ITER ( ITER ; ursprungligen engelska International Thermonuclear Experimental Reactor ; för närvarande är namnet associerat med det latinska ordet iter- path) är ett projekt av en internationell experimentell termonukleär reaktor av tokamak -typ . ITERs uppgift är att demonstrera möjligheten till kommersiell användning av termonukleär fusionsreaktion och att lösa de fysiska och tekniska problem som kan uppstå på vägen. Projektet har varit under utveckling sedan mitten av 1980-talet, bygget var planerat att stå klart 2016.
Bygget påbörjades 2010 ; Sommaren 2020 påbörjades monteringen av reaktorn. Slutdatum är planerat till 2025.
ITER-anläggningarna är belägna på 180 hektar mark i kommunen Saint-Paul-les-Durance ( Provence-Alpes-Côte d'Azur ), som redan är hem för det franska kärnforskningscentret CEA ( Commissariat à l'énergie atomique). , kommissariatet för atomenergi ).
Projektet började utvecklas i mitten av 1980-talet . 1992 undertecknades ett fyrpartsavtal ( EU , Ryssland , USA , Japan ) om utvecklingen av ITER-ingenjörsprojektet, som slutfördes 2001 [8] .
Designen av reaktorn var helt färdig, och 2005 valdes en plats för dess konstruktion - forskningscentret Cadarache ( fr. Cadarache ) i södra Frankrike, 60 km från Marseille - ( 43 ° 41.25′ N 5 ° 45.70′ v. d. ) [9] . Platsförberedelser började i januari 2007. Bygget påbörjades 2010 . ITER-anläggningarna är belägna på 180 hektar mark i kommunen Saint-Paul-le-Durance ( Provence-Alpes-Côte d'Azur , en region i södra Frankrike).
Den 28 juli 2020 påbörjades monteringen av reaktorn från komponenterna [10] .
Bygget, som ursprungligen beräknades till 5 miljarder euro, var planerat att vara klart 2016. Men som ett resultat av betydande tekniska svårigheter och osäkerheter i konstruktionen och tillverkningen av komponenter, har datumen upprepade gånger förskjutits:
Den viktigaste delen av ITER - själva tokamak och alla servicelokaler - ligger på en plats med dimensionerna 1,0 × 0,4 km [13] . Man antog att bygget skulle pågå till 2017 [14] . Huvudarbetet i detta skede utförs under ledning av den franska byrån ITER, och i huvudsak CEA .
I allmänhet kommer ITER-tokamak att vara en 60 meter lång struktur som väger 23 000 ton [15] [16] .
Termen "tokamak" är rysktalande. Inledningsvis föreslog I.N. Golovin förkortningen "tokamag" - " toroidal kammare med magneter " , dock N.A. kammare med magnetspolar . _
MagnetsystemTokamaks magnetiska system består av 48 element: 18 toroidfältspolar, 6 poloidfältspolar, en central solenoid bestående av 6 sektioner och slutligen 18 korrigeringsspolar.
Induktionen av fältet som skapas av det magnetiska systemet når 13 T. Detta är ett extremt högt värde. Som jämförelse: detta fält överstiger jordens magnetfält med 200 000 gånger. För att minska förluster på grund av elektriskt motstånd i spolarna i toroidfältet och den centrala solenoiden används en ledare gjord av en niob-tennförening (Nb 3 Sn). Niob-titanium (NbTi)-legering används för poloida fältspolar och korrigeringsspolar. Vid kokpunkten för flytande helium (cirka 4K, eller -269 °C), är dessa legeringar i supraledande tillstånd .
Toroidal field (TF) -spolar [17] är placerade utanför tokamaks vakuumkammare och inuti kryostatskalet. De består av 18 identiska element (D-formade spolar) anordnade vertikalt runt en toroidformad vakuumkammare. De skapar ett magnetfält runt plasmatorus med en induktion på 11,8 T och lagrar en energi på 41 gigajoule. Varje spole väger cirka 300 ton, har en höjd av 15 m och en bredd av 9 m. Den totala vikten av spolarna i det toroidformade fältet är 6540 ton. Spolarna är lindade från en supraledande kabel, som består av trådar inneslutna i en mantel av samma legering. Förutom strängarna inuti kabeln finns det kanaler för cirkulationen av kylvätskan - flytande helium. Den totala längden på trådar som används för TF-spolar är över 80 000 m. Totalt 19 coils kommer att tillverkas (en reserv). Av dessa kommer 10 stycken att tillverkas av Europa och 9 stycken - av Japan [18] .
