Уже не первое десятилетие мировое сообщество работает над созданием Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), призванного продемонстрировать возможность коммерческой генерации электроэнергии на основе термоядерного синтеза в промышленных масштабах. Однако реальное воплощение проект начал получать лишь с начала 2010-х годов, и темпы, с которыми разворачиваются работы по строительству ITER, удивления не вызывают — крупнейший в мире проект НИОКР требует привлечения ресурсов и научного потенциала всех передовых стран.
В дальнейшем каждая из них сможет воспользоваться результатами коллективной работы, но уже сейчас они получают возможность обмениваться новейшими технологиями и опытом. Активное участие в проекте ITER принимает и Россия: благодаря огромному накопленному опыту отечественные учёные и инженеры взяли на себя разработку ряда ключевых компонентов оборудования будущего реактора и уже добились существенных успехов. Об этом корреспонденту ИА REGNUM рассказали во время конференции в исследовательском центр Кадараш на юге Франции, где идёт строительство объекта.
В настоящий момент в проекте участвуют Евросоюз (выступающий как единый участник), Япония, Республика Корея, США, Индия, Китай, Россия. Многими технологиями, которые используются при строительстве термоядерного реактора, обладают далеко не все страны, поэтому возведение объекта требует теснейшей кооперации между передовыми государствами мира.
Евросоюз вносит 45% всех средств от общей стоимости проекта, остальные страны — по 9%. Вклад участников проекта в основном выражается в изготовлении и поставке компонентов будущей установки. В одной лишь России над разработкой оборудования и компонентов для реактора работают более 20 компаний — среди них одну из наиболее ответственных задач выполняет ПАО «Криогенмаш», входящее в группу ОМЗ (Объединённые машиностроительные заводы).
«Всего из России по проекту работают порядка 20 компаний-участников кроме «Криогенмаша» — делают полоидальные катушки, первую стенку — сложный сплав металла для работы со сверхвысокими температурами, купол дивертора, диагностику и множество иного наукоёмкого оборудования. «Криогенмаш» же делает тестовые установки — специальные вакуумные стенды для испытаний порт-плагов (port-plug test facility, PPTF), являющиеся одними из наиболее крупных элементов по объёму инвестиций и глубине научно-исследовательной деятельности. Номер один или номер два в России по тоннажу и сложности среди объектов, работы по которым распределены на долю России», — заявила руководитель проекта ИТЭР, PPTF ПАО «Криогенмаш» Олеся Соловьева.
Главная задача PPTF заключается в проведении вакуумных, тепловых и функциональных испытаний порт-плагов, перед их непосредственной работой в вакуумной камере Токамака с магнитными катушками для магнитного удержания плазмы. PPTF выполняет одну из самых важных и технологически сложных функций — симуляция вакуума и других условий в реакторе, в котором поддерживаются необходимые для протекания управляемого термоядерного синтеза условия.
Сами порт-плаги фактически представляют собой специальные контейнеры, которые могут выполнять две задачи. С одной стороны, они обеспечивают подпитку плазмы тритием и водородом, выполняют защиту от нейтронов, тем самым поддерживая плазму в должном состоянии, а с другой — выполняют с помощью специального оборудования контрольно-диагностические функции. Общее число порт-плагов составит 46 единиц, из которых диагностическими будут 25.
Согласно подписанному в 2011 году Соглашению о поставках, ПАО «Криогенмаш», должно изготовить и поставить в Организацию ИТЭР четыре стенда PPTF до 2023 года.
Перед тем, как порт-плаги будут установлены на токамак, они должны быть протестированы с точки зрения условий, в которых они будут работать — при высокой температуре (до 250 градусов Цельсия) и вакууме выше космического уровня — в степени 10-6 Па. Необходимо проверить в таких условиях и функциональность содержащихся в порт-плаге приборов.
Для этого компания ПАО «Криогенмаш» и разработала два типа уникальных стендов PPTF — ядерные и неядерные вакуумные камеры со специальной системой погрузки-разгрузки, которая способна установить порт-плаг или его имитатор (для проверки самого стенда на работоспособность).
«У «Криогенмаша» в этом отношении был большой опыт. Мы в советское время делали большое количество оборудования для двух токамаков — ТОКАМАК-7 и ТОКАМАК-15, включая и изготовление самих камер, и систем обеспечения жидким гелием. В этот раз для этого токамака мы выполняем часть работ, связанную с испытанием порт-плагов. Возможно, какие-то работы ещё появятся в будущем», — прокомментировал директор по стратегическому развитию ПАО «Криогенмаш» Александр Мазин.
Сама вакуумная камера стенда длиной 5,5 метра, диаметром 3,4 метра составляет по массе около 50 тонн — это открывающийся сосуд, рядом с которым расположена система загрузки в него порт-плага. Всего будет испытываться два типа порт-плагов: экваториальный размером 2×3 метра и верхний размером 1×5м. Помимо вакуумной камеры и системы погрузки-разгрузки порт-плагов в конструкции присутствует также достаточно сложное вспомогательное оборудование: система вакуумирования, система нагрева и охлаждения, защитный экран (для ядерной камеры), а также система понижения давления и имитаторы порт-плагов. С помощью автоматической системы загрузки порт-плаг помещается в вакуумную камеру, после чего ёмкость герметично закрывается и внутри достигается вакуум 10-6 степени Па.
Суммарный объём работ «Криогенмаша» — несколько миллиардов рублей, из которых выполнены работы на сумму более 700 млн рублей. Деньги на проект выделяются по линии «Росатома», при котором создано специальное предприятие — Российское домашнее агентство, которое организует работу в РФ, распределяет заказы и контролирует их исполнение у ряда российских предприятий, рассказала руководитель проекта ИТЭР, PPTF ПАО «Криогенмаш» Олеся Соловьева.
