Миниатюрное солнце на земле, способное генерировать поразительное количество энергии. Чистая, безопасная, контролируемая энергия, имеющая существенное значение для гарантии обеспечения экспоненциально растущей потребности в энергии на нашей планете. Процесс термоядерной реакции основан на сырье, которое является совершенно обычным, недорогим и легкодоступным: водороде морской воды. Почти полное отсутствие риска при управлении этой реакцией, а также незначительное количество отходов, опасных для окружающей среды, а также представляющих угрозу жизни людей и животных.
Все это и много другое представляет собой процесс генерации энергии путем ядерного синтеза, физического феномена, который снабжает энергией Солнце. Наблюдавшийся поколениями ученых и воспроизведенный в очень малом масштабе в 1930-х годах, теперь этот процесс становится реальностью благодаря достижениям в области физики и технологий. Осуществимость этого процесса будет технически и научно продемонстрирована в ближайшие несколько лет благодаря крупному исследовательскому проекту, финансируемому Европейским Союзом, Китаем, Индией, Японией, Кореей, Россией и США, что приведет к созданию огромного экспериментального реактора в г. Кадараш, на юге Франции. ITER, а именно так называются этот проект и реактор, будет завершен и запущен в эксплуатацию в 2020 году. Он должен будет доказать, что способен производить в течение как минимум 30 минут энергию, в десять раз превышающую энергию, необходимую для его питания: 500 МВт выходной мощности против потребляемой 50 МВт. Ожидаемый успех эксперимента станет движущей силой для продолжения второго проекта, известного как DEMO, который уже идет. Ожидается, что в последующие 15-20 лет DEMO придет к созданию первой действующей промышленной установки для выработки электроэнергии посредством ядерного синтеза.
В качестве одного из возможных решений создания ядерной термоядерной установки, ИТЭР использует в своей основе удержание плазмы в магнитном поле. Сердцевиной реакции ядерного синтеза является плазма, состояние материи, которое достигается в реакторе ITER при температурах свыше 150 миллионов °C. Движение атомных пар плазмы в процессе их соединения вплоть до слияния становится возможным благодаря мощному воздействию со стороны магнитного поля. Когда происходит слияние элементарных частиц в одно ядро, последнее будет иметь массу меньшую, чем сумма исходных частиц, что приводит к испусканию огромного количества энергии. После этой реакции в дело вступает магнитная система, ограничивающая плазму в пространстве, которое позволяет использовать эту тепловую энергии и ограничивая силы, действующие на стенки оболочки.
В городе Ла Специя, с видом на Лигурийское море, между Лигурией и Тосканой, находится головной офис итальянской компании ASG Superconductors, которая отвечает за производство некоторых основных компонентов ИТЭР. На своих производственных площадях в Генуе и Ла Специя, компания ASG изготавливает магниты всех размеров -- сверхпроводимые и обычные магниты, используемые для изготовления современных магниторезонансных установок, а также приборов для управляемого облучения клеток опухолей для экспериментальной физики высоких энергий. Компания поставляет детали магнитов, из которых построен Большой Адронный коллайдер (LHC), ускоритель элементарных частиц в CERN, Женева, а также для установок ядерного синтеза. Альберто Барутти (Alberto Barutti) и Бруно Казерца (Bruno Caserza), менеджер по качеству ASG и генеральный директор предприятия в Ла Специя, соответственно. “Изготовление тороидальных магнитов, подобных тем, что используются для ITER,” объясняет Барутти, “требует применения самых совершенных и сложных технологий.
Размеры катушек огромны, а требуемое сила магнитного поля настолько велика, что для того чтобы создать его при общей эффективности системы, требуется применение сверхпроводимых материалов, что является одной из областей наших знаний. Поэтому мы создали предприятие в Ла Специя, сконцентрированное исключительно на изготовлении катушек, из которых будет строиться удерживающий магнит реактора. Все стадии изготовления и инспекции этих гигантских деталей выполняются на этом предприятии, и каждая отдельная операция контролируется с помощью исключительно строгих проверок качества и размеров. Каждый изготавливаемый компонент уникален, его работоспособность и работа в реальных условиях будут проверены только тогда, когда реактор будет окончательно собран и пущен в эксплуатацию. Поэтому нельзя допустить ни единой ошибки. Чтобы исключить неудачу уникального по своей значимости эксперимента, а также издержки, связанные с ним, все должно идеально соответствовать теоретическим характеристикам.
Различные компоненты магнита включают в себя 18 основных обмоток D-образной формы (пакет обмоток), имеющих 13 м в длину и 8 м в ширину. Каждая обмотка, в свою очередь, образована из 7 сдвоенных обмоток, называемых “двойной блин”, которые укладываются слоями, образую пакет обмоток. Проводник, из которого сделаны обмотки, выполнен в виде каркаса, образующего центральный канал, в который подается охлаждающий жидкий гелий (при температурах, близких к абсолютному нулю, что обеспечивает сверхпроводимость), концентрической матрицы медных проводов, в которую внедрены сверхпроводимые волокна, и, наконец, металлического корпуса. Проводник имеет внешний диаметр около 40 мм и поставляется в огромных катушках по 750 м каждая.
