ИТЭР: Криогенная система

Криосистема ИТЭР, как и многое другое в этом проекте является самой мощной подобной установкой в мире. Основные ее потребители - сверхпроводниковые магниты реактора и вакуумные насосы с криогенными ловушками. Километры вакуумированных линий с проложенными внутри трубами с жидким и сверхкритическим гелием, насосами, работающими при температуре в 4 градуса выше абсолютного нуля и оборудованием в сосудах дюара размером с железнодорожную цистерну - давайте посмотрим на это поподробнее.

Итак, одна из главных проблем токамаков, похожих на ИТЭР - это охлаждение их гигантских сверхпроводящих магнитов. Поддержание температуры в 4,5К - весьма энергоемкая задача - на каждый натекший джоуль тепла мы вынуждены потратить 500 джоулей на работу холодильника. Если бы магниты были никак не теплоизолированны, на работу криосистемы ИТЭР уходили бы десятки гигаватт мощности. Поэтому охлаждение “глубоко эшелонировано” от внешнего и внутреннего тепла установки.

Обзор "Криокомбината" - самой мощной в мире холодильной системы для обеспечения криохладагентами ИТЭР.

Для начала весь реактор погружен в вакуумный объем криостата. Это позволяет не думать о теплопередаче в магниты от воздуха. От теплового излучения в свою очередь защищают криоэкраны - зеркальные листы из стали, покрытые охлаждающей системой, которые имеют температуру в 80К. 


Тепловые экраны, "укутывающие" сверхпроводящие магниты ИТЭР с обоих сторон.

Таким образом сами сверхпроводящие магниты “видят” вокруг себя поверхности только с температурой 80К (а не 300 или даже 520К - максимальная температура, до которой нагреваются внешние элементы токамака) и это снижает теплопоток на магниты в ~10 раз. Криоэкраны имеют сложную форму, и сами являются потребителями мощностей холодильников ИТЭР. 


Один из перых серийных элементов криоэкрана, изготовленный недавно в Южной Корее.

 Наконец, небольшой оставшийся поток тепла снаружи забирается жидким гелием, прокачиваемым сквозь каждый магнит (для чего кабель, которым намотаны магниты выполнен довольно хитрым образом). Кроме того, тепло в магнитах возникает при быстром изменении тока (характерном для магнитов CS и PF) и от нейтронного излучения реактора. 


Сверхпроводящий кабель тороидальной катушки ИТЭР. Спираль внутри и видимые пустоты между стрендами - для жидкого гелия.

Тепловая мощность, которую выдают охлажденные магниты в работе равна 110 киловаттам, и это означает, что мощность холодильника для них должна быть не менее 55 мегаватт. Однако команда ИТЭР для снижения мощности и стоимости криокомбината, где и расположены холодильники, использует тот факт, что ИТЭР будет работать в импульсном режиме - один “выстрел” длительностью до 700 секунд раз в полчаса. 


Магниты - основной потребитель холода. Схема расположения вводов гелия и тока в магниты.

Среднюю отбираемую тепловую мощность таким образом сократили до 65 киловатт на уровне 4,5К, а расплачиваться за это приходится организацией емкостей с жидким гелием, которые воспринимают пиковую нагрузку. Отдельные группы потребителей жидкого гелия - криосорбционные и криоконденсационные вакуумные насосы, магниты гиротронов, есть потребители холода при температуре 50 Келвинов (сверхпроводящие вводы), 80К - криоэкраны.

Еще один важный потребитель - криопомпы (зеленое на нижней панели).

Криокомбинат, который снабжает всю систему хладагентами, расположен в отдельном строении. Он разделен на мощности по производству жидкого азота, в который в свою очередь сбрасывает лишнее тепло цех производства жидкого гелия. В целом и гелиевые и азотные установки работают по одинаковому принципу - компрессор сжимает газ, от чего он нагревается, лишнее тепло с газа сбрасывается в внешний контур, после чего он подается на турбодетандер, где расширяется и охлаждается. 


Гелиевый турбодетандер производства "Гелиймаш". В ИТЭР будут стоять примерно такие же.