Spolarna för poloidfält (PF) [19] är placerade ovanpå TF-spolarna. De är belägna inuti kryostatens skal. Består av 6 spolar anordnade horisontellt. Syftet med detta fält är att flytta plasmapelaren bort från kammarväggarna och komprimera den (adiabatisk uppvärmning). På grund av sin storlek kommer fyra av de sex PF-spolarna (2, 3, 4 och 5) att lindas på ITER-platsen, i en specialbyggd Poloidal Reel Building. Omfattningen av dessa produkter bevisas av följande faktum: de två största spolarna PF-3 och PF-4 har en ytterdiameter på 24 m, och var och en väger 400 ton [20] . Mindre spolar (beteckningar i ITER-specifikationen PF-1 och PF-6) tillverkas i Ryssland respektive Kina och skickas till sjöss. Tillverkningen av PF-6-spolen anförtros till Kina. Denna rulle är redan färdigmonterad, levererad från Kina till ITER och kalltestad. I april 2021 installerades den i reaktorschaktet [21] . PF-1-spolen tillverkas i Ryssland, i St. Petersburg, på Sredne-Nevsky-varvet. Starten med att linda spolen startade sommaren 2015 [22] . I april 2021 visade ITER-webbplatsen ett foto av en PF-1 lindningspåse, precis borttagen från vakuumkammaren, där påsen var impregnerad med epoxiharts.
Den centrala solenoiden ( central solenoid - CS) är placerad i "munkhålet" - längs vakuumkammarens axel. Det är transformatorns primärlindning. Transformatorns sekundärlindning är en plasmaring stängd i en kort spole. Ingen transformator kan arbeta på likström, så spänningen i primärlindningen kommer att stiga från noll till dess maximala värde. Strömmen som passerar genom plasman skapar ett ytterligare magnetfält, som tenderar att komprimera spolen ännu mer (adiabatisk uppvärmning) och samtidigt värma den på grund av ohmskt motstånd (induktionsuppvärmning). Solenoiden består av sex spolar lindade från en speciell kabel gjord av niob-tennlegering (Nb 3 Sn). Denna kabel är klassad för ström upp till 46 kA. Kabeln konstruerades för att motstå den betydande vikten av de överliggande lagren utan deformation. Varje spole är som en bunt pannkakor. Glas-polyamidisolering impregnerad med epoxiharts, som klarar spänningar upp till 29 kV. Längden på kabeln som läggs i varje spole är 910 m. Under 20 års drift av tokamak kommer den centrala solenoiden att göra cirka 60 000 pulser.
Korrigeringsspolar är placerade inuti vakuumkammaren, mellan kammarväggen och filten. De tjänar till att "utjämna" kantlokaliserade lägen ( Edge Localized Modes - ELMs), vilket kan orsaka "utbuktning" av plasmakolonnen. Sådan "utbuktning" är farlig med många negativa konsekvenser. Först förlorar plasman, som rör vid kammarens väggar, energi och kyls ner. För det andra uppstår avdunstning och följaktligen ökat slitage på "hot wall"-materialet. För det tredje förorenar det förångade materialet (främst beryllium) vakuumkammarens inre med det finaste damm. Detta damm, en gång i plasman, får det att glöda ytterligare, vilket kyler sladden ytterligare och orsakar ännu mer slitage på den varma väggen.
Ledarmaterial | Ledarlängd, tusen m | Vikt, t | Märkström, kA | Magnetfält, T | Ackumulerad energi, GJ | Kostnad (prognos för 2011), miljoner € | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Poloidala spolar (PF) | NbTi | 65 | 2163 | 52 | 6 | fyra | 122 |
Toroidal coils (TF) | Nb 3 Sn | 88 | 6540 | 68 | 11.8 | 41 | 323 |
Central solenoid (CS) | Nb 3 Sn | 42 | 974 | 46 | 13 | 6.4 | 135 |
Formen på vakuumkammaren är en torus ("munk"). På ITER-webbplatsen kallas det donut - " donut ". Vakuumkammaren är gjord av rostfritt stål. Den mäter drygt 19m i den "stora diametern", 11m på höjden och 6m i den "liten diametern" (diametern på "munkhålet"). Arbetsrummets volym är 1400 m³. Massan av denna tokamak-komponent är över 5000 ton.
Vakuumkammarens väggar är dubbla. Mellan väggarna finns ett hålrum för cirkulation av kylvätskan (destillerat vatten). Den inre väggen skyddas från termisk och neutronstrålning av en filt.
En avledare är installerad i den nedre delen av kammaren för att fånga reaktionsprodukterna. En fjärrmanipulator utvecklas för demontering och montering av avlednings- och filtelement, samt för diagnostik och reparation av intern utrustning.
Tillgång till elementen i filten, avledaren och andra system som finns i den "heta håligheten" tillhandahålls av 44 fönster (portar) i vakuumkammarens väggar: 18 övre, 17 ekvatoriala och 9 nedre.
FiltFilt är ett tokamaksystem som är mycket intensivt i termer och strålning (tillsammans med en avledare). Syftet med filten är att fånga de högenergineutroner som produceras i en termonukleär reaktion. I filten bromsas neutronerna och frigör värme, som avlägsnas av kylsystemet. Den "heta väggen" av filten, på grund av kylning med vatten, kommer inte att värmas upp över 240 °C.
För att underlätta underhållet är filten uppdelad i 440 element. Dess totala yta är cirka 700 m². Varje element är en kassett med en avtagbar berylliumfrontvägg (8 till 10 mm tjock) och en kopparkropp förstärkt med rostfritt stål. Mått på varje kassett: 1 × 1,5 m. Dess vikt är upp till 4,6 ton.
