех секций криоэкрана вакуумной камеры (и установлена на стенд сборки) и практически закончен нижняя циллиндрическая сборка, которая встанет внутрь основания криостата и будет экранировать сверхпроводящие магниты от тепла внешнего мира. В начале 2021 должна произойти установка этой цилиндрической секции внутрь криостата, для чего в нем уже установлена оснастка.
Замотанная секция криоэкрана на стенде сборки, с помощью которого она будет надета на сектор вакуумной камеры. Кроме этой части будет еще внутренняя секция экрана и две таких же слева.
В конце 2020 года также началась установка криофидеров магнитной системы - многометровых изделий, через которые происходит ввод тока, теплоносителей, измерительных и управляющих сигналов в вакуумно-криогенную среду.
Система криофидеров ИТЭР на рендеренге
И элемент фидера в реальности.
Наконец, хочу добавить маленькую ложку дегтя в этот бассейн меда. Уже невооруженным документацией глазом видно отставание от намеченных планов. Так, изначально к концу 2020 года планировалось установить 18 опор тороидальных магнитов (как и все в ИТЭР - сложных устройств с активным охлаждением и хитрой характеристикой жесткости) китайского производства.
Тороидальная опора на возле шахты реактора во время проверки на герметичность.
Еще в 2019 году китайцы изготовили 6 первых опор и обещали к началу 2020 прислать 12 оставшихся. Однако, сейчас этот срок сдвинулся на февраль 2021 и уже напрямую влияет на график монтажа.
Так же отстает катушка PF5, которую производили на площадке ИТЭР в специальном заводе аж с 2017 года. В декабре 2020 ее только установили тестовый криогенный стенд, а значит раньше мая 2021 в проектном положении мы ее не увидим, при изначальном сроке в февраль.
Установка PF5 в криостат, начало декабря 2020. Интересня для меня деталь - целый шкаф разнообразных электрических подключений к PF5, использующийся для теста.
Так что пока монтаж идет лучше пессимистичных ожиданий, но хуже оптимистичных, и дата первой плазмы в декабре 2025 пока остается труднодостижимой.
Продолжение про производство компонентов и R&D во второй части.