Středa, Srpen 21

Jak vznikají komponenty v Jefremovově výzkumném ústavu

V rámci 25. ročníku mezinárodní konference Fusion Energy Conference pořádané v Petrohradu byla uspořádána exkurze do Jefremovova výzkumného ústavu, kde probíhá výzkum a vývoj komponent pro ITER. Tento ústav dodá supravodiče pro vinutí cívek typu PF a TF, kompletní cívky PF1 a PF6, část panelů první stěny a elektrická spínací zařízení. Práce na většině těchto zařízení jsou nyní ve fázi výroby maket a prototypů a přípravy hal pro jejich sériovou výrobu.

498f6bf2c3bf56bbb79bbf1f38d783a1
Exkurze do prezentačních prostor Jefremovova výzkumného institutu určená pro zástupce ruských i zahraničních médií. (Zdroj: Fec2014.org)

Jefremovův výzkumný ústav elektronických zařízení (známý též pod ruskou zkratkou NIIEFA: Naučno-isledovatělskij institut elektrofizičeskoj aparatury) byl založen v roce 1946 jako Speciální konstrukční kancelář a působil v ruském jaderném programu. V roce 1960 byl reorganizován na ústav vyvíjející elektronická zařízení a stal se projektantem a dodavatelem přístrojů pro ústavy zabývající se základním výzkumem, částicovou fyzikou a termojadernou fúzí. Z tohoto ústavu pochází projekty většiny velkých urychlovačů v Rusku a v zemích bývalého východního bloku, nejznámějším z nich je urychlovač v Dubně, a podobně i většina tokamaků. Od roku 1978 se tento ústav účastní mezinárodních projektů na vybudování fúzních reaktorů.

 

Cívky PF1 a PF6

Hlavní komponentou tokamaku ITER bude toroid (pneumatika s průřezem ve tvaru písmene D) obklopený různými cívkami, které budí magnetické pole udržující plazma uvnitř toroidní komory a snažící se zamezit jeho kontaktu se stěnami komory. Svislé cívky generují toroidální pole, které udržuje částice na uzavřené křivce uvnitř toroidu, a vodorovné cívky budí poloidální pole zabraňující dotyku plazmatu se stěnami komory. Kromě nich bude ve střední části tokamaku centrální solenoid a řada korekčních cívek. Na tokamaku ITER bude poloidálních cívek celkem šest a jsou označovány písmeny PF.

magnets_1
Uspořádání magnetů kolem nádoby ITERu. 6 vodorovných cívek budí poloidální pole, centrální solenoid a 18 toroidálních cívek budí pole toroidální. (Zdroj: Iter.org)

Výrobu cívek PF1 a PF6 (rozměrově shodné) má na starosti Jefremovův ústav. Pro tento účel si pronajal tovární halu v jedné z loděnic, v níž proběhne sestavení cívek z dovezených dílů. Poté budou hotové cívky naloženy na tlačný člun a přepraveny do Francie. Vnější průměr cívek bude 8,9 metru a vnitřní 6,9 metru, kompletně sestavená cívka bude vážit 193 tun. Průřez cívek PF1 a PF6 bude mít rozměry 982×1007 mm. Cívky budou navinuty ze čtvercových supravodičů vyrobených ze slitiny niobu a titanu a budou chlazeny heliem na teplotu přibližně 4 K (tj. -269 °C). Jde o dvě nejmenší poloidální cívky, takže bude možné je dopravit na staveniště již kompletně sestavené. Zbývající poloidální cívky bude nutné navinout přímo na staveništi ve speciální hale.

Výroba cívek PF1 a PF6 je zatím v rané fázi. V září proběhla výroba prvních dvou supravodivých kabelů a připravuje se zkušební sestavení makety cívky PF1 z měděných vodičů. Dále má následovat zkušební výroba makety cívky PF1 ze supravodičů a až poté proběhne výroba cívek PF1 a PF6.

DSC_0642
Maketa části cívky PF1. Skutečná cívka bude mít na výšku 1007 mm. (Foto autor)
DSC_0647
Řez maketou části cívky PF1 vyrobené prozatím z jeklů. (Foto autor)
DSC_0614
Ukázka supravodiče, z nějž budou vyrobeny poloidální cívky. (Foto autor)

 

Blanket tokamaku ITER

Uvnitř nádoby tokamaku se nachází konstrukční celek zvaný blanket. Jde o bariéru, která má chránit nádobu tokamaku před působením plazmatu, stínit záření a odvádět tepelný výkon. Neutrony, které jím prochází, jsou zpomalovány, čímž mu předávají energii, kterou z blanketu odebírá chladicí látka. Skládá se z tzv. primární stěny a divertoru, který odvádí nečistoty a nachází se ve spodní části komory. Primární stěna je tvořena nezávislými panely vyrobenými ze tří vrstev kovů, které jí dávají požadované vlastnosti. Vrchní vrstva o tloušťce 6 mm je z beryllia, druhá vrstva je kvůli vodivosti z mědi a má sílu 8 mm a poslední ocelová vrstva dosahuje tloušťky od 20 mm více podle konkrétního dílu. Prochází jí kanálky, kterými bude proudit chladicí voda. Kvůli tepelným tokům, které jsou o několik řádů větší než například u tlakové nádoby jaderného reaktoru, nebo u raketoplánu sestupujícího do atmosféry, je primární stěna velkou výzvou pro vědce, protože se s takovýmito materiálovými nároky ještě nesetkali.

