Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) входит в пул российских научных и производственных организаций, принимающих участие в реализации проекта международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, Франция).
Основными направлениями ИЯФ СО РАН по проекту ИТЭР являются разработка, производство и интеграция четырех диагностических портов – стальных модулей со сложной системой каналов водяного охлаждения, оптических и вакуумных каналов; а также производство двух диагностических систем для измерения термоядерной мощности в реакторе. На данный момент завершен один из первых производственно-технологических этапов изготовления диагностики – диверторного монитора нейтронного потока (ДМНП). Произведен комплект первоплазменных элементов ДМНП, которые представляют собой коммутационные коробки, предназначенные для установки на теле вакуумной камеры ИТЭР для защиты и фиксации электрических линий связи (кабелей вывода электрического сигнала). Качество и точность изготовления всех элементов ИТЭР находятся на беспрецедентно высоком технологическом уровне, но при этом процесс контрольной сборки первоплазменных компонентов ДМНП настолько прост, что его можно сравнить с конструктором.
Задача международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, строительство которого ведется во Франции, заключается в демонстрации возможности использования термоядерной энергии. По обновленному графику проекта запуск реактора и получение первой плазмы запланированы на 2033 г. Основой термоядерного ректора является магнитная ловушка закрытого типа – токамак (тороидальная камера с магнитными катушками). Токамак ИТЭР будет состоять более чем из миллиона деталей и весить 23 тысячи тонн при высоте 30 метров.
Основными направлениями работ ИЯФ СО РАН по проекту ИТЭР являются: разработка, производство и интеграция диагностических портов ИТЭР (Экваториальный порт №11, Верхние порты №№ 2,7,8). Каждый из портов представляет собой систему, в состав которой входят диагностические защитные модули (ДЗМ) – крупногабаритные стальные структуры с разветвленной системой каналов водяного охлаждения и большим количеством оптических и вакуумных каналов для размещения диагностических систем токамака. Основным конструкционным материалом для изготовления ДЗМ, как и для подавляющего большинства элементов будущего термоядерного реактора, является специальная аустенитная нержавеющая сталь 316L(N)-IG, разработанная для атомной энергетики. Второе направление: производство нейтронных диагностических систем, таких как Диверторный монитор нейтронного потока (ДМНП) и Вертикальная нейтронная камера (ВНК).
«Диверторный монитор нейтронного потока является частью диагностического комплекса ИТЭР, – прокомментировал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Дмитрий Гавриленко. – ДМНП будет измерять термоядерную мощность и полный нейтронный поток при работе во всех режимах установки. По сути при помощи этой диагностики можно управлять работой реактора и определять ее эффективность. Функция ДМНП понятная и простая, хотя саму диагностику такой вряд ли можно назвать, как и любой элемент ИТЭР».
Проектирование установки ИТЭР – сложный и многоступенчатый процесс. Перед специалистами стоит экспериментальная задача – найти лучшие технологические решения, оптимизировать их, испытать при различных режимах работы реактора, оценить их эффективность, а потом реализовать в коммерческо-промышленных термоядерных реакторах, так называемых DEMO (DEMOnstration Power Plant) реакторах.
Так выглядел второй прототип ДМНП. Предоставлено Д. Гавриленко.
«Работа в ИТЭР ведется по определенной схеме, – добавил советник дирекции ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Александр Бурдаков. – Создание любой конструкции или ее элемента начинается с эскизного проекта, на основании которого создается PDR (Preliminary design review) – предварительная версия, которую необходимо защитить. Для этого команда наших специалистов едет в головную организацию ИТЭР во Францию, где выступает с защитой проекта. Комиссия слушает и вносит свои правки. После внесения исправлений в PDR он утверждается, и начинается этап защиты FDR (Final design review). Уже потом можно преступать к производству. Но и здесь нужно пройти многоступенчатое согласование. Начинается все с MRR (Machinery redness review). На этом этапе мы показываем, что готовы к производству, то есть защищаем уже не изделие, а саму технологию. К слову, получив разрешение на производство, мы отчитываемся за каждую пройденную процедуру, она фиксируется и передается в головную организацию».
Один из важных элементов токамака ИТЭР, наличие которого отличает его от предыдущих версий подобных открытых магнитных систем, дивертор. Это устройство разработано для отвода тепловых и нейтронных нагрузок со стенок реактора. Дивертор, или диверторная кассета, располагается в нижней части реактора, именно туда и стекают потоки плазмы. Этот элемент будет подвергаться тепловой нагрузке, в десять раз превышающей ту, что испытывает космический аппарат при входе в атмосферу Земли. ДМНП расположат под дивертерной кассетой.
«Диверторная кассета защищает нашу диагностику от высокоэнергетичных нейтронов, – пояснил Дмитрий Гавриленко. – Поэтому отпала необходимость в интенсивном охлаждении устройства, что сильно упростило конструкцию. В целом, начиная с 2016 г., когда был создан первый макет, и до 2022 г., когда появился прототип №2, конструкция ДМПН сильно изменилась».
Задача поэтапного макетирования состоит в том, чтобы оценить правильность выбора тех или иных технических решений, определить технологический процесс изготовления и подготовиться к защите предварительного проекта. ИТЭР задает очень высокую планку качества изготовления, не каждая организация способна соответствовать этому уровню. Благодаря своей исследовательской инфраструктуре и наличию собственного экспериментального производства ИЯФ СО РАН может выполнять поставленные требования.
iФинальная модель диагностического модуля ДМНП. Предоставлено Д. Гавриленко.
«Первый макет ДМНП представлял собой два детекторных узла, связанных общей системой водяного охлаждения. В каждом из детекторных узлов размещались ионизационные камеры деления с ураном-235 и -238 (название модулей - U5 и U8, соответственно), – добавил Дмитрий Гавриленко. – Тут надо отметить, что внешне простая диагностика, выглядящая как непропорционально большой бинокль (две трубы, связанные патрубками охлаждения посередине), имела внутри сложную и красивую начинку из винтовых турбулизаторов потока, гидравлических дросселей, борных экранов, внутренних объемов, заполненных инертными газами и узлов вывода электрических сигналов. Снаружи – пустая бочка, а внутри невероятная умнота. С тех пор было изготовлено еще два прототипа ДМНП, после чего была успешно пройдена стадия защиты финального проекта. Теперь мы делаем финальное, “боевое”, устройство – получается хорошо».
Дальше специалисты ИЯФ СО РАН будут собирать отдельные элементы корпуса диагностики ДМНП, размещать внутри ионизационные камеры с ураном, заваривать и соединять их с коммутационными коробками.
