ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IV, брой 7, 2012

Експерименталният термоядрен реактор ITER

Част IV: Изграждане

Експерименталният термоядрен реактор ITER

снимка ITER

Организацията на ITER влезе във важен етап от три годишната си история през юли 2010 г., когато започна строителството на научните сгради и съоръженията, в които ще се провеждат експериментите. На издигната платформа от 42 хектара в Кадараш булдозери, бетоновози и кранове работят от изгрев до залез. Приблизително 500 строителни работници работят на платформата на ITER, при най-високата строителна активност през 2014 - 2015 г., този брой ще нарасне до 3000.

Като водещ партньор на проекта, Европейската вътрешна агенция за енергия от ядрен синтез носи отговорност за финансовото участие и техническия надзор, свързани с изграждането на 39 научни сгради и специализирани зони на платформата на ITER. Комплексът на токамака ще бъде сред първите завършени сгради, от 2014 – 2018г, учени и инженери постепенно ще изграждат, монтират и тестват ITER. Пускането в експлоатация ще последва, след като се провери, че всички системи функционират заедно и се подготви машината за работа. След девет години през ноември 2020г., инсталацията ITER ще бъде готова за работа.

Успешното изграждане и монтаж на над 1 милион части, построени в заводите на членовете на ITER по целия свят и на обекта в Кадараш, представлява огромно логистично и инженерно предизвикателство. Монтажната работна сила, както на ITER, така и на вътрешните агенции, ще достигне 2000 души в разгара на монтажни дейности през 2017г. В офисите на ITER по целия свят, точната последователност на монтажните процеси внимателно се организира и координира, започвайки с пристигането на първите компоненти на обекта през 2013 г.

Навиване на място на най-големите магнити
Приспособлението за навиване на полоидалните бобини ще извършва монтаж на полоидалните намотки, които са част от магнитната система за ограничаване на ITER. С диаметър от 8 до 24m, пет от шестте полоидални намотки са твърде големи, за да бъдат транспортирани в завършен вид. За тях, доставчиците ще доставят ниобий - титаниев проводник за приспособлението за навиване на полоидалните бобини на място и монтажни работи.

Приспособлението за навиване ще разполага с докинг станции за разтоварване и временно поставяне на свръхпроводящите бобини, производствени зони, съответстващи на последователните стъпки на процеса на навиване и сглобяване, както и сервизни помещения. Два мостови крана ще работят от двата противоположни края на сградата, за да манипулират и транспортират тежките товари. Метална облицовка на сградата, състояща се от пет слоя метални листове и изолация, ще изолира работното пространство на полоидалната намотка от праха на платформата, където чистотата е приоритет.

Френският консорциум Spie Batignolles, Omega Concept и Setec е избран от Европейската вътрешна агенция (F4E) за проектиране и изграждане на съоръжението. Изграждането на тази конструкция от бетон и стомана започна през август 2010 г. и е завършена през декември 2011 г.

Предаването на приспособлението за навиване на полоидалните бобини от строителите на Европейската вътрешна агенция се проведе през януари 2012. След избор от F4E на производителя на бобината, сградата ще бъде оборудвана навреме, за да започнат първите операции по навиване в края на 2012 г.

Централният офис на ITER
Разположен точно под платформата на ITER, централния офис на ITER във формата на крило ще включва офиси за 500 души, зали за срещи, заседателна зала, аудитория, библиотека и столова. Пешеходен мост ще свързва първия етаж на централния офис с контролната зала на ITER, която ще се намира на едно ниво по-долу от платформата за изграждане на проекта. Тридесет метровият мост ще се превърне в тунел, когато достигне платформата, осигуряваща директен пешеходен достъп до изследователските съоръжения.

Новаторският дизайн на централния офис е замислен от местните архитекти Ричоти и Бономе, които са проектирали също международния институт Provence-Alpes-Cote d'Azur в Маноск, който е завършен през 2010г. Изграждането на централния офис на ITER е финансиран от Европейската вътрешна агенцията, F4E и Франция, като страна домакин.

По цялото протежение на 165m от северозападната фасада на централния офис, вертикални сенници ще създадат поразителен визуален ефект; тези летви ще осигурят защита от слънцето и ще създават впечатление за вълнообразен външен воал, увеличавайки интеграцията на сградата с пейзажа. Изработени от високо устойчив бетон, сенниците ще осигуряват здравина на конструкцията на сградата.

Изграждането на 20 500м2 сграда започна през август 2010 г. Пет етажната постройка, едно ниво сутерен и четири етажа, вече е издигната и продължава работата по вътрешното обзавеждане.

Строителството също напредва добре за две съседни сгради: малка постройка за медицинския център на ITER и контролно-пропускателен пункт за достъп до изследователския център, както и сграда за свободен достъп, намираща се в близост до обществения вход към ITER.

