Луч надежды в кабельном кризисе проекта ITER

Авторы и источники / Правообладателям

Около года тому назад сообщалось о потенциально серьёзной проблеме, возникшей при реализации проекта создания международного экспериментального термоядерного реактора ITER, самого большого в мире эксперимента термоядерного синтеза. Под угрозой было само сердце реактора: гигантский центральный электромагнит. Теперь же, похоже, что решение этой проблемы может быть вскоре достигнуто, хотя вполне вероятно, что это решение приведёт к удорожанию проекта.

Центральный соленоид (или “CS” для посвящённых) представляет собой столб высотой 13,5 метров, состоящий из шести идентичных сверхпроводящих катушек, выполненных из сверхпроводника Nb3N, которые предназначены для выработки огромного магнитного поля с индукцией 13 тесла. Это поле помогает ограничивать образование водорода, когда его температура достигает температуры реакции синтеза свыше 150 миллионов °C. За производство центрального соленоида отвечают США, Япония и Россия.

Сверхпроводящие кабели для него изготавливаются в Японии. Общая длина кабелей для центрального соленоида доходит до 40 км. Предполагается, что в течение 20-летнего срока службы реактора ITER соленоид должен выдержать без существенной деградации примерно 60 000 циклов заряд-разряд. Однако предварительные испытания, которые проводились на испытательном полигоне SULTAN в институте Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute) в г. Виллиген (Villigen), Швейцария, показали, что свойства образцов японских кабелей значительно ухудшаются всего после 6 тысяч циклов.

Это означает, что проектный 20-летний срок службы ITER сократится примерно в 10 раз, или, что раз в два года на реакторе потребуется проводить сложную и дорогостоящую операцию по замене кабелей центрального соленоида.

Японское агентство, отвечающее за сотрудничество в рамках проекта ITER, приостановило работы по выпуску кабелей до выяснения причин случившегося. В агентстве отмечают, что ранее с такой проблемой они не сталкивались. В экспериментах, проводимых в Швейцарии, была предпринята попытка моделирования рабочих условий для ITER, чего раньше не делали японские производители: сверхпроводящие кабели помещали в сильное, но неравномерное магнитное поле. Полученные результаты стали для участников проекта неприятной неожиданностью.

Дополнительную проверку швейцарских выводов проводили также специалисты национальной лаборатории Окриджа (США) с использованием нейтронного генератора "Spallation Neutron Source". Руководитель отделения магнитов в проекте ITER г-н Нил Митчелл (Neil Mitchell) сказал, что теперь, год спустя, команда специалистов разобралась в возникшей проблеме.

Он полагает, что сверхпроводящий кабель пострадал из-за двух причин. Во-первых, тонкие стренги из сверхпроводящего сплава ниобий-олово и несверхпроводящей меди были сплетены вместе таким образом, что токи и давление распределялись неравномерно по пучку кабеля. Во-вторых, сами  стренги из ниобия-олова были изготовлены таким образом, что они не могли выдерживать повышенное давление. Сочетания этих двух проблем достаточно для того, чтобы вывести обмотку из строя.

По мнению г-на Митчелла, есть два возможных решения.

Первое: можно использовать стренги из сплава ниобий-олово от другого производителя, применяющего другую технологию изготовления. К сожалению, в этом случае понадобится найти и привлечь производителя не из Японии, а этого никто на самом деле не хочет, поскольку Япония – это страна, отвечающая за сверхпроводящий кабель для центрального соленоида.

Второе: можно сплести японские стренги вместе таким образом, чтобы нагрузка распределялась более равномерно, и это решит проблему. Дополнительные испытания начнутся в апреле и продолжатся далее, они должны показать, способны ли новые японские кабели соответствовать требованиям проекта ITER.

Увеличение стоимости проекта составит порядка 20 миллионов евро (26 миллионов долларов США), что является совершенно незначительной суммой по сравнению с бюджетом проекта ITER, составляющим 15 миллиардов евро. Дополнительная работа не должна повлиять на запланированные сроки проекта. На данный момент график предусматривает проведение первых экспериментов на реакторе ITER в конце 2020 года.