ITER: Магнитная система, часть I.

Практически любая научно-популярная статья про токамак начинается с объяснения на пальцах идеи “магнитной бутылки для плазмы”. Некоторые, особо настырные журналисты, доходят и до изложения важной мысли, что мощность термоядерного горения очень быстро (как четвертая степень величины) увеличивается с напряженностью магнитного поля и как квадрат размеров вакуумной камеры. Из этого следует, что токамакам нужны самые мощные и большие магниты. Настолько большие и мощные, что когда физики показывают их параметры инженерам, последние крутят пальцами у виска.

Оперируя сухими цифрами, очень сложно передать ощущение инженеров. Но давайте возьмем один из ключевых магнитов ИТЭР - катушку тороидального поля. 134 витка провода с током в 68 тысяч ампер создают поле, которое способно удерживать в воздухе, например, вот такой кораблик.

...весом в 30 тысяч тонн. Ну или еще одно сравнение - энергии, запасенная в магнитной системе ИТЭР, хватило бы для питания типичной российской квартиры в течении 6,5 лет (всего 12 тонн бензина, если кому интересно).

А вот и сама катушка - на этом рендере она синяя.

Однако вернемся в суровые инженерные будни. Магниты ИТЭР превосходят по запасаемой энергии предыдущих рекордсменов (кстати, это был Большой Адронный Коллайдер длинной 27 километров) в 5 раз, а по совокупной технической сложности пожалуй что раз эдак в 50. Проблематикой является так же то, что кроме задачи разработать магнит, лежащий далеко за пределами сделанного на сегодняшний день, во весь рост стояла и задача его изготовить - в промышленности просто не было многих необходимых техпроцессов или они были освоены в лабораторных масштабах. В итоге, магнитная система потребовала 15 лет разработок, исследований, строительства промышленности. Она обойдется в почти 20% от общей стоимости реактора.

Однако факт, что сегодня магниты ИТЭР являются самым далеко зашедшим в производстве компонентом токамака - построены десятки производственных объектов по всему миру, изготовлены сотни тонн компонентов магнитной системы. Обратной (хотя приятной) стороной этого является гигантский объем информации, как по технологиям и разработкам, так и по промышленному воплощению их, поэтому я разобью статью на две части.

Начнем, пожалуй, с рассказа о том, что такое сверхпроводимость и почему она используется для магнитов ИТЭР. Итак, еще в 1911 году было обнаружено свойство некоторых металлов при глубоком охлаждении терять электрическое сопротивление. Такое состояние теоретически позволяет создавать “бесплатные”, не затрачивающие энергию мощные магниты просто наматывая витки сверхпроводящего материала в катушку и создавая в нем “вечный” ток. В реальности, сверхпроводящее состояние многих материалов исчезает в сильном магнитном поле и/или при пропускании сильного тока. На наше счастье, в 60-х были открыты сверхпроводники на базе металла ниобия, которые сохраняли нулевое сопротивление в довольно сильных полях и токах. Эти соединения - ниобат титана NbTi, работающий до полей 6-7 Тесла и  станнид ниобия Nb3Sn позволяющий создавать поля до 14-15 Тесла. Для сравнения, в классической медной катушке технически крайне сложно создать поле выше 1,5-2 Тесла, и давление такого поля оказывается в 100 раз меньше, чем у 15-ти теслового (давление магнитного поля зависит от его напряженности как квадрат). Сегодня, кстати, есть еще более высокопольные и крутые высокотемпературные сверхпроводники типа YCBO и Bi-2223.

Сверхпроводяший и медный кабель на одинаковый ток. Причем медный на такой ток тоже приходится охлаждать.

Ниобиевые сверхпроводники открыли возможности по созданию принципиально новой электротехники. Почему же мы не видим их нигде, кроме как в уникальных научных установках, которые “за ценой не постоят”? Тому есть три причины. 

Во-первых, как и все известные в 60х сверхпроводники, ниобиевые требуют для работы температур жидкого гелия, а если можно - то и ниже. Сказать, что такое охлаждение не дешево - ничего не сказать, на каждый джоуль притекшего к нашему магниту извне или изнутри тепла мы вынуждены будем потратить от 250 до 500 джоулей на работу нашей холодильной установки. 

