 |
||
|
Виталий Красильников: ITER и его диагностики AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 03.10.2019 XVIII Всероссийская конференция "Диагностика высокотемпературной плазмы" прошла 11-13 сентября 2019 года в Красной Пахре. На вопросы корреспондентов AtomInfo.Ru ответил участник конференции Виталий КРАСИЛЬНИКОВ, инженер-физик, курирующий разработку нейтронных диагностик для международного термоядерного экспериментального реактора ITER. ПРОДОЛЖЕНИЕ ПОСЛЕ ФОТО Виталий Красильников, фото из личного архива  Особенности проекта Виталий Анатольевич, как организована работа по проектированию систем диагностики для реактора ITER? Проект ITER создаётся семью партнёрами. Стандартная схема взаимодействия следующая. Центральная команда, где работаю я, разрабатывает концептуальный дизайн диагностики, обозначает что и в каких рамках диагностика будет измерять, на каких принципах она будет построена, где будет располагаться и какие к ней требования по ядерной безопасности, пожароустойчивости и так далее. Затем разработка передаётся в домашние агентства через подписание Соглашения о Поставке и уже домашняя команда - будь это Европа, Россия или, например, Япония - занимается разработкой детального проекта диагностики, а мы в центральной команде курируем эти работы, проверяем предлагаемые домашними агентствами проектные решения, принимаем их или, если потребуется, выдаём советы и предлагаем необходимые исправления. Какие виды диагностик существуют в проекте ITER? Диагностических систем в ITER будет более 50. Их можно разделить на такие подгруппы, как магнитные, нейтронные, оптические, болометрические, спектроскопические, микроволновые и корпускулярные. Ключевые измеряемые параметры - это ток плазмы, форма и положение плазменного шнура, профили температуры, плотности и давления, а также, конечно, термоядерная мощность и профиль нейтронного выхода, ну и, например, параметры примесного состава плазмы или состояние первой стенки. Всего измеряемых параметров плазмы ITER более сотни. Что такое корпускулярная диагностика? Самый яркий представитель этого класса - это система neutral particle analyzers (NPA). С помощью этого вида диагностики измеряются потоки атомов перезарядки, покидающих плазму. Она разрабатывается в Санкт-Петербурге. Атомы перезарядки - это ионы плазмы, которые так или иначе получили электрон, тем самым нейтрализовались и более не удерживаются магнитным полем. Поэтому они способны покинуть плазму. По их потоку и по форме их спектра можно сделать выводы о температуре и плотности плазмы, о её топливном составе (соотношении дейтерия и трития на разных магнитных поверхностях в плазме). В проекте ITER будут два анализатора частиц - HENPA на диапазон высокой энергии и LENPA на диапазон низкой энергии. Вы упомянули измерения температуры плазмы. Какими ещё методами возможно её измерение? Ведь в плазму зонд не введёшь... Вы абсолютно правы, в нечто с температурой в несколько сотен миллионов градусов зонд ввести можно только в одну сторону. Поэтому мы в основном измеряем всевозможное излучение плазмы - оптическое и гамма-излучение (оптические и спектроскопические диагностики), потоки атомов (это NPA), потоки нейтронов (это как раз наши нейтронные диагностики). Кстати, прозондировать плазму на самом деле можно - микроволновым излучением или лазером, например - такие диагностики на ITER тоже будут, конечно же. В чём особенности нейтронных диагностик ITER? В проекте ITER, в отличие от всех предыдущих токамаков, несколько нейтронных детекторов располагаются непосредственно внутри вакуумной камеры. Это накладывает, помимо очевидных требований по радиационной стойкости и надёжности, дополнительное требование по вакуумной совместимости. Наши детекторы будут работать в условиях сильного магнитного поля от 3 до 5 Тесла, в больших нейтронных потоках, достигающих 1012 н/(см2с). Не забывайте о тепловых нагрузках - рабочая температура у нас 100 градусов, а отжиг до 250-340 градусов Цельсия в разных точках. Подобной комбинации длительных тепловых, электромагнитных, радиационных и вакуумных нагрузок одновременно до сих пор не встречалось ни в одном токамаке или реакторе, да и вообще нигде. В этом и заключается особенность диагностик для ITER, в том числе, нейтронных. Какие детекторы используются в нейтронных диагностиках ITER? Внутри ITER это камеры деления и алмазные детекторы. На данный момент, это всё. Остальные типы детекторов не удовлетворяют нашим требованиям. Вне вакуумной камеры ITER ещё будут применяться сцинтилляторы, а также времяпролётные спектрометры и спектрометр протонов отдачи. Не сгорят ли камеры деления в ваших больших потоках? Нет, механически камеры деления очень надёжны. А вот их чувствительность зависит от количества урана в камерах. Для разрядов с разной мощностью мы используем измерения различных камер. Есть камеры, содержащие до двух грамм урана, а есть камеры с количеством урана в сотые доли грамма. Некоторые камеры большие - размером с крупный термос, и расположены они будут на некотором расстоянии от токамака, а есть камеры размером с две шариковые ручки - такие будут располагаться максимально близко к плазме внутри камеры для минимизации влияния рассеяных нейтронов на измерения.. Вы выбираете стандартное детекторное оборудование, имеющееся на рынке, или сами делаете детекторы под себя, под свои требования? И детекторы, и так называемая передняя (front-end) электроника (например, предусилители) разрабатываются специально под условия ITER. Более того, нам приходится заказывать специальные разработки и значительной части back-end электроники - например, радстойкие усилители, АЦП со сверхбыстрой обработкой сигналов, способные переработать потоки данных, генерируемые диагностиками ITER. Проверки и модели Как проходит проверка ваших систем? Проверка обязательная и многоуровневая. На финальных стадиях проектирования для ключевых компонентов изготавливаются прототипы и подвергаются ожидаемым нагрузкам - от тепловых и вибрационных до радиационных. Сначала проверяется каждый компонент отдельно, затем по мере готовности проверяется их сборка. Перед отправкой каждый компонент ещё раз проверяется до упаковки. Следующая проверка проходит на площадке при приёмке оборудования - это так называемые site acceptance tests. В их ходе вновь контролируется заявленная работоспособность компонентов по отдельности и их сборки - исключаются возможные повреждения при транспортировке. Каким образом вы моделируете ваши системы расчётным путём? Этот процесс мы называем созданием Синтетической диагностики. Это виртуальная модель диагностики - компьютерный код, позволяющий максимально подробно описывать наши системы. В модели присутствуют плазма, детекторы, учтены функции отклика и другие характеристики, все эффекты, связанные с вакуумными переходниками, шумы, наводящиеся от кабелей с их реальными длинами, пропускная способность АЦП... Учитывается огромное число параметров, в конечном итоге модель доходит до выдаваемого сигнала. Далее сигнал обрабатывается соответствующими кодами, и на выходе мы получаем картинку, которую сравниваем с тем, что изначально было заложено в модели в описании плазмы. Таким образом мы расчётным путём проверяем правильность наших моделей обработки сигналов и допустимость используемых в системах диагностики компонентов. Вы можете сейчас сказать, какого порядка будет влияние всех наводок на итоговые сигналы? Это зависит от конкретных систем и условий. Мы считаем допустимым отношение полезного сигнала к фоновому на уровне единицы. Это фильтруется и это ещё можно обработать. Но в большинстве случаев мы всё-таки не хотим идти по краю и стараемся добиться отношения сигнал/фон порядка десятки или больше. Будет ли организован доступ к оборудованию систем нейтронной диагностики в ходе эксплуатации ITER? Например, для обслуживания, ремонта или замены? У нас есть понятие shutdown dose rate, скорость набора дозы после выключения установки. Через 12 дней в местах расположения большинства детекторных систем она должна составлять не более 100 мкЗв/ч, и тогда человек сможет зайти внутрь на короткое время и максимально быстро провести замену тех или иных компонентов. Правда, после этого он, скорее всего, как минимум год не сможет работать с радиацией. Французские требования к ядерным объектам, которым подчиняется Проект, в этой части прозрачны и очень строги, что хорошо. Есть компоненты, например детекторы, установленные внутри вакуумной камеры ITER, замена которых будет невозможна. К надёжности таких детекторов мы выдвигаем повышенные требования и они всегда дублируются как раз на случай отказа одного из них. На что сегодня ориентирована ваша работа - на первый пуск (первую плазму) или на экспериментальные программы, которые будут проводиться после пуска ITER? Мы сидим на двух стульях. С одной стороны, мы стараемся нацеливаться на ключевое достижение, то есть на выход на 500 МВт термоядерной мощности. Все основные расчёты мы выполняем для тех нагрузок, которые возникнут в установке при максимальной мощности. Однако первая плазма намного ближе по времени, и более точные технические разработки мы ведём всё-таки для условий первой плазмы. Таким образом, в долгосрочном плане мы работаем на финальный эксперимент (выход на 500 МВт), но одновременно мы должны подготовить наши диагностики до болтов и винтиков к 2025 году, когда запланирована первая плазма. Насколько ваши работы, которыми вы занимаетесь в проекте ITER, будут востребованы в российской национальной термоядерной программе? Несомненно, все технологии, которые разрабатываются для ITER - а это передовые и уникальные технологии! - найдут своё применение в будущих проектах. Я напомню, что ITER - это экспериментальный проект, в котором ведётся апробация технологий для будущих домашних программ стран-участниц. Партнёры делают вклад в размере 9%, а получают 100% результатов. Все наработки, весь опыт, все технологии, созданные в ходе строительства ITER и все плазма-физические результаты экспериментальных кампаний есть и будут доступны и бесценны для Российской национальной термоядерной программы. У нас есть для неё все задатки, и я уверен, что системы диагностик, которые мы разрабатываем для ITER, будут в российской программе востребованы. Спасибо, Виталий Анатольевич, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.
Ключевые слова: Синтез, ITER, КИПиА, Интервью, Статьи Другие новости: Предварительно определены сроки первых частичных перегрузок для трёх блоков с AP-1000 в Китае По "Sanmen-2" данных нет. Правительство в 2020-2022 гг намерено вложить 340 млрд руб в развитие атомного комплекса России Это следует из материалов к проекту бюджета. "Westinghouse" будет сотрудничать с EDF в области малых модульных реакторов Дорожная карта сотрудничества будет утверждена в начале 2020 года. |
Герой дня 
Несмотря на все стоящие перед атомом проблемы, Чжэн Мингуан уверен, что у атомной энергетики в мировом масштабе есть будущее. Он объясняет это тем, что энергопотребление на Земле будет неуклонно возрастать. В частности, он привёл следующую оценку - к 2050 году потребление энергии в мире увеличится как минимум вдвое по сравнению с сегодняшним уровнем. ИНТЕРВЬЮ
Янко Янев МНЕНИЕ
AtomInfo.Ru 
|