CC BY
5Организация производства центральной сборки дивертора ИТЭР
Представлено краткое описание организации производства объекта научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ — центральной сборки дивертора международного термоядерного экспериментального реактора (далее — ИТЭР), строительство которого осуществляется во Франции при участии Российской Федерации и еще 34 стран. УДК статьи 001.89
В.В. Пряников1
Акционерное общество «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» (АО НИИЭФА),
pryanikov@sintez.niiefa.spb.su
А.А. Окунев2
АО НИИЭФА
И.Ю. Родин2
АО НИИЭФА, канд. техн. наук, rodin@sintez.niiefa.spb.su
П.Ю. Чайка2
АО НИИЭФА, канд. техн. наук, chaikap@sintez.niiefa.spb.su
1 руководитель проекта ИТЭР, Санкт-Петербург, Россия
2 Санкт-Петербург, Россия
Для цитирования: Пряников В.В., Окунев А.А., Родин И.Ю., Чайка П.Ю. Организация производства центральной сборки дивертора ИТЭР // Компетентность / Competency (Russia). — 2023. — № 9-10. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-9-60-66
ключевые слова
организация и планирование производства, НИОКР, дивертор, прототип, ИТЭР
связи с тем, что непрекращающийся рост численности населения Земли в сочетании с ростом энергопотребления может привести к глобальной проблеме нехватки природных ресурсов, было принято решение о поиске новых источников энергии, к числу которых относится управляемый термоядерный синтез изотопов водорода — дейтерия и трития.
В результате при участии Международного агентства по атомной энергии в 2006 году были подписаны межправительственные соглашения о реализации проекта ИТЭР как перспективного источника энергии, строительство которого началось в 2010 году, а запуск в эксплуатацию на полную мощность анонсирован на 2035 год. Сейчас ИТЭР — это самый крупный международный проект, реализуемый в сотрудничестве с Российской Федерацией [1].
В ходе эксплуатации предполагается решить целый ряд проблем и за-
дач прикладной науки, в частности: устойчивость горения термоядерной плазмы, удержание альфа-частиц, возбуждающих разнообразные колебания и волны, эффективность ввода топлива и вывода потоков энергии и частиц, выбор и испытание энергетически стойких материалов, подвергающихся воздействию плазменных и радиационных потоков [2], но этим не ограничиваться.
ИТЭР — это комплекс технологического специального оборудования, насчитывающий около 40 различных систем, каждая из которых обеспечивает реализацию одной или более функций для успешной его работы. Изображение площадки сооружения ИТЭР в марте 2023 года представлено на рис. 1 [3].
Непосредственно управляемый термоядерный синтез будет осуществляться в вакуумной камере, состоящей из верхних патрубков, экваториальных и нижних портов, обеспечивающих до-
Рис. 1. Площадка сооружения ИТЭР (март 2023 года) [ITER construction site (March 2023)]
ступ к нагреву плазмы, ее диагностике, заправке топливом и обслуживанию внутрикамерных компонентов: бланке-та и дивертора [4].
Дивертор ИТЭР
Дивертор ИТЭР (далее — дивертор) предназначен для вывода из вакуумного объема загрязняющих частиц, образующихся в ходе разрушения элементов внутрикамер-ных компонентов при эксплуатации ИТЭР. Когда частицы, загрязняющие плазму, ударяются о поверхность вертикальных мишеней, их кинетическая энергия преобразуется в тепловую, которая отводится за счет активного водяного охлаждения. Тепловой поток, воздействующий на вертикальные мишени дивертора ИТЭР, предельно оценивается в 20 МВт/м2. Для сохранения работоспособности установки ИТЭР при работе с аналогичными тепловыми потоками в ходе международных НИОКР в качестве облицовочного материала компонентов дивертора был определен вольфрам, обладающий самой высокой температурой плавления из всех существующих металлов [5].
Другим важным компонентом ди-вертора, обращенным к плазме и облицованным вольфрамом, является центральная сборка дивертора, обеспечивающая защиту диверторной кассеты от тепловых потоков и потоков заряженных частиц, а также экранирование основной плазмы от нейтрального газа, находящегося в диверторе под повышенным, по сравнению с основной плазмой, давлением. В режиме нормальной эксплуатации ИТЭР тепловые нагрузки на центральную сборку дивер-тора составят от 5 до 10 МВт/м [6].