Изкопни работи за токамак комплекса
Качеството на скалната основа на платформата от 42 хектара определя точното местоположение на 360000 тонният комплекс на токамака, сърцето на проекта ITER, където ще се провеждат физични експерименти след 2019г. Комплексът ще включва токамак, сгради за диагностика и тритий.

Токамак комплекса ще се намира в сеизмично изолирана шахта дълбока 17 метра, като за бетонната основа и 493 сеизмични подложки в платформата на ITER е изкопана кухина с размери 90х130m, която ще защитава сградите и оборудването от движение на земята в случай на сеизмично събитие. Трите сгради на токамак комплекса ще споделят една основа, която има монолитна структура, избягвайки относително изместване на процесните тръби, преминаващи през сградите.

Изкопните работи за премахване на 210 000m3 почва и скали, където ще се намира сеизмично изолираната шахта, започнаха през август 2010г. След изкопаване на 17m, инженерите проведоха пробно пробиване и радарни проучвания за установяване на подробна карта на скритата твърда земя. Открити и проучени са няколко малки кухини ("карст"), след това са разширени и запълнени с бетон. Инженерите използват данните от изследването, за да проверят предположенията, използвани при проектирането на токамак комплекса, преди изграждане на крайния структурен строеж.

Финалната фаза на изкопа за сеизмично изолираната шахта включва смилане на скалата, с цел постигане на идеално равна повърхност, върху която да се постави "ослепителен" слой бетон.

Основите на токамак комплекса
Стоманобетонните основи на токамак комплекса ще изолират сградите за токамак, диагностика и тритий от околните скали, върху които те са построени и ще ги защитават от въздействието на възможна сеизмична активност.

Първото ниво на армировката е с дебелина 1,5m, което вече напълно покрива пода на сеизмично изолираната шахта.

Работата продължава с оформянето на 493 бетонни плинта на върха на тази основа: това са колони с височина 1,7м, които ще бъдат гарнирани с противоземетръсни лагери. Гъвкавата структура на тези лагери, направени от редуващи се слоеве от метал и гума е в състояние да филтрира и поглъща ускоренията, свързани с движението на земята. Тъй като пода на токамак комплекса ще лежи отгоре на тези плинтове, височината на всеки плинт се проверява прецизно: всеки плинт трябва да носи еднакво количество товар.

Подпорните стени на комплекса ще покрият напълно каменното лице на сеизмичната шахта. Един метър и половина дебели в основата си, те са заострени до 0,5m от върха на 15m височина. Като цяло, основата на сеизмичната шахта, стоманобетонните стени и основата на токамак комплекса ще изискват леене на около 100000 тона бетон. Специален завод за дозиране с две смесителни машини и осем резервоара е построен върху платформата на ITER, за да се ограничи транспорта в областта на строителната площадка и за подсигуряване на доставките.

До началото на януари 2012г., сеизмичната подложка бе завършена като са отлети 385 бетонни колони и са инсталирани 223 сеизмични лагера. Работниците завършиха подпорните стени през март 2012г. Работата по кофража и арматурата на основата на комплекса се извърши в началото на годината преди да започне да се налива бетона през юли (юли 2012 - октомври 2012г.). Строителни работи по трите сгради, които образуват токамак комплекса започна през тази година, а прогнозна дата за завършване е средата на 2015г.

Сгради и трасета
Системите на съоръжението ще бъдат разположени в 39 сгради и технически зони, необходими за работата на токамака ITER. Сградата на токамака ще бъде ядрото на ITER, където са планирани през ноември 2019г. да започнат експериментите с ядрения синтез. Бетонната структура ще бъде армирана, шест етажна с височина 73m (13m под нивото на платформата и 60m над нея). Предварителното сглобяване на компонентите на токамака ще се проведе в съседната сграда за монтаж. Другите помощни сгради в близост до сградата на токамака ще включват охладителни кули, електрически инсталации, контролна зала, съоръжения за управление на отпадъците и криогенна инсталация, която ще осигурява течен хелий за охлаждане на магнитите.

Идейният проект на тези сгради е завършен от организацията ITER през 2010г. преди подписването на най - голямото споразумение по възлагане на поръчки, на стойност 537 милиона евро. Този важен подпис отваря пътя към изграждане на ITER.

Европейският консорциум ENGAGE (Assystem, Франция; Atkins, Великобритания; Empresados Agrupados, Испания и Iosis, Франция) беше избран от Европейската вътрешна агенция като архитект/инженер, с отговорност за завършване на строителния проект за всички сгради, прилежащата инфраструктура и електрозахранването, както и мониторинг на строителната дейност. ENGAGE съдейства на F4E за следващите осем години при изграждането на ITER. По време на най-голямата проектантска дейност, повече от 230 инженери и проектанти се очаква да работят по този договор.

