Уча­стие Рос­сии в про­ек­те ИТЭР, часть I.

Про­дол­жая ко­пать свою по­лян­ку, решил на­пи­сать ста­тей­ку про уча­стие Рос­сии в про­ек­те Меж­ду­на­род­но­го Тер­мо­ядер­но­го Ре­ак­то­ра: сколь­ко это стоит, какие про­фи­ты, и как наше уча­стие смот­рит­ся на фоне дру­гих стран.В силу боль­шо­го объ­е­ма ин­фор­ма­ции, при­дет­ся по­де­лить ее несколь­ко ча­стей.

Итак, уча­стие той или иной стра­ны (а всего участ­ни­ков 7 - Рос­сия, Ев­ро­пей­ский Союз, США, Китай, Индия, Япо­ния, Южная Корея) в про­ек­те iter по­стро­ен­но сле­ду­ю­щим об­ра­зом: Страна-​участник ор­га­ни­зо­вы­ва­ет у себя спе­ци­аль­ное аген­ство, ко­то­рое обя­зу­ет­ся по­ста­вить опре­де­лен­ный объем обо­ру­до­ва­ния (ос­нов­ная часть рас­хо­дов) и немнож­ко денег на жизнь бю­ро­кра­тии меж­ду­на­род­но­го аген­ства про­ек­та ИТЭР (при­мер­но 5-10% от общих рас­хо­дов). Если ЕС взял на себя 45% всех рас­хо­дов (преж­де всего стро­и­тель­ство всех зда­ний, ну и по обо­ру­до­ва­нию зна­чи­тель­ный кусок), то осталь­ные участ­ни­ки по­став­ля­ют при­мер­но по 9% всех рас­хо­дов про­ек­тов в виде ма­те­ри­аль­но­го вкла­да. В итоге, уча­стие в ИТЭР пре­вра­ща­ет­ся в пре­крас­ную воз­мож­ность со­зда­вать и раз­ви­вать в стране новые вы­со­ко­тех­но­ло­ги­че­ские пред­при­я­тия. Или под­дер­жать и за­гру­зить име­ю­щи­е­ся мощ­но­сти. По­сколь­ку ИТЭР тре­бу­ет пе­ре­до­вой ин­же­не­рии прак­ти­че­ски по всем фрон­там вы­со­ких тех­но­ло­гий, то схват­ка за то, кому какие части ма­ши­ны до­ста­нуть­ся про­дол­жа­лась по­ряд­ка 5 лет.

Рос­сия вы­би­ра­ла свои темы ис­хо­дя из того, что уже осво­е­но (в ос­нов­ном это кос­ну­лось раз­де­ла на­уч­но­го обо­ру­до­ва­ния) и из того что хо­те­лось бы осво­ить - на­при­мер про­из­вод­ство сверх­про­вод­ни­ков. Всего наш вклад в ИТЭР со­ста­вит по­ряд­ка 25-30 млрд руб­лей, при­чем се­рьез­ные день­ги пошли с 2012 года и в этом году был пик (5.6 млрд).

В целом за эти день­ги мы при­об­ре­тем 3 важ­ные со­став­ля­ю­щие. Итак, номер один:

Промышленно-​важные тех­но­ло­гии и новые про­из­вод­ства.