В структуру одной центральной сборки дивертора ИТЭР входят следующие компоненты:
1. Стальная опорная конструкция, являющаяся основой центральной сборки дивертора:
► коллектор водяного охлаждения — 3 шт.;
► магистральная труба, соединяющая коллекторы водяного охлаждения, — 1 шт.;
Сейчас ИТЭР — это самый крупный международный проект, реализуемый в сотрудничестве с Российской Федерацией
► заглушка, обеспечивающая доступ к механической обработке внутреннего пространства коллектора, — 6 шт.
2. Обращенный к плазме элемент, предназначенный для отвода тепла:
► корпус обращенного к плазме элемента (прямой и изогнутый) — 34 шт.;
► биметаллическая крышка из бронзы и нержавеющей стали (прямая и изогнутая) — 34 шт.;
► вольфрам-медная плитка (облицовка) — 1364 шт.
3. Штифт, фиксирующий обращенные к плазме элементы на коллекторах стальной опорной конструкции, — 12 шт.
4. Изогнутая трубка, соединяющая обращенный к плазме элемент и коллектор водяного охлаждения, — 68 шт.
Каждая центральная сборка дивер-тора при выходе из строя может быть изъята из вакуумной камеры и заменена на запасную.
В соответствии с межправительственным соглашением о поставках Российская Федерация за весь цикл реализации проекта ИТЭР должна осуществить организацию НИОКР, обеспечивающих опытное производство полномасштабного прототипа и постановку на производство 54 серийных центральных сборок дивертора, которые будут смонтированы в вакуумной камере для запуска и эксплуатации ИТЭР, а также 4 запасные единицы [6].
Организация и планирование производства центральных сборок дивертора
Проект ИТЭР — это квинтэссенция современных технологий, реализация которых должна проходить на высококлассных производствах, способных выдержать же-
^равка
Дивертор ИТЭР состоит из 54 кассет, конструктивно расположенных внизу вакуумной камеры. В состав каждой кассеты входит внутренняя вертикальная мишень, внешняя вертикальная мишень, центральная сборка дивертора (купол). Внутренняя и внешняя вертикальные мишени расположены на пересечении линий магнитного поля, где бомбардировка частицами ожидается особенно интенсивной
Проект ИТЭР — это квинтэссенция современных технологий, реализация которых должна проходить на высококлассных производствах, способных выдержать жесточайшую международную приемку по требованиям стандартов выше среднеевропейских или американских
сточайшую международную приемку по требованиям стандартов выше среднеевропейских или американских [2].
Для производства центральной сборки дивертора, ее компонентов и соединения входящих в их состав материалов, обладающих разными физическими свойствами, применяется сварка взрывом, вакуумная пайка, лазерная, аргонодуговая орбитальная сварка, электроэрозионная нарезка вольфрам-медных пластин, пятикоординатная механическая обработка и иные виды производственных операций [6].
Опыт производства макетов и полупрототипов компонентов центральной сборки дивертора позволил определить технологию сварки взрывом как гарантию надежного соединения хром-циркониевой бронзы и нержавеющей стали, удовлетворяющей требованиям Международной организации ИТЭР Осуществленные после такой технологии изготовления исследования (механические испытания образцов на разрыв, тепловые испытания макетов, ультразвуковой контроль биметаллического соединения) продемонстрировали непрерывность и бездефектность многослойной конструкции, которая обеспечивает надежное теплоотводя-щее соединение [7].
Вольфрам-медные плитки, изготовленные из пластин методом электроэрозионной нарезки, подвергаются быстрой пайке в специальной технологической оснастке в вакуумных печах. Тандем вольфрама и меди в таком соединении обеспечивает надежную
защиту компонентов центральной сборки дивертора от эксплуатационных нагрузок в ИТЭР [8].
