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.