Den totala mängden beryllium som krävs för att göra en filt är cirka 12 ton. Metalliskt beryllium i sig är lågt giftigt, men berylliumdamm kan orsaka en uttalad allergisk reaktion vid inandning. Långvarig inandning av berylliumdamm i låga koncentrationer kan orsaka en allvarlig sjukdom - berylios . Dessutom har berylliumdamm en cancerframkallande effekt. Under driften av tokamak förväntas gradvis avdunstning av den "heta väggen" och följaktligen bildandet av det minsta berylliumdamm (som måste fångas upp av avledaren). Vid ITER utvecklas mycket stränga säkerhetsåtgärder för att förhindra att personal exponeras för berylliumdamm [24] .
Tre filtkassetter har modifierats. Dessa kassetter kallas Test Blanket Modules (TBM). TBM innehåller en isotop av litium . När neutroner kolliderar med litium sker reaktionen
En av produkterna av denna reaktion är tritium . Således kommer ITER-tokamak att delta i tritiumförädlingsexperimentet, även om det inte kommer att producera sitt eget bränsle.
Som ett resultat av denna reaktion hoppas man att tritium kommer att erhållas i en mängd större än vad som användes i fusionsreaktionen. Detta experiment är relevant för nästa generation av tokamak DEMO . Denna tokamak kommer redan att producera sitt eget bränsle.
AvledareAvledaren används för att extrahera föroreningar från plasman som kommer dit från filtens "heta vägg". Användningen av avledare på stellaratorer och tokamak började 1951 på förslag av Lyman Spitzer . Beroende på formen på det magnetiska fältet tillhör avledaren en av tre typer: poloidal, toroidal och bunttyp. Funktionsprincipen för alla typer av omledare är densamma. ITER-tokamak använder en poloidavledare.
På den "heta väggen" finns det alltid föroreningar som fäster vid den som ett resultat av adsorption . När de värms upp avdunstar dessa föroreningar och kommer in i plasman. Där joniseras de och börjar stråla intensivt. Ytterligare strålningsförluster uppstår (dessa förluster är proportionella mot andra potensen av den effektiva plasmaladdningen). Således kyls plasmakolonnen och den varma väggen överhettas.
Avledaren "skalar" kontinuerligt det yttre lagret från plasmakolonnen (där föroreningskoncentrationen är högst). För att göra detta, med hjälp av ett litet magnetfält, riktas de yttre skikten av sladden till ett mål som kyls intensivt av vatten. Här kyls plasman, neutraliseras, omvandlas till en gas och pumpas sedan ut ur kammaren. Således tränger inte föroreningar in i kärnan av sladden.
Dessutom, i ITER tokamak, tjänar avledaren till att sedimentera och hålla kvar berylliumdamm som bildas under förångningen av filtens "heta vägg". Därför kallas det på ITER-webbplatsen skämtsamt för "askfat" (askfat). Om du inte tar bort dammet från förbränningszonen kommer det att komma in i plasmakolonnen, värmas upp och också börja stråla. Detta kommer i sin tur att orsaka överhettning av den varma väggen, dess ökade slitage (avdunstning och strålning) och bildandet av nya delar av damm. ITER-avledaren består av fem mål med slitsar mellan dem. Metalldamm rullar av målens plana ytor och kommer in i spåren. Därifrån är det väldigt svårt för henne att komma tillbaka in i plasmasladden.
Avledaren är gjord av 54 kassetter [25] , med en totalvikt på 700 ton. Storleken på varje kassett är 3,4 m x 2,3 m x 0,6 m. Kassettkroppen är av höghållfast rostfritt stål. När kassetterna slits kommer de att demonteras och andra kommer att installeras i deras ställe. Målen omvandlar plasmapartiklarnas kinetiska energi till värme, därför värms de upp till 3000 °C och kräver intensiv vattenkylning.
Få material kan motstå sådan uppvärmning under lång tid (livslängden för en tokamak är 20 år). I de inledande stadierna av tokamak-design var det planerat att göra mål av kolfiberförstärkt kolkomposit (CFC), men nu övervägs frågan om att tillverka dessa delar av volfram.
Avledningskylsystemet kommer att arbeta i nära-kokningsläge. Kärnan i detta läge är som följer: kylvätskan (destillerat vatten) börjar koka, men kokar inte ännu. Mikroskopiska ångbubblor bidrar till intensiv konvektion, så detta läge låter dig ta bort den största mängden värme från de uppvärmda delarna. Det finns dock en fara - om kylvätskan fortfarande kokar kommer ångbubblorna att öka i storlek, vilket kraftigt minskar kylflänsen. Akustiska sensorer är installerade vid ITER för att övervaka kylvätskans tillstånd. Enligt bullret som skapas av bubblorna i rörledningarna kommer läget i vilket kylvätskan är placerad att utvärderas. Kylvätskan som kyler divertorn kommer att vara under ett tryck på 4 MPa och ha en inloppstemperatur på 70°C och en utloppstemperatur på 120°C [26] .