Основной объем производства и не-разрушающего контроля — визуальный, капиллярный, радиографический, ультразвуковой — связан со сваркой, которая, например, используется для соединения биметаллических крышек с корпусами обращенных к плазме элементов или для соединения заглушек с коллекторами стальной опорной конструкции с глубиной сварки до 11 мм. С целью уменьшения остаточных напряжений и деформаций при сварке был определен метод лазерной сварки, обеспечивающий минимальное термическое воздействие на конструкцию в сочетании с полным проплавлением без пор. Для сравнения альтернативная технология, электронно-лучевой сварки, проигрывает в производительности лазерной вследствие потери времени на откачку вакуумной камеры. Сварка магистральных и изогнутых трубок водяного охлаждения осуществляется методом аргонодуговой орбитальной сварки.
Наиболее сложной технологической задачей стала механическая обработка стальной опорной конструкции после ее сварки. Высокие требования к точности размеров и взаимному расположению ее элементов (в пределах 50 мкм) при больших габаритах самого изделия, множество наклонных поверхностей и отверстий привели к необходимости применения пятико-ординатных обрабатывающих центров с повышенной точностью позиционирования до 7 мкм [7].
Качество получаемых соединений подтверждается методами неразруша-ющего контроля, а подтверждение соответствия требуемым характеристикам — в процессе тепловых испытаний с нагрузкой до 5 МВт/м2 в течение 5000 циклов, гидравлических испытаний под давлением 7 МПа, вакуумных испытаний гелием при температуре до 250 градусов Цельсия и давлении гелия до 4 МПа [6].
Представленные технологические операции выполняются на закуплен-
ном и введенном в эксплуатацию технологическом и испытательном оборудовании, на котором работают аттестованные специалисты, имеющие требуемую техническими документами Международной организации ИТЭР квалификацию.
Одним из этапов организации НИОКР при производстве наукоемкой (инновационной) продукции на всех этапах ее жизненного цикла является этап планирования производства [9, 10].
С целью разработки сетевого графика производства центральной сборки дивертора была проведена аналитическая работа с реестром контрактов на официальном сайте Единой информационной системы в сфере закупок на выполнение НИОКР по теме: «Разработка, опытное изготовление, испытание и подготовка к поставке специального оборудования в обеспечение выполнения российских обязательств по проекту ИТЭР» в период с 2015 по 2023 год [11].
В качестве основных плановых этапов постановки на производство были определены следующие:
► технологическая экспертиза РКД;
► разработка технологического процесса изготовления изделия;
► оценка достаточности имеющегося оборудования для получения требуемых конструктивных параметров;
► оценка достаточности имеющихся методик и средств контроля для определения требуемых характеристик изделия;
Рис. 2. Макет стальной опорной конструкции в оснастке для сварки [Layout of steel support structure in welding rig]
Рис. 3. График планирования производства [Production planning schedule]
о зада1. Название задачи Длителы-г Начало . Окончание 2015 2016 . 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 П1 | Л2 П1 ( П2 П1 П2 П1 П2 | П1 П2 П1 П2 П1 П2 П1 П2 П1 П2
4 ' Организация производства полномасштабного прототипа (ПП) центральной сборки дивертора (ЦСД) ИТЭР с целью постановки на 1
2 * ' НИОКР в рамках Государственного контракта N2 Н.4к.52.9Б.15.1032 в 2015-2016 году, включая, но не ограничиваясь работы 317 дней Чт 24.09.15 Пт 09.12.16 11 I 1ÛII
3 * Согласование, техническое сопровождение и приёмка этапов работ основных соисполнителей НИОКР по разработке, опытному изготовлению, испытанию и подготовке к поставкам специального оборудования в обеспечение выполнения российских обязательств по ИТЭР 56 дней Чт 24.09.15 Чт 10.12.15 Чт 10.12.15
5 Отработка технологических операций изготовления элементов ЦСД. 56 дней? Чт 24.09.15
* Оптимизация конструкции ПП ЦСД. 56 дней? Чт 24.09.15 Чт 10.12.15