blanket_1
První stěna tokamaku ITER složená z jednotlivých panelů. (Zdroj: Iter.org)
DSC_0534
Jeden z typů panelů první stěny. (Foto autor)

V Jefremově ústavu neprobíhá řezání beryllia na čtverečky kvůli jeho toxicitě, takže je dováženo nařezané z moskevského výzkumného institutu. Zbytek dílů vyrábí přímo v tomto petrohradském ústavu a svařují je výbuchem, laserem a orbitálně.

Destičky z beryllia jsou k měděnému pásku přivařovány výbuchem, což je technika používána pro navařování dvou dílů dotýkajících se plochou. Po upevnění obou dílů je na vrchním rozprostřena výbušnina, která po výbuchu způsobí rázovou vlnou velký dynamický tlak a v místě dotyku dojde k zplastizování materiálu a k trvalému spojení. Stejným způsobem probíhá svařování nerezového bloku primární stěny a měděného pásku.

Pro přesné svařování dílů je používán počítačem řízený laser, který sváří buďto díly upevněné na pracovní desce nebo vytváří orbitální svar na rotujícím pracovním stole. Tento druh svaru je vhodný pro přivaření trubek k panelům primární stěny.

Součástí ruského podílu na projektu ITER je dodání 179 panelů primární stěny, což je 40 % potřebného počtu. V současnosti probíhá výroba prototypů ve skutečném měřítku a příprava linky pro sériovou výrobu. Tři budovy jsou připravovány na zahájení výroby, které je plánované na rok 2017 a chystá se stavba čtvrté haly. Na základě prototypů nyní probíhá certifikace a ověřování požadovaných vlastností.

DSC_0479
Dodané berylliové destičky z Moskvy. (Foto autor)
DSC_0517
Detail upevnění pásku destiček k měděnému pásku, který již je navařen na blok z nerezové oceli. (Foto autor)
DSC_0520
Kompletní přípravek na upevnění berylliových destiček. (Foto autor)
DSC_0491
Hotový panel první stěny. (Foto autor)
DSC_0500
Počítačem řízený svářecí laser. (Foto autor)
DSC_0494
Obrazovka sloužící pro kontrolu svařovacího robota. (Foto autor)

 

Elektrická část

Cívkami tokamaku ITER bude protékat stejnosměrný proud v řádu desítek tisíc ampér a o napětí desítek tisíc voltů, což bude klást velké nároky na elektrická zařízení. Obvod, kterým protéká střídavý proud, je díky jeho sinusovému průběhu jednoduché rozpojit. Stejnosměrný proud ale vyžaduje složitá spínací zařízení.

Jefremovův ústav dodá na ITER stovky různých spínacích zařízení, přípojnic a vybíjecích rezistorů. Všechna zařízení jsou prozatím ve fázi výroby prototypů, které prochází testy před zahájením sériové výroby.

DSC_0539
Jedna z přípojnic, která bude přivádět proud do supravodivých cívek elektromagnetů. Podle typu elektromagnetu budou přenášet proud 45 až 68 kA a maximálně snesou 350 kA. (Foto autor)
DSC_0543
Spínač Fast Open Switch (FOS) je rychlý víceúčelový hybridní spínač skládající se z mechanických částí a tyristorů. Přes tento spínač poteče stálý proud 50 kA o napětí 1 kV. Spínač je schopen rozpojit okruh za necelé 4 ms. (Foto autor)
DSC_0545
Detail kontaktů spínače. (Foto autor)
DSC_0558
Tento přerušovač obvodu je spouštěn výbušninou a slouží k rychlému odpojení cívek v případě náhlého zhasnutí plazmatu. Zvládá stálý proud 70 kA o napětí 10 kV a obvod rozpojí za 0,3 ms. (Foto autor)
DSC_0584
Vybíjecí rezistor Fast Discharge Resistor (FDR) je určen k rychlému odvedení energie ze supravodivých cívek v případě náhlého zhasnutí plazmatu nebo jiné neplánované události. Rezistor FDR bude složen z 18 sériově zapojených rezistorů a každý z nich bude složen z dílčích modulů. Samotné moduly jsou vyrobeny ze slitiny oceli s velkým elektrickým odporem. Po vybití energie z cívek se zahřejí až na teplotu 254 °C. (Foto autor)
DSC_0576
Vodivý materiál každého dílčího modulu váží 517 kg, celý dílčí modul potom téměř dvojnásobek. (Foto autor)
DSC_0583
Spínač Extra Protective Make Switch je záložní spínač zapojený paralelně s některým z hlavních spínačů. Obvod, kterým protéká proud 60 kA o napětí 10 kV dokáže rozpojit za 1 ms. Při rozpojování dochází k velkému opotřebení kontaktů, takže je potřeba je měnit po každém použití. (Foto autor)

Vladislav Větrovec

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..