PlasmavärmesystemFör att tritiumkärnor ska gå in i en fusionsreaktion med deuteriumkärnor måste de övervinna ömsesidig elektrostatisk repulsion - Coulomb-barriären . I ITER termonukleära reaktorn värms tritium till mycket höga temperaturer ~1,5·10 8 K för detta , vilket är ungefär tio gånger högre än i solens kärna (~1,6·10 7 K). Vid en så hög temperatur blir kärnornas kinetiska energi tillräcklig för att Coulomb-barriären ska övervinnas och den termonukleära reaktionen "antändes". Efter antändningen av fusionsreaktionen antas det att det kommer att vara möjligt att stänga av de externa plasmavärmarna eller minska deras effekt. Den termonukleära reaktionen förväntas bli självförsörjande.
ITER tokamak använder tre system för att värma plasman: två högfrekvensvärmare (ECRH och ICRH) och en neutral atominjektor. Dessutom kan den centrala solenoiden också användas för att värma plasman. Genom att höja spänningen i solenoiden från noll till 30 kilovolt är det möjligt att inducera en elektrisk ström i en kortsluten plasmaspole. Tillskottsvärme frigörs på grund av ohmsk uppvärmning. Denna uppvärmningsmetod kallas induktion.
Elektroncyklotron resonansvärmare ECRHECRH-systemet (Electron Cyclotron Resonance Heating) värmer elektronerna i plasmatråden och används också för att avlägsna värme på specifika platser i plasman som en mekanism för att minimera uppbyggnaden av vissa instabiliteter som leder till plasmakylning. Den fungerar som en plasma "starter" i början av skottet, och värmer upp den neutrala gasen som fyller vakuumkammaren. Som energikällor användes gyrotroner , var och en med en effekt på 1 MW, en arbetsfrekvens på 170 GHz och en pulslängd på mer än 500 s. Det finns totalt 24 gyrotroner. De är placerade i RF Heating Building och överför sin energi genom vågledare, vars längd är 160 m. Japan, Ryssland, Europa och Indien är engagerade i produktionen av gyrotroner. I slutet av februari 2015 demonstrerade Japan den första producerade gyrotronen. Alla gyrotroner kommer att levereras till ITER i början av 2018 [27] . Fönster gjorda av polykristallin konstgjord diamant används för att införa energi i vakuumkammaren. Diametern på varje diamantskiva är 80 mm och tjockleken är 1,1 mm. Diamant valdes för att den är genomskinlig för mikrovågsstrålning, stark, strålningsbeständig och har en värmeledningsförmåga som är fem gånger högre än koppars. Den sista omständigheten är viktig: effekt upp till 500 MW/m² kommer att passera genom fönstret. Laboratoriet i Freiburg (Tyskland) är engagerat i produktionen av dessa kristaller. Totalt 60 diamantfönster kommer att levereras till ITER [28] .
Jon-cyklotron resonansvärmare ICRHICRH-systemet (Ion Cyclotron Resonance Heating) värmer plasmajonerna. Principen för denna uppvärmning är densamma som i en mikrovågsugn för hushåll . Plasmapartiklar under påverkan av ett högintensivt elektromagnetiskt fält med en frekvens på 40 till 55 MHz börjar oscillera och tar emot ytterligare kinetisk energi från fältet. Under kollisioner överför joner energi till andra plasmapartiklar. Systemet består av en kraftfull radiofrekvenstetrodgenerator ( som ska installeras i RF Plasma Heating Building), ett system av vågledare för energiöverföring och emitterande antenner [29] placerade inuti vakuumkammaren.
Neutral Atom InjectorInjektorn "skjuter" in i plasmakolonnen med en kraftfull stråle av deuteriumatomer som accelereras till en energi på 1 MeV. Dessa atomer, som kolliderar med plasmapartiklar, överför sin kinetiska energi till dem och värmer därigenom plasman. Eftersom det är omöjligt att sprida en neutral atom i ett elektriskt fält måste den först joniseras. Sedan accelereras jonen (i själva verket deuteriumkärnan) i cyklotronen till den energi som krävs. Nu ska den snabbrörliga jonen förvandlas tillbaka till en neutral atom. Om detta inte görs kommer jonen att avböjas av tokamakens magnetfält. Därför bör en elektron fästas vid den accelererade jonen. För avjonisering passerar jonen genom celler fyllda med gas. Här rekombinerar jonen, som fångar en elektron från gasmolekyler. Deuteriumkärnorna som inte hann rekombinera avleds av ett magnetfält till ett speciellt mål, där de saktar ner, rekombinerar och kan användas igen.
Effektkraven för ITER "atomfabriken" är så stora att denna maskin för första gången var tvungen att använda ett system som inte var tillgängligt på tidigare tokamaks . Detta är ett system av negativa joner. Vid så höga hastigheter hinner en positiv jon helt enkelt inte förvandlas till en neutral atom i gasceller. Därför används negativa joner, som fångar elektroner i en speciell radiofrekvent urladdning i deuteriumplasmamiljön, extraheras och accelereras av en hög positiv potential (1 MV i förhållande till jonkällan), och neutraliseras sedan i en gascell. De återstående laddade jonerna avleds av det elektrostatiska fältet till ett speciellt vattenkylt mål. Med en förbrukning på cirka 55 MW el kan var och en av de två neutrala atominjektorer som planeras för ITER spruta in upp till 16 MW värmeenergi i plasman.