“После прохождения строгих приемочных испытаний, включающих испытания в вакуумной камере”, продолжает Барутти, “ первыми действиями будут разматывание провода с транспортной катушки, выпрямление его, промывка и затем обработка поверхности наружной оплетки с помощью специального пескоструйного оборудования. Последний этап создания системы -- наиболее важный и сложный -- изгибание проводников таким образом, чтобы изготовить обмотку из двух витков: верхнего и нижнего, в пространстве, без использования крепящих приспособлений. На этом этапе материал еще не является сверхпроводящим, и его можно обрабатывать, сгибать и формировать по желанию. Поскольку обмотки будут изменять свою форму после соответствующей тепловой обработки, требуемой для получения сверхпроводящих свойств кабеля, на этой стадии особенно важна строгая инспекция формы и общей длины. Мы должны получить точную исходную форму, которая получится только после деформации, произошедшей в результате тепловой обработки. И все это с погрешностями, которые действительно требуются для деталей, не прошедших механическую обработку. На этом технологическом этапе мы используем абсолютный трекер Leica Absolute Tracker AT901 с лазерным сканером Leica T-Scan. 22 витка двойной обмотки должны соответствовать требованиям погрешностей порядка нескольких десятых долей миллиметра трехмерной формы; погрешность общей длины витка не должна превышать нескольких миллионных долей от общей длины, что также трудно измерить”.
“Благодаря специальным процедурам, разработанным совместно с инженерами Hexagon Manufacturing Intelligence в процессе монтажа,” объясняет Казерца, “с помощью лазерного сканера мы проверяем геометрию каждого витка; после завершения очередного витка и перед выполнением последующего мы проверяем полную длину и форму, чтобы выполнить компенсации, которые могут потребоваться на следующем витке, и добиться правильной формы и длины. Затем мы выполняем полную проверку формы полученной обмотки”.
После выполнения этапа навивки двойная обмотка готова к термообработке. 28-дневный цикл тепловой обработки, предполагающий несколько стадий обработки при различных температурах в специальной печи с контролируемой атмосферой, придает материалу свойства сверхпроводимости. С этого момента все последующие технологические операции на большой обмотке должны выполняться с особой осторожностью. После кристаллизации сверхпроводимый материал становится исключительно хрупким, поэтому любое механическое воздействие может повредить его и ухудшить рабочие характеристики.
Казерца продолжает: “Термообработка была разработана для управляемой деформации обмотки, но при этом также нужно контролировать фактическую форму каждого витка, перед тем как перейти к следующему этапу изготовления. Мы также должны выполнять очень точные регулировки креплений, которые поддерживают форму обмотки, чтобы подготовить их последующим этапам сборки. Для выполнения этой задачи мы используем второй абсолютный трекер Leica Absolute Tracker AT901 с контактным датчиком Leica T-Probe. Управляемая процедура инспекции позволяет оператору вносить необходимые поправки в относительное расположение витков обмотки на основе отклонений, определяемых с точностью до нескольких сотых долей миллиметра”.
Последующие стадии сборки включают установку обмоток в специальный корпус, изоляцию и герметизацию самого корпуса с помощью специальных крышек, которые будут завариваться роботизированной системой. Третий лазерный трекер Leica Absolute Tracker AT901 используется для калибровки креплений, поддерживающих отдельные “блины” внутри сварочной станции. После того как крышки будут приварены и после проверки точности размеров в вакуумной камере, а также после проверки электрических параметров, каждый “блин” аккуратно заворачивается в изолирующий материал. Затем он заполняется смолой с использованием технологии вакуумной пропитки. Последний этап перед поставкой является составление всех семи деталей и окончательная проверка всей сборки. Наконец, после второй пропитки и последних испытаний вся гигантская D-образная обмотка готова к отправке на место окончательной установки.
“Наша технология”, -- продолжает Барутти, “на каждом этапе существенно зависит от проверок размеров и формы, которые выполняются с применением оборудования и процедур, поставляемых Hexagon, в тесном взаимодействии с инженерами компании. Несколько лет назад измерительное оборудование Leica Geosystems потребовало от нас улучшить и сертифицировать технологический процесс для изготовления крупногабаритных магнитов для большого адронного коллайдера (LHC), знаменитого ускорителя частиц в центре CERN, Женева, который является крупнейшей машиной, сделанной когда-либо человеком, и который используется сейчас для исследований бозона Хиггса. Поэтому когда мы получили задание на проект ITER, у нас не было сомнений относительно того, как решать проблемы анализа, проверок и исправлений на производственном цикле. В дополнение к этому, технологии измерительных систем существенно эволюционировали за последние несколько лет, что позволило нам создать процедуры, работающие более быстро и точно, чем раньше, и, как следствие, оптимизировать весь технологический процесс”.
Прощаясь, Альберто Барутти делает последний комментарий относительно работ, выполняемых с Hexagon: “Во время выполнения предварительного анализа и проектирования оборудования, мы тщательно оценивали различные варианты размерного контроля наших компонентов. Наш положительный опыт привел нас к решениям, предложенным специалистами Hexagon. Кроме того, мы также имели счастливую возможность работать в тесном взаимодействии с инженерами компании Компания Hexagon не только предоставила нам аппаратное и программное обеспечение, но и разработала программы и процедуры, посвященные нашему конкретному приложению, которое имеет уникальные характеристики и поэтому
требует глубокого синергетического опыта для достижения конечной цели.Хотелось бы отметить, что именно благодаря наличию таких средств мы в первую очередь выбираем оборудование, которое будет использовать технологии лазерных трекеров даже в традиционных условиях, таких как магнитные измерения. Благодаря этим новым технологиям, окончательный выпуск изготовленных обмоток будет иметь преимущества в существенном сокращении времени производства, значительном упрощении операций, а также увеличении качества данных.