I. Про­из­вод­ство сверх­про­вод­ни­ко­вых ма­те­ри­а­лов, стрен­дов, ка­бе­лей
Для маг­нит­ной си­сте­мы iter, рос­сия по­став­ля­ет при­мер­но 20% всего объ­е­ма сверх­про­вод­ни­ка ре­ак­то­ра или 130 тонн. Не смот­ря на то, что сверх­про­вод­ни­ки ходят в пер­спек­тив­ных уже 50 лет, при­ме­не­ние низ­ко­тем­пе­ра­тур­ных (охла­жда­е­мых жид­ким ге­ли­ем) СП до­воль­но долго огра­ни­чи­ва­лось на­уч­ны­ми и экс­пе­ри­мен­таль­ны­ми за­да­ча­ми. В том числе нерас­про­стра­нен­ность объ­яс­ня­ет­ся до­ро­го­виз­ной сверх­про­вод­ни­ков на ос­но­ве ни­о­бия, а та, ча­стич­но - неболь­шим объ­е­мом про­из­вод­ства. . По­треб­но­сти ИТЭР в СП были при­мер­но в 7-8 раз боль­ше его го­до­во­го про­из­вод­ства, по­это­му все участ­ни­ки кроме Индии вос­поль­зо­ва­лись воз­мож­ность со­здать у себя про­мыш­лен­ное, а не ла­бо­ра­тор­ное про­из­вод­ство СП. В Рос­сии в рам­ках Ро­са­то­мов­ско­го за­во­да ЧМЗ в г. Гла­зов, Уд­мур­тия, был со­здан цех по про­из­вод­ству стрен­дов из NbTi (более тех­но­ло­гич­ный и про­стой сверх­про­вод­ник, но с сла­бы­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми по току и полю) и Nb3Sn (очень гем­мо­рой­ный СП, ко­то­рый имеет ре­корд­ные плот­но­сти кри­ти­че­ско­го тока). Про­из­вод­ство это имеет мощ­ность 30 тонн в год (для срав­не­ния - в 2000 году в мире вы­пус­ка­ло 15 тонн в год таких СП). Тех­но­ло­гия про­из­вод­ства про­во­да раз­ра­бо­та­на ВНИ­ИНМ. Тех­но­ло­гия про­рыв­ная, вот толь­ко пер­спек­ти­вы у нее после окон­ча­ния по­ста­вок в про­ект ИТЭР не очень - мир стре­ми­тель­но за­во­е­вы­ва­ют вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные сверх­про­вод­ни­ки, силь­но про­дви­нув­ши­е­ся за по­след­ние 15 лет…

Од­на­ко под­дер­жать про­из­вод­ство на ЧМЗ, кроме МРТ-​томографов (ко­то­рые яв­ля­ют­ся ос­нов­ны­ми по­тре­би­те­ля­ми СП-​стрендов в мире) смо­жет осва­и­ва­е­мая в Пи­тер­ском НИ­И­ЭФА дру­гая тех­но­ло­гия, свя­зан­ная с ИТЭР

II. Про­из­вод­ство боль­ших сверх­про­вод­ни­ко­вых маг­ни­тов.

В маг­нит­ной си­сте­ме ИТЭР, ко­то­рая со­сто­ит из 25 боль­ших ка­ту­шек есть верх­няя по­ло­и­даль­ная ка­туш­ка PF1 (верх­нее зе­ле­ное ко­леч­ко на ри­сун­ке).

Тем не менее, ма­лень­кий маг­нит в рам­ках ИТЭР яв­ля­ет­ся ре­корд­ным вне ИТЭР. PF1 будет пол­но­стью со­бра­на в НИ­И­ЭФА и от­ве­зе­на морем на стро­и­тель­ную пло­щад­ку iter. Ка­туш­ка со­сто­ит из 256 вит­ков сверх­про­во­дя­ще­го ка­бе­ля NbTi c током 45000 ампер (!), со­зда­ет пе­ре­мен­ное поле по­ряд­ка 6 тесла, и управ­ля­ет по­ло­же­ни­ем плаз­мы в ре­ак­то­ре. Ка­туш­ка со­би­ра­ет­ся из 8 двух­слой­ных си­ло­вых сталь­ных “бли­нов”, на каж­дый из ко­то­рых на­ма­ты­ва­ет­ся по ~800 мет­ров ка­бе­ля. Затем каж­дый такой блин об­ма­ты­ва­ет­ся стек­ло­во­лок­ном и за­ли­ва­ет­ся эпок­сид­кой и от­вер­жда­ет­ся в ва­ку­ум­ной ка­ме­ре. Это нужно для элек­три­че­ской изо­ля­ции и проч­но­сти ка­туш­ки, на ко­то­рую дей­ству­ют элек­тро­маг­нит­ные силы в ты­ся­чи тонн.