Европейската вътрешна агенцията също така сключи договор през 2010г. за опазване на здравето и безопасността с френската фирма Apave, която ще направи преглед на проекта по време на идейната фаза по отношение на въпроси, свързани със здравето и безопасността, установявайки план за здраве и безопасност, изискван от френските закони и следят работата по време на строителната фаза.

Транспорт на компонентите
Седем члена на ITER (34 държави) ще си поделят отговорността за изграждането на машината и съоръженията. По време на преговорите, които предшестваха подписването на споразумението за ITER, бе решено оригинално разпределение на поръчките между членовете - приблизително 45,5% за Европа и 9,1% за Китай, Индия, Япония, Корея, Русия и Съединените щати. Деветдесет процента от участията ще бъдат доставени "в натура", което означава, че на мястото на паричните средства, членовете ще доставят компоненти за ITER токамака, инсталационните системи, прилежащата инфраструктура и сгради директно на организацията ITER.

С изключение на сградите, участия в натура за ITER ще бъдат изпратени от дестинации по цялото земно кълбо в Кадараш, Франция. Организацията ITER и всички вътрешни агенции ще работят с глобален доставчик на логистични услуги LSP за транспортни, логистични и застрахователни нужди, свързани с тези доставки .

Рамковият договор с LSP ще покрива всички необходими транспортни и застрахователни услуги, започвайки с фабриката на всеки доставчик, продължавайки през доставката до крайното местоположение. В рамките на обхвата на договора са предвидени всички видове транспорт, включително превоз на товари през океана, по въздух, с автомобилен и железопътен транспорт, по река/канал. Значителен брой от трудно повдигащи се и с изключителен размер товари ще трябва да бъдат преместени от всяка вътрешна агенция за доставка до ITER.

Доставчикът LSP ще създаде централен екип, който да докладва на организацията ITER, както и на представителите във всяка държава-член, за да съблюдават управлението и проследяването на товарите. Всеки аспект от транспортирането на компонентите, включително междинното съхранение, обработката, окончателното качване, както и застраховането и митническото управление, ще бъдат обработвани от доставчика на логистични услуги.

За всички компоненти, изпратени чрез местните агенции, Европейската вътрешна агенция като част от ангажиментите си към проекта ITER, ще предостави транспортни услуги до местоположението на ITER от средиземноморското пристанище Fos-sur-Mer или в случай на въздушен транспорт от летището в Марсилия. До тези точки разноските за транспорт са за сметка на всяка изпращаща вътрешна агенция.

Първите компоненти на ITER се очакват през 2013г. Големите резервоари за отводняване за сутерена на Токамак ще пристигнат първи, последвани от елементи на криостата - голяма конструкция от неръждаема стоманена, която напълно ще обгражда вакуумирания съд и свръхпроводящите магнити. Между 2015г. и 2017г. ще бъдат изпратени най-големите компоненти - 9 сектора на вакуумирания съд от Европа и Корея, както и 18 тороидални бобини от Европа и Япония.

Рамковият договор на LSP ще улесни сложната логистика на доставката на компонентите от целия свят и ще даде възможност на проекта ITER да гарантира тяхното безопасно пристигане на място.

Маршрутът до ITER
Най-големите и най-тежки товари, изпратени от седемте члена, ще пристигнат във френското пристанище Fos-sur-Mer на Средиземно море, а от там те ще прекосят езерото в Berre до пристанище La Pointe, където кея е адаптиран специално за получаването им. След това, изключителен конвой ще транспортира товарите по специален маршрут до ITER в Кадараш.

Между 2008г. и 2011г. са извършени мащабни обществени работи от Франция, като приемаща държава по протежение на 104км от маршрута до ITER разширява пътищата, укрепва мостовете и променя кръстовищата в подготовка за изключителния размер и тегло на някои от компонентите на токамака. Разходите за тези пътни работи, на стойност 110 млн. евро, бяха поделени между отдел Bouches-du-Rhоne на съвета (66%) и френската държава (34%).

Размерите на най-големите конвои, които ще пътуват по маршрута до ITER са внушителни: най-тежкия ще бъде около 900 тона, включително и теглото на транспортното средство, най-високия ще бъде 10,6m, най-дългия 61m, а най - широкия 9m като тези максимални размери няма да бъдат постигнати едновременно.

Пристигането на товарите е програмирано според монтажа на токамака ITER и графика за инсталацията: първите конвои ще носят елементи, необходими за най-ниските нива на машината и за първите помощни сгради. През 2012 г. са организирани тестови конвои от LSP, за да се провери маршрута до ITER и оперативната логистика преди пристигането на първите компоненти през 2013г.

Сглобяване на машината
Организацията ITER носи цялостната отговорност за успешното интегриране и монтаж на компонентите, доставени на място от седемте члена на ITER. Това включва сглобяване на токамака с неговите около един милион компоненти, както и паралелната инсталация и интеграция на инсталационните системи, като вода за охлаждане, получаване на ниски температури, горивен цикъл и нагряване.