KryostatKryostaten [30] [31] är den största komponenten i tokamak. Detta är ett skal av rostfritt stål med en volym på 16 000 m³, 29,3 m på höjden, 28,6 m i diameter och som väger 3 850 ton [32] . De återstående delarna av maskinen kommer att placeras inuti kryostaten. Kryostaten, förutom mekaniska funktioner (stödjande av tokamak-delar och deras skydd mot skador), kommer att spela rollen som en vakuum-"termos", som är en barriär mellan den yttre miljön och den inre kaviteten. För att göra detta placeras termiska skärmar på kryostatens innerväggar, kylda av en kvävekrets (80K). Kryostaten har många öppningar för åtkomst till vakuumkammaren, rörledningar i kylsystemet, kraftmatare för magnetiska system, diagnostik, fjärrmanipulator, plasmavärmesystem och andra.
Kryostaten kommer att monteras i en 5500 m² stor kryostatbyggnad, som är specialbyggd för detta ändamål. Det är mycket svårt och dyrt att leverera ett aggregat av denna storlek i sin helhet. Därför beslutades det att konstruktivt bryta kryostaten i fyra stora fragment (en pall, två cylindriska skal och ett lock). Vart och ett av dessa fragment kommer att sättas ihop från mindre segment. Det finns totalt 54 segment, Indien är engagerat i deras produktion. Sedan kommer fragmenten, efter att ha monterats i Kryostatbyggnaden, att flyttas en efter en och installeras på sin plats - i reaktorschaktet [33] .
För att minska effekten av tokamak neutronstrålning på miljön kommer kryostaten att omges av en "filt" av speciell betong, som kallas "bioskydd" (BioShield). Tjockleken på bioskyddet ovanför kryostaten kommer att vara 2 m.
Kryostatbrickan kommer att vila på avsatser av extra tät armerad betong (3,9 t/m³ istället för 2,5 för konventionell betong) bildade på platta B2. Dessa utsprång på ITER-webbplatsen kallas "krona" (" krona "). Armaturen av kronelementen har en mycket komplex layout; för beredning av betong kommer grus som bryts i Lappland (Sverige, Kiruna) [34] att användas . För att minska påfrestningarna förknippade med tokamak-vibrationer och temperaturförändringar i kryostatens dimensioner, kommer 18 kullager, vart och ett av 120 × 120 × 50 cm i storlek, att placeras mellan kryostatbrickan och "kronan".
CODAC (Control, Data Access and Communication) är det huvudsakliga styrsystemet för driften av ITER-tokamak. CODAC-personalen är en grupp experter inom olika automationsområden. Teamet samråder för närvarande med ledande institutioner och involverade företag för att fatta de bästa tekniska besluten för ITER.
Som en del av CODAC:
Organisatoriskt är hela ledningssystemet uppdelat i följande divisioner:
I&C-protokollet (Local Instrumentation and Control) utvecklades specifikt för CODAC. För närvarande har ITER-utvecklarna publicerat CODAC-handboken, som studeras av personalen.
BränslesystemBränslet för ITER-tokamak är en blandning av väteisotoper - deuterium och tritium. Lawson-kriteriet för denna typ av reaktion är m −3 s.
Till skillnad från tidigare tokamaks är ITER designad specifikt för detta bränsle.
ITER, som alla tokamak, kommer att fungera i ett pulserat läge. Först pumpas all luft och föroreningar som finns i den ut ur vakuumkammaren. Det magnetiska systemet är påslaget. Bränslet sprutas sedan in i kammaren vid lågt tryck i gasformigt tillstånd med hjälp av ett bränsleinsprutningssystem. Därefter värms deuterium-tritiumblandningen, joniseras och omvandlas till plasma.
En iskanon används för att injicera ytterligare mängder bränsle i plasmatråden. En blandning av deuterium och tritium fryses och förvandlas till granulat. Pistolen avfyrar dessa pellets i plasmakabeln med hastigheter upp till 1000 m/s. Ispistolen tjänar inte bara till att kontrollera bränslets densitet. Detta system är utformat för att motverka lokal buckling av plasmakolonnen. Dessa utbuktningar kallas Edge Localized Modes (ELM).
Vid varje aktuellt ögonblick kommer inte mer än 1 g bränsle att finnas i tokamakens vakuumkammare.
Det oförbrända bränslet, tillsammans med reaktionsprodukten helium, avjoniseras i en divertor och pumpas ut. Heliumet separeras sedan från deuterium och tritium i ett isotopseparationssystem. Deuterium och tritium kommer åter in i vakuumkammaren och bildar en sluten "DT-loop" i tokamakbränslecykeln [35] .
VakuumsystemITER-vakuumsystemet utför uppgifterna att pumpa ut produkterna från en termonukleär reaktion och föroreningar från vakuumkammaren, termiskt isolera korrigeringsspolarna från filten och vakuumkammarens kropp, samt evakuera hjälpelement som behöver det - transmission linjer av mikrovågsstrålning, injektionssystem av neutrala atomer, etc. [36] .
