Оптичні датчики для експерименту з термоядерного синтезу ITER у унікальному застосуванні

Компанія HBK підписала контракт з Міжнародною організацією з термоядерної енергії ITER на постачання оптичних тензодатчиків для вакуумної камери ITER. Це одне з найбільших окремих замовлень, отриманих компанією HBK, що підкреслює зростаючу важливість та ринкові перспективи волоконно-оптичних рішень. Очікується, що термін виконання контракту становитиме два роки.

Цей контракт доповнює попередні замовлення від ITER, отримані консорціумом, до складу якого входять HBK FiberSensing та Smartec (компанія RocTest). Консорціум вже виграв тендер ITER щодо кваліфікації та постачання волоконно-оптичних систем зондування, заснованих на технології FBG (волоконна решітка Брегга) та інтерферометрах Фабрі-Перо, для вимірювання деформації, зміщення та температури в магнітах термоядерного експериментального реактора.

Завдання

Потрібні були системи датчиків для встановлення в надпровідних котушках та на вакуумній камері проекту ITER, які б працювали в умовах вакууму, радіації, сильних електромагнітних полів та кріогенних температур.

Проект ITER: шлях до нової енергії

Проект ITER з термоядерного синтезу — це великомасштабний науковий експеримент, спрямований на розробку нового, чистішого та сталого джерела енергії шляхом виробництва комерційної енергії за допомогою термоядерного синтезу — процесу, що відбувається в ядрі Сонця. Він передбачає будівництво термоядерного експериментального реактора, який споруджується в Кадараші, Франція. Щохвилини наше Сонце перетворює 600 мільйонів тонн водню на гелій, вивільняючи величезну кількість енергії. У ITER реакція термоядерного синтезу відбуватиметься в пристрої «Токамак» — машині термоядерного синтезу нового покоління, яка використовує магнітні поля, зокрема великі надпровідні магніти, призначені для утримання та контролю гарячої плазми. В результаті термоядерного синтезу дейтерію та тритію (D-T) утворюється одне ядро гелію, один нейтрон та енергія. Потім енергія перетворюється на тепло, необхідне для утворення пари, яка потім – за допомогою турбін та генераторів – виробляє електроенергію.

Було потрібно розробити системи датчиків для встановлення у надпровідних котушках та на вакуумній камері проекту ITER, що працюють у вакуумі, під дією радіації, сильних електромагнітних полів та кріогенних температур.

Рішення

Метою першого контракту було постачання та встановлення оптичних датчиків, здатних витримувати певні екологічні навантаження на різних механічних конструкціях надпровідних магнітів. Загалом було розроблено, виготовлено та поставлено приблизно від 500 до 900 датчиків разом із відповідними системами збору даних.

Результат

Цей контракт було успішно укладено, і в результаті компанія HBK щойно підписала новий контракт на кваліфікацію та постачання оптичних систем зондування для вакуумної камери ITER.

Додаткова інформація

Проєкт ITER: шлях до нової енергії

Проєкт ITER з термоядерного синтезу — це масштабний науковий експеримент, спрямований на створення нового, екологічно чистого та сталого джерела енергії шляхом отримання комерційної енергії за допомогою термоядерного синтезу — процесу, що відбувається в ядрі Сонця. Він передбачає будівництво експериментального термоядерного реактора, який споруджується в Кадараші, Франція. Щохвилини наше Сонце перетворює 600 мільйонів тонн водню на гелій, вивільняючи величезну кількість енергії. У ITER реакція термоядерного синтезу відбуватиметься в пристрої «Токамак» — машині термоядерного синтезу нового покоління, яка використовує магнітні поля, зокрема великі надпровідні магніти, призначені для утримання та контролю гарячої плазми. В результаті термоядерного синтезу дейтерію та тритію (D-T) утворюється одне ядро гелію, один нейтрон та енергія. Потім енергія перетворюється на тепло, необхідне для утворення пари, яка потім – за допомогою турбін та генераторів – виробляє електроенергію.

Було потрібно розробити системи датчиків для встановлення у надпровідних котушках та на вакуумній камері проекту ITER, що працюють у вакуумі, під дією радіації, сильних електромагнітних полів та кріогенних температур.

Кваліфікація та постачання оптичних систем вимірювання для вакуумної камери

Вакуумна камера ITER — це складна конструкція вагою близько 5 000 тонн. Вона розташована всередині кріостата установки ITER, і її основна функція полягає в тому, щоб слугувати камерою, в якій відбувається термоядерна реакція. Усередині цієї камери у формі тора частинки плазми стикаються й вивільняють енергію, не торкаючись жодної зі стінок завдяки процесу магнітного утримання. Вакуумна камера працюватиме при температурі близько 100 °C та номінальному тиску води в міжпросторі 11 атмосфер, що еквівалентно підводному тиску на глибині 110 метрів. Через свою складність та розміри, будівництво та моніторинг такої масивної конструкції вимагають високого рівня точності. Завдяки масштабним випробуванням, передбаченим цим проєктом, компанія HBK очікує, що датчики, сертифіковані в рамках цієї програми, знайдуть інші застосування в ITER та у інших замовників, яким потрібні вимірювання в умовах високих температур, вакууму та радіації.

Кваліфікація та постачання оптичних систем вимірювання для надпровідних магнітів

У рамках попереднього контракту компанія HBK FiberSensing поставила оптичні датчики деформації, переміщення та температури для встановлення на котушках та різних механічних конструкціях надпровідних магнітів ITER. Перший етап робіт включав адаптацію та кваліфікацію оптичних датчиків, зчитувальних пристроїв та програмного забезпечення з урахуванням специфічних умов експлуатації, зокрема кріогенних температур до 4 К, радіації та вакууму. Другий етап складався із серійного виробництва та постачання повних систем зондування. Загалом було поставлено приблизно від 500 до 900 датчиків разом із відповідними системами збору даних, а також додаткові аксесуари, такі як кабелі та програмне забезпечення. Графік виконання робіт був таким:

Етап 1 — Розробка та випробування датчиків.

Етап 2 — Атестація в таких умовах: висока радіація; високий вакуум та кріогенні температури — температура рідкого гелію. 2011–2014

Етап 3 — Промислове впровадження, виробництво та поставка датчиків. 2014–2017