6 * Разработка и согласование документации на ЦСД. 56 дней? Чт 24.09.15 Чт 10.12.15
7 * Подготовка методики ультразвукового контроля. 56 дней? Чт 24.09.15 Чт 10.12.15
8 * Согласование, техническое сопровождение и приёмка этапов работ основных соисполнителей НИОКР по разработке, опытному изготовлению, испытанию и подготовке к поставкам специального оборудования в обеспечение выполнения российских обязательств по ИТЭР 151 дней Пт 01.01.16 Пт 29.07.16
9 ■ Разработка технологии механической обработки элементов СОК ПП ЦСД. 151 дней Пт 01.01.16 Пт 29.07.16
10 * Подготовка технологического оборудования для изготовления элементов ЦСД. 151 дней? Пт 01.01.16 Пт 29.07.16 III D D ^
* Техническое сопровождение и приёмка этапов работ основных соисполнителей НИОКР по разработке, опытному изготовлению, испытанию и подготовке к поставкам специального оборудования 8 обеспечение выполнения российских обязательств по ИТЭР 96 дней Сб 30.07.16 Пт 09.12.16
12 13 * ■ Изготовление макета глубоких отверстий, пазов, проушин и патрубков коллекторов. Отработка технологии сварки трубок охлаждения ОПЭ с коллекторами. Изготовление элементов ПП ЦСД (1 этап). 96 дней? Сб 30.07.16 Пт 09.12.16 Пт 09.12.16 Пт 09.12.16
96 дней? Сб 30.07.16
96 дней? Сб 30.07.16
15 * Отработка технологий неразрушающего контроля. 96 дней? Сб 30.07.16 Пт 09.12.16
16 * НИОКР в рамках Государственного контракта № Н.4к.52.9Б.16.1042 в 2016 году, включая, но не ограничиваясь работы 240 дней Пн 11.01.16 Пт 09.12.16 1 1
26 НИОКР в рамках Государственного контракта № Н.4а.241.9Б.17.1001 в 2017 году, включая, но не ограничиваясь работы 224,88 Вт 31.01.17 Пн 11.12.17 1 1
40 ■s о НИОКР в рамках Государственного контракта № Н.4а.241.19.18.1027 в 2018 году, включая, но не ограничиваясь работы 239,88 Вт 09.01.18 Пн 10.12.18 1 1
65 i НИОКР в рамках Государственного контракта № Н.4а.241.19.19.1009 в 2019 году, включая, но не ограничиваясь работы 239,88 дней? 241 дней 243 дней Ср 09.01.19 Вт 10.12.19 1 1
77 * НИОКР в рамках Государственного контракта NS Н.4а.241.19.20.1042 в 2020 году, включая, но не ограничиваясь работы Чт 09.01.20 Чт 10.12.20 1-1
91 * ' НИОКР в рамках Государственного контракта № Н.4а.241.19.21.1038 в 2021 году, включая, но не ограничиваясь работы Пн 11.01.21 Ср 15.12.21
92 Контроль качества, анализ результатов, подготовка отчётности и подготовка к поставкам специального оборудования и компонентов технологических и диагностических систем и выполнение НИОКР в рамках обязательств РФ в проекте ИТЭР (этап 2021 года) 145 дней Пн 11.01.21 Пт 30.07.21
93 ' Разработка изменений в конструкции и технологии производства центральных сборок дивертора на основе опыта изготовления полномасштабного прототипа центральной сборки дивертора и получение разрешения на начало изготовления опытной партии, в 144,88 Пн 11.01.21 Пт 30.07.21
94 * Описание процесса изготовления обращенных к плазме элементов купола на основе опыта изготовления полномасштабного прототипа центральной сборки дивертора в соответствии с требованиями 145 дней Пн 11.01.21 Пт 30.07.21
► дооснащение производства и подразделения неразрушающего контроля;
► изготовление моделей и макетов основных узлов изделия (изображение
Рис. 4. Последовательность технологических операций при производстве центральной сборки дивертора ИТЭР [Sequence of technological operations in the production of the ITER divertor central assembly]
Рис. 5. Полномасштабный прототип центральной сборки дивертора ИТЭР (окончание производства) [Full-scale prototype of the ITER divertor central assembly (end of production)]
макета стальной опорной конструкции центральной сборки дивертора представлено на рис. 2 [7]);
► корректировка технологических процессов при необходимости;
► изготовление полномасштабного прототипа центральной сборки в подтверждение правильности выбранного технологического процесса и технического оснащения;
► получение разрешения Международной организации ИТЭР на начало изготовления опытной партии серийных изделий центральной сборки дивертора.