Mycket stränga krav ställs på vakuumsystemets system och enheter. De måste fungera under lång tid och utan fel utan möjlighet till periodiskt underhåll.
Vakuumsystemet måste ge ett djupt vakuum i vakuumkammaren och inuti kryostaten, med volymer på 1400 m³ respektive 8500 m³. Trycket inuti vakuumkammaren får inte överstiga 10 −9 normalt atmosfärstryck. Den ungefärliga tiden för vilken vakuumsystemet kan skapa detta tryck är upp till 48 timmar.
Vakuumsystemets sammansättning . Systemet inkluderar mer än fyrahundra vakuumpumpar, inklusive åtta huvudkryosorptionspumpar i vakuumkammaren och kryostaten. Vakuumpumpar kombineras till kedjor, där varje efterföljande får gas vid inloppet vid ett högre tryck än den föregående.
I det första steget av evakueringen pumpas gasen ut ur hålrummen med mekaniska, i det andra steget - med kryogena pumpar .[37] . Det är känt att mekaniska pumpar inte helt kan pumpa ut gas från någon kavitet - molekylernas medelfria vägar blir jämförbara med kavitetens dimensioner. Ämnet upphör att bete sig "som en gas" och börjar bete sig "som ett vakuum". Därför används kryogena pumpar för ytterligare avlägsnande av substansen som finns kvar i håligheten.
Enligt funktionsprincipen är en kryogen pump mycket enkel. Det är ett kärl i vilket flytande helium hälls. Kärlets yttre vägg är den "kalla väggen" av den kryogena pumpen (adsorptions-"kokosnöt"-filtret är placerat på det). Gasmolekylerna som ska avlägsnas från kaviteten som ska evakueras kommer i kontakt med pumpens kalla vägg. Samtidigt "fastnar" de på väggen och absorberas av adsorptionsfiltret. Som ett resultat av driften av en kryogen pump blir trycket i den evakuerade kaviteten flera storleksordningar lägre jämfört med den mest effektiva mekaniska pumpen.
"Kokosfilter" . En av vakuumsystemets funktioner är att avlägsna reaktionsprodukten från "förbränningszonen". Heliumet som härrör från en termonukleär reaktion måste effektivt avlägsnas. Om detta inte görs börjar helium kyla plasman på grund av strålning (och värma upp filten samtidigt). För heliumadsorption används aktivt kol, som erhålls från kokosnötskal. Experiment visar att aktivt kol från kokosnötskal är en av de mest effektiva heliumabsorbatorerna.
Kryogent systemDet kryogena systemet används för att kyla ledarna i det magnetiska Tokamak-systemet till ett supraledande tillstånd, säkerställa driften av kryogena vakuumpumpar och stödja vissa diagnostiska system.
Det kryogena systemet består av två kretsar - kväve och helium.
Kvävekretsen ger en termisk belastning på 1300 kW vid temperaturen för kokande kväve (80K). Vid kvävekretsen är huvudbelastningarna kryostatens och heliumkretsens värmesköldar. Kvävekretsen separeras från heliumkretsen av en värmeväxlare och tjänar till att extrahera värme från heliumkylvätskan.
Heliumkretsen består av tre identiska delsystem. Heliumkretsen är konstruerad för en termisk belastning på 65 kW. Samtidigt kommer den förbrukade elektriska effekten av heliumkrets kylmaskiner att vara nästan 16 MW. Heliumkretsens effekt är vald att vara mindre än den beräknade värmeavgivningen under plasmaförbränning. Inte en enda tokamak kan arbeta kontinuerligt - själva maskinens fysik innebär en serie pulser som följer efter varandra, eller, som termonukleära forskare uttryckte det, "skott". Heliumkretsen kommer att ha tid att återställa temperaturen i början av nästa skott.
Det kryogena systemet måste fungera under förhållanden med betydande värmeavgivning (från den "heta väggen" av tokamak), starka magnetfält, djupt vakuum och kraftfulla neutronflöden. Heliumlager (25 ton) lagras i flytande form (vid 4K) och gasformigt (vid 80K) i heliumtankar. För att kyla de supraledande magneterna och driva kryopumparna innehåller systemet många kryoswitchar som styr heliumflöden. Heliumkonsumenter är anslutna till kryobrytare och kylskåp genom ett system av kryolinjer, vars totala längd vid ITER är 3 km. Totalt innehåller kryosystemet 4500 element i sin specifikation.
StrömförsörjningITER kommer inte att producera el. All termisk energi som tas emot i tokamak kommer att försvinna i miljön. Men "aptiten" för denna organisations strömförsörjning är ganska betydande.
Den kontinuerliga energiförbrukningen för tokamak-system kommer att vara cirka 110 MW. Cirka 80 % av den kontinuerliga effekten kommer att förbrukas av det kryogena systemet och vattenkylningssystemet.
