Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

ИТЭР: Криогенная система

Аватар пользователя Лектор

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.

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя Ещё не решил.
Ещё не решил.(3 года 9 месяцев)(02:36:01 / 20-08-2015)

 (для чего кабель, которым намотаны магниты выполнен довольно хитрым образом)

Не могли раньше картинку показать, чтобы я не умничал, когда у меня к вам вопрос такой был. Какой вредный человек. Кстати, такая труба, если поток идёт в том же направлении, что и закрутка, увеличивает теплообмен.

Аватар пользователя sn-mak
sn-mak(3 года 1 месяц)(06:46:20 / 20-08-2015)

А давайте все-таки рассмотрим вопрос "проектной и запроектной аварии" в ИТЭР ?
Малейшая разгерметизация гелиевого контура или локальный перегрев СП-кабеля - и вся обмотка потеряет сверхпроводимость.
Сколько там тепла выделится ? И какие будут последствия ?
Где эти расчеты ?

Аватар пользователя юрчён
юрчён(5 лет 1 месяц)(07:12:17 / 20-08-2015)

По идее, параллельно обмоткам должны быть балластные резисторы (шунты), они и должны принимать на себя всю часть (примерно предполагаю до 30%) ЭДС обмоток в случае квенча (потери сверхпроводимости), остальноя мощь (предполагаю 70%) ЭДС выделяется в обмотках на её теплоёмкости. ИМХО

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 6 месяцев)(09:59:42 / 20-08-2015)

>Малейшая разгерметизация гелиевого контура или локальный перегрев СП-кабеля - и вся обмотка потеряет сверхпроводимость.


Ну да. Причем самое непрятное в этом будет - разгерметизация гелиевого контура, которую надо чинить.

>Сколько там тепла выделится ? И какие будут последствия ? Где эти расчеты ?


Не так много, почити вся энергия уйдет в специальные резисторы. Магнит нагреется до 50К. Рассчеты поищите в гугле если вам интересно, iter TF quench energy release.

 

Аватар пользователя юрчён
юрчён(5 лет 1 месяц)(07:07:21 / 20-08-2015)

Посложней всего этого барахла, в техногенной природе, только подводная лодка Акула.

Аватар пользователя OratorFree
OratorFree(2 года 7 месяцев)(07:56:49 / 20-08-2015)

Интуитивно всплывает вопрос из подсознания моей крестьянской натуры. Неужели вся эта сложная в производстве и вероятно обслуживании хренотень и соответсвенно дорогущая может окупиться? Когда речь идет идет о сложной военной техники, понянутой камрадом выше, там вопрос о самоокупаемости не стоит. Речь только о приемлемости и посильности военного бюджета для страны. А здесь это же как "дешевый источник энергии будущего". А интуиция против. Её смущает сложность и дороговизна оборудования. Такой вот "взгляд из колхоза". :)

Аватар пользователя Hamulus
Hamulus(3 года 3 месяца)(08:03:44 / 20-08-2015)

все первое ВСЕГДА безумно дорогое

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 6 месяцев)(10:01:00 / 20-08-2015)

Не окупается. Поэтому так долго и ковыряются - какая-то замена углеводородам все равно нужна, но то что есть, пока не устраивает.

Аватар пользователя Omni
Omni(5 лет 3 месяца)(15:09:14 / 20-08-2015)

Военная техника тоже должна окупаться, вот, например, пиндосская прожирает саму пиндосию своими бюджетами.

Аватар пользователя Hamulus
Hamulus(3 года 3 месяца)(08:04:07 / 20-08-2015)

надеюсь что успеют построить и третьей мировой таки не будет

Аватар пользователя alex_midway
alex_midway(5 лет 10 месяцев)(12:21:33 / 20-08-2015)

Лично я не жду управляемого термояда с положительным выхлопом по энергии:

- в ближайшие 20 лет с вероятностью 0.99999....

- в ближайшие 30 лет с вероятностью 0.9

- в ближайшие 50 лет с вероятностью 0.7-0.8

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 6 месяцев)(12:23:23 / 20-08-2015)

А что для вас положительный выхлоп? В сеть?

Аватар пользователя alex_midway
alex_midway(5 лет 10 месяцев)(12:38:51 / 20-08-2015)

Не обязательно. Пусть запитают какую вертушку бесполезную. Но потраченная энергия должна перекрываться полученной хоть на какой то процент. Так же система должна работать хотя бы какое то ощутимое время в году, например минимум 2-3 мес. Пусть потом уходит на техобслуживание. Но хотя бы такой результат получить.