График верхнего уровня планирования производства полномасштабного прототипа центральной сборки дивер-тора ИТЭР — от изготовления первых элементов до получения разрешения на начало изготовления опытной партии — представлен на рис. 3, а схема последовательности технологических операций при производстве центральной сборки дивертора — на рис. 4.
Заключение
Процесс постановки на производство опытной партии серийных изделий центральной сборки дивертора проводился регулярно на протяжении нескольких лет выполнения и организации НИОКР.
В настоящее время процесс завершен успешной квалификацией Российской Федерации в обеспечение выполнения международных обязательств в части опытного изготовления, испытания и доставки в декабре 2021 года на площадку сооружения ИТЭР полномасштабного прототипа центральной сборки дивертора (рис. 5) [12].
Анализ процессов изготовления макетов, моделей и полномасштабного прототипа дал возможность определить в технологическом процессе стабильные операции, после которых появилась возможность сделать операции неразрушающего контроля выборочными, что дополнительно позволило уменьшить потери на транспортировку изделий между технологическими операциями.
Разработанный технологический процесс изготовления отдельных со-
В настоящее время в АО НИИЭФА идет изготовление первых поставочных центральных сборок дивертора, предназначенных для монтажа внутри международного термоядерного экспериментального реактора. ■
Статья поступила в редакцию 3.08.2023
ставных частей передали одному из серийных предприятий Госкорпорации «Росатом», где он и был запущен практически без изменений, что показывает высокую степень проведенной подготовки производства.
Список литературы
1. Ганиева И.А., Мартынюк Г.В., Шепелев Г.В. // Управление наукой: теория и практика. — 2023. — Т. 5. — № 2. DOI: 10.19181/ smtp.2023.5.2.3.
2. Ильгисонис В.И. // Энергетическая политика. — 2023. — № 2(180). DOI: 10.46920/2409-5516_2023_2180_12.
3. ITER Organization; https://www.iter.org/album/Media/4%20-%20Aerial (дата обращения: 7.08.2023).
4. Top Level Project Technical Document. Project Requirements (PR), IDM Document UID 27ZRW8; https://vdocuments.mx/project-requirements-pr-pr27zrw8v46-v46-approved-07-may-2010-changes-in.html (дата обращения: 28.07.2023).
5. ITER Organization; https://www.iter.org/mach/divertor (дата обращения: 28.07.2023).
6. Русатом Энерго Интернешнл; https://rusatom-energy.ru/media/rosatom-news/na-stroyploshchadku-reaktora-iter-pribyl-prototip-tsentralnoy-sborki-divertora-proizvodstva-ao-niief/ (дата обращения: 3.08.2023).
7. Mazul I.V., Belyakov V.A., Gervash A.A., Giniyatulin R.N., etc. // Fusion Engineering and Design. — 2016. — Т. 109-111. — Ч. 1. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2016.01.030.
8. Litunovsky N., Alekseenko E., Makhankov A., Mazul I. // Fusion Engineering and Design. — 2011. — Т. 86.
9. Куркова О.П. — СПб: Наукоемкие технологии, 2018.
10. Баймишева Т.А., Курмаева И.С. — Кинель: Самарская ГСХА, 2018.
11. Единая информационная система в сфере закупок, печатная форма реестра контрактов; https://zakupki.gov.ru/epz/contract/ printForm/contractsBulkPrintForm.html?bid = FED&cids=83240104,74513750,65511368,64683114,48237209,41543758,32218932,2912 3364,26085263 (дата обращения: 3.08.2023).
12. ITER Organization; https://www.iter.org/newsline/-Z3703 (дата обращения: 27.07.2023).
НОВАЯ КНИГА
Мерецков О.В.
Рекомендации по разработке авторских материалов для применения в электронном обучении
Методическое пособие. — М.: АСМС, 2023
В пособии рассмотрены технические, методические и правовые аспекты подготовки авторских материалов с целью последующего создания на их основе цифрового образовательного контента профессиональными коллективами разработчиков. Даются практические рекомендации по организации взаимодействия с авторами в составе коллектива разработчиков, составлению паспорта программы изучения электронного учебного курса, сценария работы диалогового тренажера, контрольно-измерительных материалов для компьютерного тестирования, съемке видеолекций. Издание адресовано педагогам системы ДПО, преподавателям и методистам системы образования всех уровней, специалистам центров компьютерного и дистанционного обучения, студентам педагогического профиля.