«Это крайне сложная, непростая инженерная задача. Нам надо испытать оборудование, которое подлежит двойному, тройному, многоуровневому контролю. Поскольку когда оно будет установлено в реактор, с ним уже ничего не сделаешь. Заменять порт-плаги, если в рабочих условиях они вдруг не будут работать — это колоссальные финансовые потери и, самое главное, потери времени. Поэтому такое большое внимание уделяется именно предварительным испытаниям этих элементов в наших вакуумных камерах», — пояснила она.
В конце мая — начале июня 2017 года сотрудники ПАО «Криогенмаш» успешно приступили к полномасштабным испытаниям элементов вакуумных стендов, которые заключались в проверке камеры на герметичность и, в частности, эффективности специального фланца, который и должен обеспечить герметичность в 10-6 Па.
Эти испытания проводились квалифицированным персоналом ПАО «Криогенмаш» при участии представителей Международной организации ИТЭР и Частного учреждения Госкорпорации «Росатом» «ИТЭР-Центр» (российского Агентства ИТЭР). Результат превзошел ожидания в том числе и представителей Международной организации: менее чем через полтора часа был достигнут вакуум до 10-4 Па, а проверка на герметичность гелием показала отсутствие каких-либо течей уже до завершения окончательной затяжки болтов.
По словам Соловьевой, эти испытания стали одним из ключевых этапов работы по проекту ITER в целом, поскольку от эффективности герметизации вакуумных камер зависит вся нормальная работа по испытаниям ключевых элементов будущего реактора.
«Надо сделать так, чтобы откачивать вакуум можно было достаточно быстро. Вакуум можно качать неделями, месяцами, а тут — необходимо в течение считанных часов. То, что привезут на объект, нужно будет быстрыми темпами там же испытывать», — заявила Соловьева.
«Для успешного проведения требуемых испытаний недопустимы даже малейшие течи, которые не позволили бы получать необходимый вакуум, а это, в конечном итоге, не позволило бы проводить плазменные эксперименты на токамаке ИТЭР», — добавила представитель ПАО «Криогенмаш».
Аналогичные испытания успешно состоялись уже в 2014 году на территории расположенного в Подмосковье предприятия. Однако если тогда российские инженеры и учёные использовали фланцы, изготовленные во Франции, то теперь «Криогенмаш» изготовил более подходящие для своих нужд образцы самостоятельно.
Планируется, что испытания в четырёх стендах «Криогенмаша» пройдут перед вводом в эксплуатацию все 46 порт-плагов, предназначенных для проекта ITER. В дальнейшем в этих вакуумных камерах будут испытывать и другие компоненты токамака — диверторные кассеты и другие элементы. В этих же установках будут проходить профилактические проверки уже действующие на реакторе порт-плаги.
В настоящее время «Криогенмаш» находится на последней стадии согласования финального дизайна неядерного стенда и на полпути в разработке документации по более сложным ядерным стендам. Уже весной 2018 года планируется согласовать поставки с Международной организацией ITER для ядерного стенда, чтобы внутренние процедуры «Криогенмаша» были адаптированы к процедурным требованиям ITER.
В 2017 году компания планирует завершить закупку материалов и комплектующих для строительства стендов, и до 2019 года приступит к изготовлению четырех единиц оборудования, предназначенных для термоядерного реактора в Кадараше. Три из них будут поставлены непосредственно в Организацию ИТЭР, четвёртый — в Европейское домашнее агентство. Первый неядерный стенд должен приступить к работе в середине 2021 года, второй поступит на реактор в 2022 году. Два ядерных стенда будут поставлены в 2023 году с разницей в полгода.
«Для нас это не в новинку. Мы за свою историю построили более 200 испытательных камер, из них несколько десятков — имитаторы космоса. Диапазон разниц температур в космосе больше — до трёхсот и четырёхсот градусов, степень вакуума тоже в 10−6, также имитируется ещё и космическая радиация. Таких вакуумных камер, имитаторов космоса в мире не так уж и много. В своё время мы построили даже самую большую установку в Европе объемом 10 тыс. кубов. Эти камеры (для реактора) по сравнению с ними — маленькие», — заявил директор по стратегическому развитию ПАО «Криогенмаш» Александр Мазин.
«Когда в СССР делали ТОКАМАК-7 и ТОКАМАК-15, мы делали всё самостоятельно. Тогда был Советский Союз, в Советском Союзе был опыт, ресурсы и знания, чтобы построить несколько токамаков самостоятельно. Но сейчас какая страна в мире потянет такое? ITER начинался с 2 млрд долларов, на текущий момент это почти 20 млрд. Это инвестиции в развитие науки и промышленности по всем странам-участницам. В том числе и в России. Это не только оборудование, которое мы сделаем — это знания, которые мы себе возьмём», — указал он.
Как рассказали корреспонденту ИА REGNUM представители ITER, физический пуск термоядерного реактора запланирован на декабрь 2025 года, а термоядерная мощность объекта составит 500 МВт. Это станет первой крупномасштабной попыткой продемонстрировать возможность использования термоядерной реакции для получения энергии в промышленных масштабах. В случае успеха проекта на основе экспериментального реактора можно будет строить установки в коммерческих целях — такое ноу-хау попадёт к странам-участникам проекта ITER, которые смогут рассчитывать на обладание дешёвым и при том практически неисчерпаемым источником энергии.
«Уникальность проекта в том, что совместными усилиями конструкторов, инженеров и машиностроителей разных стран мира рождаются новые знания, новые подходы в разработке и изготовлении сложнейшего оборудования — эти знания становятся достоянием мирового научного сообщества», — заключил директор по стратегическому развитию ПАО «Криогенмаш» Александр Мазин.