Компонентите, предоставени от членовете на ITER "в натура" ще бъдат сглобени на място в предварително определени последователности. Първите произведени компоненти ще бъдат доставени на място в ITER през 2013г., от този момент до въвеждане в експлоатация на токамака през 2019г., реда и сроковете на събитията за монтаж са планирани внимателно в график за сглобяване, който съдържа 18000 реда. За операциите по сглобяване ще са необходими 1,5 милиона човекочаса, които се простират в продължение на период от 4 години.

Инженерно и логистично предизвикателство
Тридесет метра в диаметър и почти толкова във височина, токамака ще съдържа голям брой подсистеми и компоненти. Размерът и теглото на основните компоненти, малките толеранси и внимателното боравене, необходими за сглобяването на огромните и уникални системи, разнообразието от производители, стегнат график, всички тези елементи се комбинират, за да се създаде ITER като инженерингово и логистично предизвикателство в огромни размери.

Основните монтажни дейности ще се извършват в сградата на токамака, където устройството ще бъде инсталирано в частично вграден бетонен биощит. За продължителността на монтажните дейности, сградата на токамака ще работи като "чиста зона" и ще се поддържа с постоянна температура, за да се избегнат промени в размерите на най-големите компоненти.

Сглобяването на токамака ще се извършва "отдолу-нагоре". Започвайки с основната секция на криостата, един от най-големите и най-тежки компоненти на машината. Монтажните операции ще продължат с по-долните компоненти на криостата, девет големи, монтирани под 40° сектори, съставени от сектор на вакуумирания съд, обграждащи термични екрани, както и две тороидални бобини и накрая компонентите в горната част на машината.

Точното подреждане на компонентите на магнитната система и компонентите в съда е от съществено значение за успешното функциониране на машината. С оглед на последователностите на сглобяване са планирани и ще се използват интелигентни оптични техники в областта на метрологията на всяка стъпка от процеса на сглобяване. Контролът на размерите ще бъде от решаващо значение, за да се гарантира, че толерансите се спазват и се записва състоянието на машината, което ще бъде сравнявано директно с CAD моделите на ITER с цел да се коригират евентуални отклонения при подравняването преди те да се натрупат.

Специализирани инструменти
За да може успешно да се поставят стотиците много големи компоненти на токамака в правилната позиция, в момента са в процес на изграждане много точни, направени по поръчка инструменти.

Системата за повдигане ще се състои от чифт независими мостови крана, монтирани върху релси, които работят по цялата дължина на токамак и залите за сглобяване, за да се образува непрекъснат просвет за крана с дължина 175m. Работейки заедно, четири 375 тонни мощни телфера ще се справят с товари до 1500 тона. Централният соленоид, магнита в центъра на машината, ще бъде най-високата от операциите по повдигане и сглобяване (18.2m). Най-тежкият единичен товар ще бъде основната секция на криостата, която тежи 1200 тона. В някои случаи, компоненти, стоящи на височина 20m и тежащи стотици тонове, ще трябва да се поставят на позиция в рамките на допустимите отклонения от 2-3mm.

Специален "скрепителен" инструмент ще окачва всеки от деветте сектора на вакуумирания съд от върха му, ще инсталира свързани топлинни екрани и ще завърта двете тороидални бобини в позиция. Стоейки на 22m височина "скрепителния" инструмент ще тежи 700 тона и ще бъде в състояние да се справи с комбинирани натоварвания на 1250 тона. Тази процедура ще се повтори последователно до реализирането на деветте сглобки, които ще бъдат прехвърлени в шахтата на токамака за окончателното сглобяване на сектора. Пълната операция по сглобяването ще трае 3 месеца. Два скрепителни инструмента ще бъдат обслужвани едновременно (снабдявани от един дозавършващ инструмент), за да се оптимизират операциите по сглобяване.

Като цяло, 161 различни вида инструменти по поръчка ще се изискват за сглобяване, повдигане и накрая позициониране на изключително големите компоненти. Инструментите ще имат капацитет на натоварване, вариращ от 500 тона за "дозавършващ" инструмент, който ще обръща компонентите на вакуумирания съд от хоризонтално положение във вертикално, до 1500 тона за тежки инструменти за повдигане, които се използват за повдигане на сглобените сектори в шахтата на Токамак за окончателен монтаж и заваряване. Там, най-големият специално направен инструмент, инструмент за монтаж в шахтата, ще хване всичките девет сектора (3800 тона) с цел подравняване на структурата на съда.

След основният монтаж и подравняването на вакуумирания съд, следва втората фаза на сглобяване, инсталация на компонентите в съда, която може да продължи със специализираните устройства за дистанционно манипулиране.