Для про­из­вод­ства этой ка­туш­ки НИ­И­ЭФА сов­мест­но со своим НИЦ осва­и­ва­ет несколь­ко тех­но­ло­гий - на­мот­ки СП-​кабеля, его изо­ля­ции, со­зда­ния круп­ных си­ло­вых кон­струк­ций таких маг­ни­тов, ва­ку­ум­ной эпок­сид­ной изо­ля­ции и т.п. Все это может при­го­дит­ся, при со­зда­нии, на­при­мер сверх­про­вод­ни­ко­вых ин­дук­ци­он­ных на­ко­пи­те­лей энер­гии или то­ко­огра­ни­чи­те­лей.  Во­об­ще тех­но­ло­ги­че­ский "вы­хлоп" для НИ­И­ЭФА будет весь­ма велик.

III. Про­из­вод­ство ги­ро­тро­нов для на­гре­ва плаз­мы.

Ги­ро­трон - это такая сверх­мощ­ная вы­со­ко­ча­стот­ная ра­дио­лам­па. Для iter по­на­до­бят­ся ги­ро­тро­ны на ча­сто­ту 170 ги­га­герц и дли­тель­ную мощ­ность в 1 ме­га­ватт - в 2.5 раза боль­ше, чем был ре­корд пред­ше­ствен­ни­ков. Раз­ра­бот­кой та­ко­го при­бо­ра за­ни­ма­ет­ся ни­же­го­род­ский ИПФ и фирма Гиком. Для ре­корд­но­го ги­ро­тро­на при­хо­дит­ся де­лать ре­корд­ный стенд с вол­но­во­да­ми и на­груз­ка­ми на 1 ме­га­ватт, раз­ра­ба­ты­вать тех­но­ло­гию про­из­вод­ства боль­ших ал­маз­ных окон (для про­пус­ка мик­ро­вол­но­во­го из­лу­че­ния), раз­ра­ба­ты­вать ма­те­ри­а­лы и де­та­ли кор­пу­са, ра­бо­та­ю­щие при ре­корд­ных плот­но­стях мощ­но­сти ВЧ из­лу­че­ния и ре­корд­ных на­пря­жен­но­стей поля. Каж­дый ги­ро­трон со­дер­жит мощ­ный сверх­про­во­дя­щий со­ле­но­ид из уже зна­ко­мо­го нам NbTi. Всего пла­ни­ру­ет­ся по­ста­вить 8+1 ги­ро­трон на пло­щад­ку ре­ак­то­ра.

Ги­ро­тро­ны - очень пер­спек­тив­ная тех­но­ло­гия, ко­то­рая на­хо­дит при­ме­не­ние при об­ра­бот­ке ма­те­ри­а­лов и на­не­се­нии по­кры­тий, ну и в пер­спек­ти­ве воз­мож­но по­яв­ле­ние ги­ро­тро­нов пе­ре­мен­ной ча­сто­ты, а это уже пря­мой путь в ра­да­ры и пе­ре­дат­чи­ки.  Кроме того ком­па­ния "Гиком" непло­хо за­ра­ба­ты­ва­ет, по­став­ляя ги­ро­тро­ны и линии пе­ре­да­чи в раз­ные на­уч­ные про­ек­ты по всему миру.

IV Ва­ку­ум­ные силь­но­точ­ные ком­му­та­то­ры, силь­но­точ­ные цепи, на­гру­зоч­ные ре­зи­сто­ры на ги­га­д­жо­у­ле­вый уро­вень.