Поток газа от компрессора к турбодетандеру и обратно запихивается в еще один встречный теплообменник, что позволяет постепенно снизить температуру газа на выходе из турбодетандера до конденсационный. При этом турбодетандеры и теплообменники расположены в специальных вакуумированных “холодных объемах” (или coldbox на английском). Тепловая мощность азотного цеха - 1,3 мегаватта тепла, что соответствует ожижению ~5 килограмм азота в секунду. Мощность гелиевого - всего 65 киловатт, и это мощнейшая система в мире. Она будет обеспечиваться 3 параллельно работающими установками, каждая из которых включает 6 компрессоров и 2 турбодетандера. 


Упрощенная схема криокомбината.

Холодные объемы линий ожижения гелия имеют размер 4х22 метра - больше железнодорожной цистерны!


Один из трех холодных объемов, в котором собрана установка для получения жидкого гелия. 

Подготовленные криогенные жидкости и газы передаются в здание токамака по специальным линиям, разумеется устроенным довольно хитрым образом (если вы в проекте ИТЭР что-то сделаете просто - вас выгонят за профнепригодность). Это вакуумированная труба, диаметром до 1 метра где протянуты линии с гелием разнообразных температур и фаз - сверхкритических гелий при температуре 4.5 К, газообразный возвратный при 5.3, газ при 50, 80К, возврат при 300К,


Макетные сборки криолиний на индийском производстве.

Но к сожалению, на этом сложности еще не заканчиваются. Потребители холода - разнообразные элементы ИТЭР требуют сложного контроля температуры, давления и расхода хладагентов. Для этого внутри здания токамака расположено порядка 50 холодных клапанных ящиков, занимающихся смешиванием, разделением, перенаправлением потоков криожидкостей и газов. Кроме того, 5 больших вспомогательных холодных объемов ACB, по одному на каждую большую систему магнитов и криопомп, будут включать в себя криогенные насосы, теплообменники и буферные емкости с жидким гелием. 


Упрощенная схема системы распределения хладагентов в здании токамака.


И не упрощенная одного из ACB!

Еще одной подсистемой в этой паутине являются линии сброса кипящего гелия, которые нужны в случае потери каким-нибудь из магнитов сверхпроводимости. Однако магнитная и криогенные системы ИТЭР спроектированных таким образом, что бы восстанавливать работоспособность токамака после такого сброса всего за пару часов.

Проектное изображение ACB.

Интересно представить, как это все должно работать. После запуска криокомбината захолаживаются криолинии и холодные ящики, производится откачка криостата до давления 10 Па. Криосорбционные помпы заполняются жидким гелием и доводят давление в криостате до рабочих 10^-4 Па. После чего начинается неторопливое охлаждение магнитов до 80К темпом 0,5К в час. После того, как магниты остынут на 100 градусов, начинается захолаживание тепловых экранов (такая последовательность нужна для того, что бы не допустить конденсацию воздуха и воды на криоэкранах). Через 2,5 недели вся система приходит к температуре жидкого азота, которая является базовой для среднесрочных остановок ИТЭР на обслуживание. При этом работает ⅓ гелиевого комбината и ½ азотного. Дальнейшее охлаждение до 4,5 К занимает неделю, после чего можно заряжать магниты и начинать плазменные операции. При этом сама работа токамака будет происходить по 16 часов в сутки, во время которых будет делаться до 40 “выстрелов” и 8 часового восстановления вакуумной и криосистемы, во время которого будет производиться полная регенрация криосорбционных помп от натекшего воздуха и влаги, и пополнение запасов жидкого гелия в емкостях ACB.

Тепловые нагрузки от различных элементов и операций.

На сегодняшний день полностью завершена разработка проекта всей криосистемы, закончены исследовательские работы, розданы контракты (основную их часть получила французкая Air Liquide) и даже начато изготовление оборудования - например в июле Sumitomo Precision Products передала Air Liquide 2 первых (из 6) теплообменника на 80К, обеспечивающих ожижение азота, а в начале года были изготовлены оболочки тех самых грандиозных холодных объемов жидкогелиевых установок.


Сборка одной из трех установок ожижения гелия. Белый циллиндр - холодный вакуумный объем. 

В свою очередь на площадке ИТЭР в июне этого года стартовало строительство зданий №51,52, где расположится оборудование криокомбината, оно продлится до лета 2017 года. В Индии изготавливается макет сегмента линий распределения хладагентов и разнообразных холодных ящиков, и уже в следующем году первые элементы криолиний начнут поступать на площадку.