Аватар пользователя verba
verba(2 года 10 месяцев)(08:20:12 / 20-08-2015)

интересно чем и как поле будут заводить в магниты, а вообще то да, безумно сложная система, должно быть оно проще как то, как все гениальное

Аватар пользователя lataragan
lataragan(2 года 4 месяца)(11:07:24 / 20-08-2015)

благодарю за лекцию, надеюсь продолжите публиковаться тут

Комментарий администрации:  
*** Клон nopasaran (почти дословные дубли комментов), блокирован ***
Аватар пользователя Sitius
Sitius(2 года 6 месяцев)(13:17:03 / 20-08-2015)

Пустить лучшие умы человечества и мегаресурсы по ложному следу - это гениальный ход для энергокомпаний.

Комментарий администрации:  
*** Уличен в поддержке разжигающих, отчислен ***
Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 6 месяцев)(15:27:03 / 20-08-2015)

А какой правильный?

Аватар пользователя Alex Grybin
Alex Grybin(2 года 6 месяцев)(15:53:57 / 20-08-2015)

Если технологии опять не потеряют, как например на штатовский "Сатурн-5" так оно и ничего. Пригодится,  коль не для УТС, так ещё куда-то.

Аватар пользователя Ещё не решил.
Ещё не решил.(3 года 9 месяцев)(20:57:48 / 21-08-2015)

http://spectrum.ieee.org/energywise/energy/renewables/mit-has-plans-for-a-real-arc-fusion-reactor

Интересно, не правда ли?!

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 6 месяцев)(21:13:38 / 21-08-2015)

Я про этот реактор читал зимой, а работа по нему была опубликована в сентябре 2014. Внезапно его начали пиарить. Интересный подход, который давно обсуждается, но MITвцы первыми выдали посчитанный проект. Это маленький (а значит довольно дешевый) токамак с высоким полем. Он использует несколько инженерных фишек, про которые пока никто не уверен, они вообще работают. Во-1 это довольно высокотемпературные сверхпроводники с запредельной механической нагрузкой на ленту - 600 МПа из-за большого поля. Во-2 это FLiBe бланкет. В третих это оммические соединения TF катушек, иначе токамак не компонуется. 

Однако, если эти и другие фишки в проекте сработают, то мы получим довольно дешевый термоядерный реактор с энерговыходом в 200-250 мегаватт электрических, с Q=13.6 (это больше, чем у ИТЭР!). Наверное, раз его так пиарят, надо написать про него развернуто. 

Аватар пользователя Ещё не решил.
Ещё не решил.(3 года 9 месяцев)(00:17:15 / 22-08-2015)

1.Так вроде бы не собираются увеличивать мощность магнитного поля, а говорят об увеличение мощности реакции синтеза- увеличение сверхпроводимости.

2.Мне вот тут понравилось объяснение по поводу результативного управления составом жидкой соли в бланкете, посредством свинцового электрода, с применением каскада ловушек.

3.Да, помнится, в ваших лекциях был упор на потери. 

Наверное, раз его так пиарят, надо написать про него развернуто

Думается, все с удовольствием почитают ваш разбор.

Аватар пользователя Лектор
Лектор(3 года 6 месяцев)(00:42:01 / 22-08-2015)

>1.Так вроде бы не собираются увеличивать мощность магнитного поля, а говорят об увеличение мощности реакции синтеза- увеличение сверхпроводимости.

"Мощность синтеза" растет как куб от напряженности поля - увеличили поле в  1,73 раза по сравнению с ИТЭР - и вот уже энерговыделение поднялось в 5,23 раза и можно заметно уменьшить токамак.

>
3.Да, помнится, в ваших лекциях был упор на потери. 

Потери определяют. И как раз через напряженность поля - больше поля, больше плазмы можно запихать в тот же объем (в ARC плотность выше в 1.9 раза по сравнению к ИТЭР), поднять температуру (в 2 раза выше) и утечка тепла уже не так страшна. Там есть еще тонкости, типа другого режима конфаймента.

Статья прикольная, но я как-то далек от тонкостей химии FLiBe-солей. Знаю только, что химики про это говорят восхищенно, цокая языком - тысячи разных реакций одновременно идут в таком расплаве под воздействием нейтронного излучения, и до совладания с этим пока далеко. Я уже писал - что нужны натурные реакторные стенды с жидкосолевыми петлями, что бы учиться с этим работать. 

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...