Сверх­про­во­дя­щие ка­туш­ки имеет такую непри­ят­ную осо­бен­ность, как воз­мож­ность по­те­ри сверх­про­во­дя­ще­го со­сто­я­ния. При этом энер­гия, ко­то­рая за­па­се­на в маг­нит­ном поле, вы­де­ля­ет­ся внут­ри про­вод­ни­ка. А энер­гии во всех ка­туш­ках ИТЭР за­па­са­ет­ся  на эк­ви­ва­лент 12 тонн тро­ти­ла. Слава богу, маг­ни­ты та­ко­го раз­ме­ра те­ря­ют сверх­про­во­дя­щее со­сто­я­ние не сразу. Для спа­се­ния этой весь­ма до­ро­го­сто­я­щей де­та­ли, к каж­дой ка­туш­ке под­клю­ча­ет­ся спе­ци­аль­ный ре­зи­стор, в ко­то­рый сбра­сы­ва­ет­ся за­па­сен­ная мощ­ность. Для того, что бы пе­ре­клю­чать­ся на ре­зи­стор, нужны “ру­биль­ни­ки”, а точ­нее ва­ку­ум­ные вклю­ча­те­ли на пол­ный ток - 68000 ампер. Кроме того нужны и вы­клю­ча­те­ли на такой ток, а также контр­пульс­ные устрой­ства, и за­пас­ные пи­ров­клю­ча­те­ли. Все эти устрой­ства (воз­ду­хо­охла­жда­е­мые ре­зи­сто­ры на 200 ме­га­ватт и 5 ги­га­д­жо­у­лей, включатели-​выключатели на 68 кА а так же алю­ми­ни­е­вые во­до­охла­жда­е­мые то­ко­про­во­ды на 68 кА) раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся в уже зна­ко­мом нам НИ­И­ЭФА. Вся такая тех­ни­ка весь­ма пер­спек­тив­на к при­ме­не­нию в обыч­ном элек­тро­хо­зяй­стве, осо­бен­но в силь­но­точ­ных элек­тро­лиз­ных про­из­вод­ствах.

V. Ком­по­нен­ты пер­вой стен­ки и опор­ные мо­ду­ли за­щит­ных бло­ков блан­ке­та  - это ма­ши­но­стро­и­тель­ное про­из­вод­ство, ко­то­рое даст тех­но­ло­гии ра­бо­ты с бе­рил­ли­ем, би­ме­тал­ли­че­ские пла­сти­ны "мед­ный сплав-​нержавеющая сталь", тех­но­ло­гия тур­бу­лент­но­го во­дя­но­го охла­жде­ния "Ги­пер­вар­по­трон", ком­плекс­ные рас­че­тые тех­но­ло­гии. Это новый про­из­вод­ствен­ный цех в

пи­тер­ском НИ­И­ЭФА и целое кон­струк­тор­ское и про­из­вод­ствен­ное под­раз­де­ле­ние НИ­КИ­ЭТ

Пер­вая стен­ка - это одна из вер­шин тех­но­ло­ги­че­ской слож­но­сти ИТЭР. На этот ком­по­нент при­хо­дит­ся от 1 до 2 ме­га­ватт из­лу­че­ния плаз­мы на каж­дый квад­рат­ный метр, ис­па­ре­ние сверх­быст­ры­ми ча­сти­ца­ми, ко­то­рые про­ры­ва­ют­ся сквозь плаз­му к стен­ке, жест­кое ней­трон­ное из­лу­че­ние, ги­гант­ские элек­тро­маг­нит­ные силы (в сотни тонн) вы­кру­чи­ва­ю­щие и вы­ла­мы­ва­ю­щие этот эле­мент из стены. Через него по­те­кут ин­дук­ци­он­ные токи в ты­ся­чи ампер, на­во­дя­щие поля до ки­ло­воль­та. Кроме того, в ходе ра­бо­ты эти эле­мен­ты будут за­ме­нять­ся ро­бо­ти­зи­ро­ван­ной си­сте­мой об­слу­жи­ва­ния ИТЭР. Все это при­хо­дит­ся учи­ты­вать при про­ек­ти­ро­ва­нии, что вы­ли­ва­ет­ся в сотни часов теп­ло­вых, элек­три­че­ских, ядерно-​нейтронных и проч­ност­ных рас­че­тов, пе­ре­бо­ра де­сят­ков ком­по­но­вок и  тех­но­ло­гий из­го­тов­ле­ния. Читая ста­тьи про это из­де­лие ма­ши­но­стро­е­ния по­ни­ма­ешь, что кроме новых тех­но­ло­гий и про­из­водств наша стра­на,участ­вуя в iter по­лу­ча­ет новые кадры и ин­же­нер­ные уме­ния на уровне луч­ших ми­ро­вых прак­тик, уме­ние ис­поль­зо­вать и за­вя­зы­вать мно­го­чис­лен­ное мо­де­ли­ро­ва­ние при раз­ра­бот­ке устройств. По­это­му в сле­ду­ю­щей части ста­тьи мы рас­смот­рим тот вклад в итэр, ко­то­рый при­но­сит преж­де всего новые на­вы­ки, уме­ния и кадры.