По вопросам приобретения обращайтесь по адресу: Академия стандартизации, метрологии и сертификации (АСМС), 109443, Москва, Волгоградский пр-т, 90, корп. 1. Тел. / факс: 8 (499) 742 4643. Факс: 8 (499) 742 5241. E-mail: info@asms.ru
Organization оf the ITER Divertor Central Assembly Production
V.V. Pryanikov1, JSC Efremov Research Institute of Electrophysical Apparatus (JSC NIIEFA), pryanikov@sintez.niiefa.spb.su A.A. Okunev2, JSC NIIEFA
I.Yu. Rodin2, JSC NIIEFA, PhD (Tech.), rodin@sintez.niiefa.spb.su P.Yu. Chayka2, JSC NIIEFA, PhD (Tech.), chaikap@sintez.niiefa.spb.su
1 Head of ITER Project, St. Petersburg, Russia
2 St. Petersburg, Russia
Citation: Pryanikov V.V., Okunev A.A., Rodin I.Yu., Chayka P.Yu. Organization of the ITER Divertor Central Assembly Production, Kompetentnost / Competency (Russia), 2023, no. 9-10, pp. 60-66. DOI: 10.24412/1993-8780-2023-9-60-66
1. Ganieva I.A., Martynyuk G.V., Shepelev G.V., Upravlenie naukoy: teoriya i praktika, 2023, vol. 5, no. 2, pp. 30-48. DOI: 10.19181/ smtp.2023.5.2.3.
2. Il'gisonis V.l., Energeticheskaya politika, 2023, no. 2(180), pp. 12-31. DOI: 10.46920/2409-5516_2023_2180_12.
3. ITER Organization; https://www.iter.org/album/Media/4%20-%20Aerial (acc.: 7.08.2023).
4. Top Level Project Technical Document. Project Requirements (PR), IDM Document UID 27ZRW8; https://vdocuments.mx/project-requirements-pr-pr27zrw8v46-v46-approved-07-may-2010-changes-in.html (acc.: 28.07.2023).
5. ITER Organization; https://www.iter.org/mach/divertor (acc.: 28.07.2023).
6. Rusatom Energo International; https://rusatom-energy.ru/media/rosatom-news/na-stroyploshchadku-reaktora-iter-pribyl-prototip-tsentralnoy-sborki-divertora-proizvodstva-ao-niief/ (acc.: 3.08.2023).
7. Mazul I.V., Belyakov V.A., Gervash A.A., Giniyatulin R.N., etc., Fusion Engineering and Design, 2016, vol. 109-111, part 1, pp. 10281034. DOI: http://dx.doi.org/10.1016Zj.fusengdes.2016.01.030.
8. Litunovsky N., Alekseenko E., Makhankov A., Mazul I., Fusion Engineering and Design, 2011, vol. 86, pp. 1749-1752.
9. Kurkova O.P., St. Petersburg, Naukoemkie tekhnologii, 2018, 245 P.
10. Baymisheva T.A., Kurmaeva I.S., Kinel', Samarskaya GSKhA, 2018, 204 P.
11. Unified Information System in the field of procurement, printed form of the register of contracts:
https://zakupki.gov.ru/epz/contract/printForm/contractsBulkPrintForm.html?bid=FED&cids=83240104,74513750,65511368,64683114,482372 09,41543758,32218932,29123364,26085263 (acc.: 3.08.2023).
12. ITER Organization; https://www.iter.org/newsline/-/3703 (acc.: 27.07.2023).
organization and planning of production, R&D, divertor, prototype, ITER
The article presents a brief description of the organization of production of an object of research and development (R&D) what is a divertor of an international thermonuclear experimental reactor (ITER), the construction of which is carried out in France with the participation of the Russian Federation and 34 other countries. The introduction presents the goals and objectives of the ITER, the main content presents the purpose of the divertor, the features of functioning, the requirements for components, the choice of the manufacturing technology, the organization of the manufacturing process. In conclusion, there are the results of prototype production and evaluation of the organized production process of the divertor presented.
References
