Стройплощадка ИТЭР с воздуха
Стройплощадка ИТЭР с воздуха

В исследовательском центре ядерной энергетики Кадараш, расположенном на юге Франции, ведется работа над реализацией грандиозного замысла. Международный экспериментальный термоядерный реактор ITER (ИТЭР; англ. International Thermonuclear Experimental Reactor) должен по примеру солнца вырабатывать энергию за счет термоядерной реакции и, таким образом, обеспечить удовлетворение энергетических потребностей человечества. Самой большой проблемой является высокая температура внутри реактора. При его охлаждении главную роль играет крупнейшая в мире система рекуперации гелия, созданная по технологии компании Sauer Compressors.

Термоядерный реактор ИТЭР является совместным международным проектом, над которым работают страны Евросоюза, США, Россия, Китай, Япония, Южная Корея и Индия. В 2020 году должна начаться эксплуатация с целью использования в земных условиях термоядерной реакции, подобной той, которая является источником энергии на солнце. В ходе этой реакции два изотопа водорода – дейтерий и тритий – сливаются при чрезвычайно высокой температуре и переходят в состояние плазмы. Во время этого процесса выделяется огромное количество энергии. Исследователи рассчитывают получить неисчерпаемый источник энергии, который помимо всего прочего абсолютно безвреден и безопасен. Принцип уже испробован. Однако до сих пор для подогрева плазмы до температуры воспламенения, что составляет около 100 миллионов градусов Цельсия, использовалось больше энергии, чем впоследствии удавалось получить в результате синтеза.

Экспериментальный реактор ИТЭР относится к термоядерным реакторам типа «токамак» и по своему объему (а это 840 кубических метров) значительно больше всех предыдущих установок с такой же конструкцией.

С помощью этого реактора должно вырабатываться в десять раз больше энергии, чем необходимо для воспламенения плазмы. Из-за высокой температуры для удержания термоядерной плазмы невозможно использовать реальные сосуды. Вместо этого для термоизоляции и удержания топлива на некотором расстоянии от стенок сосуда используются гигантские магнитные поля.

Минимизация расхода гелия

Сверхпроводящие магнитные катушки, которые создают необходимое магнитное поле, охлаждаются под высоким давлением и при температуре на входе 4,5 К большим количеством гелия. Однако в силу своей особой диффузионной способности этот инертный газ является достаточно непростой охлаждающей средой. Атом гелия имеет очень маленький диаметр и может проникать через мельчайшие отверстия и поры в металлах и резьбовых соединениях. Поскольку это очень дорогой газ, потери в результате его улетучивания и утечки необходимо поддерживать на минимальном уровне. Поэтому проектировщикам термоядерного реактора ИТЭР понадобилась установка для рекуперации газа, испаряющегося при охлаждении. Дополнительная система должна была сжимать гелий, выделяющийся вследствие утечек в гелиевом контуре. Sauer Compressors стала единственной в мире компанией, которая была в состоянии выполнить высокие требования проекта. В монтажном цеху французской компании Girodin-Sauer SAS специалисты объединили две системы, изготовленные и протестированные в Киле, в комплексную установку, которая состоит из пяти гелиевых компрессоров на четырехсекционной опорной раме площадью 8×8 м и является крупнейшей системой такого рода. Затем вся газонепроницаемая установка для рекуперации с трубопроводами из высококачественной стали была поставлена заказчику – компании Air Liquide.

Полностью смонтированная установка для рекуперации гелия в цехе компании Girodin-Sauer SAS
Полностью смонтированная установка для рекуперации гелия в цехе компании Girodin-Sauer SAS

Монтаж в термоядерный реактор ИТЭР осуществляется с лета 2017 г.

Рекуперация гелия с помощью специальных компрессоров

Установка для рекуперации собирает уже использованный для охлаждения гелий в десять баллонов вместимостью по 100 м3. Затем четыре гелиевых компрессора

Sauer типа WP6305 BasSealHe-B обеспечивают повторное сжатие. Компактные поршневые компрессоры с двумя ступенями сжатия и шестью цилиндрами были разработаны компанией Sauer Compressors специально для этих целей. Они создают конечное давление в 22 бар (изб.) при объемном расходе 535 м3/ч, практически не создавая шума и вибраций. Встроенная система водяного охлаждения позволяет напрямую охлаждать цилиндры и их клапаны (охлаждение отдельных цилиндров, а также охлаждение между ступенями). Помимо всего прочего, они оснащены уникальным двойным уплотнением вала, газонепроницаемыми предохранительными клапанами и системой возврата газа из сепараторов.

Гелиевые компрессоры типа WP6305 BasSealHe-B разработаны компанией Sauer Compressors специально для проекта ИТЭР
Гелиевые компрессоры типа WP6305 BasSealHe-B разработаны компанией Sauer Compressors специально для проекта ИТЭР

Модуль рекуперации будет работать в термоядерном реакторе ИТЭР примерно 4 ч в день. В обычном режиме его производительность составит 1 г гелия в 1 с. Однако система рассчитана на сжатие до 100 г гелия в 1 с. Таким образом, в случае отключения термоядерного реактора весь объем гелия, который находится в данный момент в установке, может быть восстановлен. Именно по этой причине из всех компонентов установки только система рекуперации оснащена собственным источником аварийного питания. Для обеспечения транспортировки модуля установка для рекуперации гелия благодаря газонепроницаемым фланцевым соединениям разбирается на четыре части.

Статическая интенсивность утечек компрессоров составляет менее 0,1 мбар·л/с. По сравнению с оптимизированными воздушными компрессорами, которые используются для сжатия гелия, потери сокращаются в восемь раз. Показатели статической и динамической интенсивности утечек были определены и протестированы компанией Sauer Compressors в реальных условиях на специальном испытательном стенде с применением гелия. Все компоненты системы повторного сжатия, включая буферный резервуар и фильтрационную систему, произведены компанией Sauer Compressors.

Сжатие утечек в гелиевом контуре

Для сжатия утечек в гелиевом контуре установки предназначена дополнительная система от Sauer Compressors.

Сжатие утечек осуществляется с помощью компрессора типа ASSAT WP156L BasSealHe-B
Сжатие утечек осуществляется с помощью компрессора типа ASSAT WP156L BasSealHe-B

Специальный гелиевый компрессор типа PASSAT WP156L BasSealHe-B обеспечивает повторное сжатие утечек, возникающих в установленном там механическом уплотнении. Трехступенчатый поршневой компрессор с воздушным охлаждением будет работать в непрерывном режиме. Он достигает конечного давления 20,5 бар (изб.) при объемном расходе 96 м3/ч. Имея интенсивность утечек менее 0,1 мбар·л/с, этот компрессор также обладает невероятно высокой газонепроницаемостью.

Установка всей системы рекуперации гелия закончится в течение 2018 г. Термоядерный реактор ИТЭР сможет охлаждать сверхпроводящие магнитные катушки с минимальным расходом гелия и в течение длительного времени поддерживать эксплуатационные издержки на низком уровне.