Во-вторых соединения ниобия оказались довольно хрупкими веществами, и если титанат ниобия чем-то похож на стекло, и может быть использован в проводнике в виде пучка очень тонких волокон в матрице (например медной), то любые попытки изготовить какие-то гибкие волокна из Nb3Sn потерпели неудачу. Для получения сверхпроводника из этого материала используют следующую технологию: кабель собирается из нитей меди, олова и ниобия, наматывается в форме будущего магнита, затем нагревается до 650 градусов и в нем происходит химическая реакция с образованием Nb3Sn. После этого такой кабель практически нельзя изгибать, что бы не допустить разрушения филаментов этого хрупкого материала. О запредельной нетехнологичности таких магнитов можно догадываться.

Ну и последним аспектом стало то, что большие магнитные поля несут с собой большие механические напряжения связанные с силой Ампера между витками проводника и силой Лоренца между проводником и объектом применения магнитного поля. При этом хрупкость сверхпроводника означает его разрушение под влиянием циклических перемещений. Фактически получалось так, что это не позволило проектировать магниты так же, как и медные.

Электротехническая промышленность довольно быстро перевела сверхпроводниковые машины (двигатели, трансформаторы, генераторы, магниты) в область “прекрасного далека”, и только запросы от науки позволили постепенно понять, как решать вышеописанные задачи. Сверхпроводящие системы оказались высокотехнологичной, почти космической отраслью, а магниты для ИТЭР - своеобразным “полетом на Марс” для этой отрасли.

Давайте посмотрим на магнитную систему ITER поближе и разберемся, откуда берутся такие сложности. Магнитную систему токамака можно разделить на следующие составляющие: 

Зоопарк ИТЭРовских катушек. Человек, к сожалению, для масштаба не нарисован, но размер системы в сборе - 25 x 17 метров.

1. 18 вертикально расположенных катушек тороидального поля TF и 6 горизонтально катушек полоидального поля PF создают магнитную “авоську” для удержания плазмы

2. Центральный соленоид CS создает изменяющееся магнитное поле, наводящее в плазме ток, которым она взаимодействует с магнитным полем из пункта 1 и это необходимый элемент системы магнитного удержания.
3. 18 корректирующих катушек CC - относительно слаботочные катушки, используемые для выравнивания ошибок поля основных катушек и для управления положением плазмы внутри токамака

4. 31 токовый фидер, передающие ток с внешних “теплых” шин, по высокотермпературной сверхпроводящей линии на криогенные проводники катушек.

Итак, начем с более простых элементов на базе NbTi. Это хорошо исследованный, относительно широко используемый и не очень дорогой сверхпроводник. Обычно он используется в виде провода, состоящего их тончайших нитий титаната ниобия в медной или алюминиевой матрице, причем в лучших образцах провода получается до 10 тысяч нитей в проводнике диаметром ~1 мм. Такой провод способен пропустить без потерь до 500 ампер. Для получения такого, фактически нанокомпозита используется довольно изощренная технология

Продукт 40 летней работы технологов. А вот здесь сборка перед волочением, еще.

Стоимость такого провода на рынке составляет порядка 500 долларов за килограмм, однако если бы не вопрос охлаждения до экстремальных температур, то такой проводник по затратам был бы вполне конкурентен с медью!  Для иэтровских магнитов такие стрэнды являются базисом. В принципе из них можно было бы набрать целиком магнит, и залить его целиком в жидкий гелий, если бы не два но: магнитные силы порвут проводник, если дать возможность ему свободно перемещаться, и сложно совместить необходимость изоляции отдельных стрендов и их хорошее охлаждение.

Поэтому для крупных магнитов используется концепция кабеля-проводника. Сверхпроводящие проволочки последовательно скручивают в все более укрупняющие сборки, пока не получится кабель, состоящий из нескольких сотен стрэндов. В центре кабеля располагается канал для прокачки жидкого гелия, между проводниками тоже оставлено пустое пространство, что бы хладогент мог спокойно обтекать каждый стрэнд. Снаружи кабель упакован (или джекетирован) в силовую оболочку из нержавеющей стали, которая снимает напряжение с сверхпроводника и герметизирует канал жидкого гелия. Поскольку усилия на единичный кабель могут достигать десятков тонн, то используется весьма толстостенная оболочка - и это очередная технологическая сложность на пути создания магнитов ИТЭР. Размер получаемого проводника примерно 40х40 мм, и при температуре 4,5 К он способен нести ток в 50 килоампер и создавать поле до 6,5 Т.