System som den neutrala atominjektorn, högfrekventa jon- och elektronvärmare och den centrala solenoiden kommer att fungera i ett pulserat läge, vilket orsakar ökad strömförbrukning i ögonblicket av plasmatändning. Under antändning av plasmat finns en förbrukningstopp på upp till 620 MW, under en period av cirka 30 sekunder.
ITER är anslutet till det franska industrinätet med en spänning på 400 kV. Detta kommer att kräva en kraftledning med en längd på cirka en kilometer. För interna behov kommer denna spänning att reduceras till två värden: 22 och 66 kV.
Det finns två interna strömförsörjningsnätverk.
Det första, SSEN (steady state electrical network), är ett elektriskt nätverk med konstant effekt. Det kommer att mata alla konsumenter som inte kräver toppeffekt "kast". Den består av fyra transformatorer som var och en väger 90 ton.
Det andra, PPEN (pulsed power electrical network), är ett elektriskt nätverk med variabel effekt. Detta system kommer att mata de konsumenter som kräver enorm kraft i ögonblicket för antändning av plasman. Dessa konsumenter är den centrala solenoiden, plasmavärmesystemen och övervaknings- och kontrollsystemet. PPEN-nätverket drivs av tre transformatorer som var och en väger 240 ton.
Två dieselgeneratorer kommer att installeras som ett reservkraftförsörjningssystem [38] .
VattenkylningssystemKylsystemet är i första hand utformat för att avlägsna överskottsvärme från filten och avledningsväggarna. Enligt beräkningar kommer tokamak att producera cirka 500 MW värme i genomsnitt per cykel, med en topp på mer än 1100 MW vid tidpunkten för antändningen av fusionsreaktionen. Därför kommer filtväggarna att värmas till en temperatur på cirka 240 °C och volframavledaren till 2000 °C.
Dessutom kommer delar av vissa hjälpsystem, såsom en radiofrekvensvärmare, ett kryogent system, strömbrytare, etc., att kylas.
Vattenkylningssystemet består av tre kretsar [39] :
Vatten kommer in i kyltornsbassängen med en flödeshastighet på 33 m³/s genom ett 5 kilometer långt vattenrör med en diameter på 1,6 m från Canal de Provence. Överskottsvatten från denna bassäng rinner in i fyra kontrollbassänger (var och en med en volym på 3000 m³). Vattnet i dessa bassänger kommer att övervakas för pH, frånvaron av kolväten, klorider, sulfater och tritium, samt för övertemperatur (högst 30 °C). Endast vatten som uppfyller alla kriterier som fastställts av lokala myndigheter kommer att släppas ut i Durancefloden [40] .
Lagring av hett avfallÄven om produkten av en termonukleär reaktion, helium, inte är radioaktiv, "aktiverar" energiska neutroner ändå de material som täcket och avledaren är gjorda av över tiden. Dessutom kommer tritiumkontaminerat radioaktivt damm från volfram och beryllium, som härrör från material som avdunstats från tokamaks heta vägg, att sätta sig på avledarens mål.
Hot Cell Facility är nödvändig för att tillhandahålla de nödvändiga förutsättningarna för reparation och återvinning, kassering, skärning, sortering och förpackning av komponenter som aktiveras av neutroner. Dessa operationer är planerade att utföras med hjälp av avlägsna metoder.
Dessutom kommer lagret att ha en zon (hermetiskt tillsluten kammare) för utvinning av dyrt tritium ur avfall.
Efter förpackning planeras de aktiva materialen förvaras i lager under en tid, och sedan kommer de att överföras till den franska strålsäkerhetstjänsten, där de kommer att genomgå ytterligare omhändertagande [41] .
FjärrmanipulatorDetta system möjliggör service, diagnostik och byte av filten och avledningskassetterna vid behov. Tillgång till vakuumkammarens inre hålighet (efter lanseringen) kommer att bli mycket problematisk - på grund av inducerad radioaktivitet .
Efter demontering placeras kassetten som ska bytas i en speciell transportbehållare. Denna behållare tas bort från tokamak genom låskammaren. Därefter går behållaren tillsammans med innehållet in i förvaringen av "hett" avfall (Hot Cell Facility). Här tas kassetten isär, repareras och kan användas igen för avsett ändamål.
Tokamaks stilleståndstid beror på fjärrmanipulatorns prestanda och tillförlitlighet. Den maximala lastkapaciteten för manipulatorn är 50 ton [42] .
Tritium "uppfödning" systemITER-tokamak kommer att använda två isotoper av väte, deuterium och tritium , som bränsle .
Det finns inga problem med att få deuterium på jorden. Dess relativa koncentration med avseende på väte i havsvatten är (1,55÷1,56)·10 −4 .
Men med tritium är situationen annorlunda. Dess halveringstid är något mer än 12 år, därför, i den fria formen av denna isotop på vår planet, är den extremt liten (en liten mängd tritium bildas i den övre atmosfären under påverkan av solvinden och kosmiska strålar ). I industriella mängder erhålls tritium artificiellt i kraftklyvningsreaktorer , i reaktionen av interaktionen av litium-6 (atomkoncentrationen av litium-6 i naturligt litium är ca 7,5%) med neutroner som bildas under klyvningen av urankärnor enligt till reaktionen:
I september 2014 var världslagret av tritium cirka 20 kg och konsumtionen cirka 7 kg/år.
