Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) вместе со своими российскими и зарубежными коллегами работают над созданием экспериментального термоядерного реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). ИТЭР представляет собой токамак (тороидальную камеру с магнитными катушками), задача которого состоит в демонстрации принципиальной возможности использования термоядерной энергии. ИЯФ СО РАН в рамках проекта ИТЭР разрабатывает и производит диагностические защитные модули (ДЗМ), а также часть диагностик систем измерения термоядерной мощности в реакторе. Основным материалом для изготовления всех этих элементов является сталь, разработанная специально для атомной энергетики. Еще одна конструкционная особенность деталей заключается в наличии сложной и разветвленной системы каналов водяного охлаждения, которая необходима для снятия тепла с поверхности материала. Чтобы система работала эффективно, все каналы, длина которых может достигать двух метров, должны быть суперпрямолинейными. Для проверки геометрических параметров каналов специалисты ИЯФ СО РАН разработали собственную уникальную методику, которая была запатентована. Правообладателем патента является Госкорпорация «Росатом», специалисты ИЯФ СО РАН могут использовать ее в рамках работы в институте.
Одно из направлений работ ИЯФ СО РАН по проекту ИТЭР состоит в разработке, производстве и интеграции диагностических портов ИТЭР (Экваториальный порт №11, Верхние порты №№ 2,7,8). Каждый из портов представляет собой систему, в состав которой входят 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.
«ДЗМ являются элементами первичного контура охлаждения термоядерной установки ИТЭР, поэтому от точности изготовления каналов охлаждения и плотности их расположения по отношению друг к другу зависит бесперебойная и безопасная работа установки на протяжении всего срока эксплуатации, так как данный элемент работает в условиях экстремальных температур и потоков радиационного излучения, – прокомментировал научный сотрудник ИЯФ СО РАН Дмитрий Гавриленко. – Диаметры каналов охлаждения ДМЗ варьируются от 10 до 40 мм, а длина достигает 2000 мм. Просверлить канал длиной два метра в крупногабаритной детали – нетипичная задача. Обычно глубокое сверление применяется при производстве оружейных стволов, но там технология выстроена таким образом, что сверло статично, а ствол крутится вокруг него. С нашими габаритами эта схема не работает. Пришлось осваивать новую технологию – так на экспериментальном производстве ИЯФ СО РАН появился станок для механической обработки крупногабаритных деталей с функцией глубокого сверления. Хитрость в том, что здесь при сверлении вращается не заготовка, а само сверло, что позволяет обрабатывать сложные по форме изделия, в том числе делать каналы охлаждения такой большой длины».
Следующей специфической задачей для физиков ИЯФ СО РАН, которую нужно было решить, стала проверка геометрии каналов охлаждения ДЗМ. Например, максимально допустимое отклонение сверла от оси канала должно быть не более 1 мм на глубине 1 м. Столь высокие требования предъявляются в первую очередь из-за высокой плотности расположения каналов охлаждения в ДЗМ. В некоторых местах толщина стенки между двумя соседними каналами составляет всего 5 мм. Удостовериться в прямолинейности глухого отверстия длиной два метра существующими методиками было невозможно. Поэтому команда российских физиков придумала свою методику и создала оптические калибры для совместного применения с лазерным трекером.
«Когда канал сквозной, нет никакой проблемы в том, чтобы взять телескопическую штангу и протянуть ее насквозь, с глухим отверстием все существенно сложнее, – добавил Дмитрий Гавриленко. – Для этого мы сначала размещаем элемент диагностического модуля в специальном помещении, с помощью лазер-трекера измеряем базовые поверхности для определения систем координат. После этого вводим в канал оптический калибр с закрепленным на нем уголковым отражателем, и с помощью лазер-трекера, установленного напротив канала охлаждения, с произвольным шагом фиксируем координаты точек отклонения от оси канала. Изюминка здесь еще и в том, что оптический калибр мы проталкиваем в глухой канал металлическим стержнем, а извлекаем с помощью прикрепленной к нему металлической уздечки. Претворить нашу идею в жизнь мы бы не смогли без помощи специалистов геодезической службы ИЯФ – Леонида Сердакова и Владимира Крапивина».
Этот метод измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий был запатентован Федеральной службой по интеллектуальной собственности.
«ИТЭР – уникальный проект, и все задачи, с которыми сталкиваются наши ребята и их коллеги на этом проекте – технически сложные, которые порой не решить, не придумав что-то абсолютно новое, – прокомментировала ведущий специалист по интеллектуальной собственности Отдела научно-информационного обеспечения ИЯФ СО РАН Виктория Максимовская. – Методика, которую разработала наша команда, один из ярких тому примеров. Способа измерить длинное и глухое отверстие на предмет отклонений просто не существовало, потому что не было такой потребности. Она появилась в ИТЭР и была успешно решена. Позже было решено запатентовать этот метод. Правообладателем патента является Госкорпорация “Росатом”, но в рамках работы в ИЯФ СО РАН наши специалисты могут ей пользоваться и применять в своей работе».
Межправительственная организация ИТЭР была образована в 2006 г. на основании международного соглашения, подписанного семью странами-участницами: Евросоюзом, Китайской Народной Республикой, Республикой Индия, Японией, Республикой Корея, Российской Федерацией и Соединенными Штатами Америки. По обновленному графику проекта запуск реактора и получение первой плазмы запланированы на 2033 г.