Так сматывают российский сверхпроводник на итальянской линии.

Срезы стренда (слева) и кабеля PF на базе таких стрендов.

Кстати. задумайтесь о том, как собирается кабель в толстой стальной оболочке - вам нужно собрать прямую стальную трубу, затянуть туда тросом его внутренность и обжать на стане трубу вокруг кабеля, что бы они плотно соединились. При этом, если в вас кабель длиной 800 метров, то вам нужна линия для затягивания кабеля длинной 800 метров! Затем нужно смотать этот кабель на специальном трубогибном станке на шпульку. Для производства кабелей ИТЭР пришлось создать 5 таких линий, в т.ч. одну в России, о чем я подробнее расскажу в следующей части.

Конструкция проводника для катушек TF 

После того, как мы произвели необходимое количество кабеля (для магнитов ИТЭР надо, например, почти 200 км кабеля-проводника) его необходимо намотать в соленоида — многослойной катушки. PF катушки ИТЭР будут иметь сечение примерно 1х1 метр, навиваться из 250-350 витков кабеля. Для самой маленькой катушки PF1, производство которой стартует в июне на мощностях Средне-Невского Судостроительного завода в Питере потребуется 16 длин по ~450 метров, которые будут укладываться в двухслойные “блины”. Оборудование навивки довольно сложное - нужно синхронно вращать стол, изгибать кабель автоматизированным трубогибом так, что бы он ложился в нужное место и еще попутно обматывать кабель изоляцией.

Собранная PF1. Штуки по бокам - это соединения отдельных слоев катушки межту собой. 

Намоточный стол. Синхронно работает 2 размотчика, 2 трубогиба, стол и изолирующие головки. 

А так это выглядит в реальности - испытания оборудования, февраль 2015 года.

Кстати, изоляция - еще один технологический моментик. Межвитковое напряжение в PF может достигать киловольта, а «межблиновое» - 5 киловольт. При этом изоляция должна проработать 30 лет в условиях термо- и механического циклирования, вакуума и радиации. По результатам испытаний для всех сверхпроводящих кабелей была выбрана намотка чередующимися слоями стекловолокна и полиамида, с последующей пропиткой стекловолокна эпоксидной смолой. После того, как мы собрали двухслойный блин, его надо дополнительно обмотать стекловолокном (это нужно как для изоляции, так и для стабилизации и укрепления) и пропитать смолой - это делается в специальной вакуумной камере, что бы в изоляции не осталось пузырьков воздуха.

Отработочный макет для изоляции и вакуумной пропитки. 

8 таких блинов складываются в 16-слойную катушку - после чего будут выполнены соединения сверхпроводящего кабеля (кстати, еще один довольно высокотехнологичный элемент) в единую электрическую систему, на катушку установят силовые элементы и множество трубок для прокачки охлаждающего гелия. В 2017 году 200 тонный магнит будет погружен на баржу и отправится в Карадаш.

Причем баржа уже давно готова.

Однако PF1 диаметром 9 метров - самая маленькая катушка из 6 магнитов полоидального поля. Она и катушка PF6, строительство линии намотки которой началась несколько месяцев назад в Китае, будут производится как и остальные компоненты ITER где-то далеко от Карадаша, однако для катушек PF2 - PF5 такой фокус не возможен - их диаметры в 18 и 25 метров слишком велики для доставки. Поэтому на площадке ИТЭР был возведен завод для намотки и сборки этих 4 катушек. Размер линии - 250х40 метров, и как не странно, это было первое здание на площадке, законченное еще в 2012 году. Однако благодоря европейским бюрократам и сокращению бюджета - производство критически важной PF5 (без которой невозможно начать сборку тороидальной части ИТЭР, см) начнется не раньше чем в конце 2016 года. Впрочем, благодаря им же, строительство зданий токамака все равно не закончится раньше конца 2018 года, так что катушка может поспеть вовремя. В целом же, все PF будут производится по примерно одинаковой технологии, различаясь лишь слегка количеством меди в кабеле и размерами.

По планам 2009 года, здесь кипит производство катушек полоидального поля.

Что ж, в следующей серии мы поговорим о еще более грандиозных сильнопольных магнитах систем тороидального поля и центрального соленоида.