Det förväntas att mängden tritium som erhålls från interaktionen av litium med neutronflödet som genereras i plasman från ITER-tokamak kommer att överstiga mängden tritium som förbrukas i den termonukleära reaktionen.
ITER planerar inte att producera tritium för egen konsumtion. Organisationen kommer att köpa bränsle för driften av reaktorn under alla 20 år av dess drift. Men för nästa tokamak, DEMO , kommer problemet med bränslereproduktion att vara mycket relevant. Därför kommer experiment med framställning av tritium att genomföras vid ITER.
För dessa experiment kommer en del av filtkassetterna att modifieras. Dessa kassetter kallas "Test Blanket Modules" (TBM). Litiumföreningar kommer att placeras i dessa kassetter. Tritiumet som frigörs som ett resultat av reaktionen kommer att pumpas in i transporttanken genom rör för vilka speciella portar finns i vakuumkammaren, kryostatskalet och bioskydd.
Utvecklarna kunde inte entydigt välja något system för att utvinna tritium. Därför kommer det att finnas sex av dessa system vid ITER. Alla system är strukturellt placerade i Tritium-byggnaden [43] .
ITER hänvisar till " tokamak " fusionsreaktorer. Flera typer av fusionsreaktioner kan utföras i tokamaks . Typen av reaktion beror på vilken typ av bränsle som används.
ITER-tokamak designades för DT-bränsle från allra första början. Två kärnor : deuterium och tritium smälter samman och bildar en heliumkärna ( alfapartikel ) och en högenergi neutron .
Strukturens totala radie | 10,7 m |
Höjd | 30 m |
Stor vakuumkammarradie | 6,2 m |
Vakuumkammare med liten radie | 2,0 m |
Plasmavolym | 837 m³ |
Ett magnetfält | 5,3 T |
Maximal ström i plasmatråden | 15 MA |
Plasma extern värmekraft | 73 MW |
Genomsnittlig fusionseffekt per puls | 500 MW |
Topp fusionseffekt per puls | 1100 MW |
Power Gain | tio |
medeltemperatur | 100 MK |
Pulsvaraktighet | > 400 s |
Kostnaden för projektet beräknades ursprungligen till 12 miljarder dollar. Deltagarnas andelar kommer att fördelas enligt följande:
I juli 2010 justerades kostnaden för att bygga en internationell termonukleär reaktor (ITER) och höjdes till 15 miljarder euro [46] på grund av en förändring i designen och högre materialkostnader . Därmed bör EU:s andel i projektet ökas från 4,36 miljarder euro till 5,45 miljarder.
I november 2015 flyttades slutdatumet för byggandet av ITER med ytterligare 6 år (från det tidigare planerade 2019) till 2025, och den beräknade kostnaden ökade till 19 miljarder euro [12] .
Den ryska sidan för perioden 2013-2015 kommer att investera 14,4 miljarder rubel (cirka 500 miljoner dollar) i projektet: 5,6 miljarder rubel 2013, 4,8 miljarder 2014 och 3,99 miljarder 2015 [47] .
Länder finansieras inte genom att överföra pengar, utan genom att tillhandahålla högteknologisk utrustning, vars produktion stöds och utvecklas av varje land (till exempel tillhandahåller Ryssland supraledande magneter, plasmavärmare, filtar och annan högteknologisk utrustning) [48 ] .
Den 21 november 2006, efter att representanter för de deltagande länderna undertecknat avtalet om skapandet av den internationella termonukleära experimentreaktorn (ITER), blev Interim ITER Council (IIC - Interim ITER Council) det högsta styrande organet för ITER. Kaname Ikeda , som tidigare innehade positionen som biträdande minister för vetenskap och teknologi i Japan [49] , valdes till ordförande för det provisoriska rådet .
Den 27 november 2007 skapades ITER-rådet (IC - ITER-rådet) - det permanenta högsta organet för projektledningen. Kaname Ikeda valdes att vara generaldirektör för ITER [50] .
Det styrande organet är ITER-rådet (ITER-rådet), som beslutar om staters deltagande i projektet, om personalfrågor, administrativa regler och budgetutgifter [51] .
Sedan 1 januari 2016 har Won Namkung ( Korea ) varit ordförande för ITER-rådet och ersatt Robert Iotti ( USA ) [52] . Från 2010 till 2012 var Evgeny Pavlovich Velikhov ordförande för ITER-rådet [53] .
Den 28 juli 2010 utsågs Osamu Motojima till generaldirektör för ITER -rådet [54] . Den 5 mars 2015 ersatte Bernard Bigot från Frankrike Osamu Motojima som General Manager.
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
Foto, video och ljud | ||||
Ordböcker och uppslagsverk | ||||
|
Experimentella installationer av termonukleär fusion | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Plasmamagnetisk inneslutning |
| ||||||||||||||||
Tröghetskontrollerad termonukleär fusion |
| ||||||||||||||||
International Fusion Materials |