Как создаются большие физические установки

Учёные строят новые установки (реакторы, коллайдеры, ускорители, лазеры, аэродинамические трубы и так далее) для проверки появившихся идей, улучшения параметров и расширения возможностей существующих экспериментальных машин. В целом исследователи очень хорошо понимают, как устроена Природа, но при создании конкретного устройства возникают ситуации, когда задуманный режим работы что-то мешает

Андрей Шошин

Как создаются большие физические установки

Учёные строят новые установки (реакторы, коллайдеры, ускорители, лазеры, аэродинамические трубы и так далее) для проверки появившихся идей, улучшения параметров и расширения возможностей существующих экспериментальных машин. В целом исследователи очень хорошо понимают, как устроена Природа, но при создании конкретного устройства возникают ситуации, когда задуманный режим работы что-то мешает осуществить (физические или технические ограничения). Единственный способ доказать, что новые идеи работают – проверить их экспериментально.

Например, человечество хочет получать электричество и тепло из энергии термоядерного синтеза, поэтому нужно строить термоядерные реакторы. Факт, что это можно реализовать, сомнений не вызывает: у всех перед глазами действующий термоядерный реактор – наше Солнце. Но задача получить электричество из реакций синтеза ядер оказалась очень сложной – нужно создать плазму с высокой температурой (выше, чем в центре Солнца) и удержать её. Учёные последовательно создавали всё более совершенные магнитные ловушки для удержания плазмы. Параметры установок (наиболее важные из которых – температура плазмы и время её удержания) непрерывно росли в течение десятилетий.

Имея опыт работы на каких-либо установках, учёные точнее осознают, что можно создать, а что нет. Таким образом, единственный способ лучше понимать физику и повышать инженерно-технический уровень (то есть понимать, что мы реально можем сделать) – это строительство новых экспериментальных машин и работа на них.

Как происходит процесс создания новой установки? Сначала обсуждается задача: зачем нужна новая система? Формулируется физическая цель проекта, обсуждаются необходимые параметры плазмы и различных систем (магнитной, вакуумной, систем нагрева, диагностик). Команда разработчиков занимается концептуальным проектированием: создаёт эскиз установки, определяет её основные параметры, проводит предварительные расчёты. Затем оцениваются стоимость и ресурсы, необходимые для создания прибора (в том числе человеческие), и составляется ориентировочный план создания машины.

Отдельная задача – найти для проекта финансирование. Крупные проекты, за очень редкими исключениями, строятся на деньги государства или группы государств. При этом для проекта формируется технико-экономическое обоснование, чтобы заказчик (государство) хорошо понимал, зачем нужна новая установка.

После одобрения проекта и получения финансирования начинается этап предварительного проектирования: расширяется команда разработчиков, привлекаются инженеры и конструкторы для более детального обсуждения и расчётов параметров отдельных систем и их компоновки. Готовится инфраструктура для обеспечения проекта – помещение, подвод электроэнергии, воды для охлаждения и многое другое. Предварительные проекты проходят процедуру защиты и обсуждения более широким кругом заинтересованных сторон. Их задача —подтвердить, что заложенные в проект параметры достижимы. После одобрения переходят к этапу финального проектирования, на котором уже детально прорабатывают чертежи конкретных узлов с учётом возможных технологий производства данных элементов. Также на этапе проектирования для наиболее сложных и ответственных компонентов могут создаваться прототипы, которые демонстрируют, что необходимые узлы можно построить и они будут работать с нужными параметрами. На этом же этапе могут тестировать сложные или ранее не использовавшиеся технологии производства.

Следующий шаг – подготовка производства, во время которого чертежи проходят технологическую обработку, то есть превращаются в последовательность рабочих операций, после чего рабочие на заводе могут приступать к изготовлению деталей; также проводится квалификация специальных процессов производства (таких как сварка, пайка и так далее). Квалификация – это проверка технологии производства на образцах, чтобы продемонстрировать результат – получение детали необходимого качества. Процедура квалификации спецпроцессов – обязательное законодательное требование, например, для оборудования, работающего под давлением.

Только после этого начинается производство элементов установки и последующая сборка небольших узлов. Собранные элементы проходят заводские испытания, в ходе которых подтверждается, что они соответствуют требованиям чертежей и технического задания (например, выдерживают давление воды, имеют заданные размеры, удовлетворяют вакуумным требованиям, создают необходимое магнитное поле и так далее).

Собранные узлы транспортируются к месту сборки и сначала проходят приёмку на площадке реактора. Эти испытания не дублируют заводские испытания: в основном их задача проверить, что при транспортировке оборудование не было повреждено.

Мы дошли до момента, когда из отдельных узлов начинают собирать сложную установку, а затем проводят функциональные тесты оборудования. Части установки включают по отдельности, чтобы убедиться, что они работают: независимо проверяют вакуумную систему, криогенику, систему создания магнитного поля, настраивают и юстируют системы нагрева и диагностики, проверяют работу системы автоматизации эксперимента. Иногда такие тесты называют «холодным запуском». 

В случае международного токамака ИТЭР «холодный запуск» по текущему расписанию запланирован на декабрь 2025 года. В течение первого полугодия 2026 года будут запускаться вакуумная, криогенная, магнитные системы с очень небольшим набором диагностик, первые эксперименты будут проводиться только с водородной плазмой (без термоядерных реакций). Далее на ИТЭР 2,5 года будет продолжаться сборка токамака, и в декабре 2030 года начнутся первые эксперименты с дейтериевой плазмой (с очень малой термоядерной мощностью). Как уже догадался читатель, разные системы проектируются и изготавливаются не одновременно: часть из них должна быть установлена раньше других. До 2035 года остальные системы (тритиевая система, большая часть диагностик) будут изготавливаться, устанавливаться и проверяться. Полноценный запуск ИТЭР в самый мощный DT-режим запланирован на декабрь 2035 года. Но и в декабре 2035 года всё начнётся с плавной отработки режимов функционирования установки, и до горения плазмы на полной мощности пройдёт ещё какое-то время.

Зачем тратить столько времени и ресурсов на строительство больших проектов? Мы получаем опыт и компетенции в самых различных областях – от физики реакторов до управления крупными проектами, конкретных технологических операций и ноу-хау, которые понадобятся при разработке и изготовлении будущих коммерчески выгодных реакторов. Мы уточняем знания о том, что можно реализовать и изготовить при текущем уровне развития технологий и какие технологии ещё нужно развивать. Появляется необходимый опыт разработки и взаимодействия на разных этапах производственной цепочки: идея – проект – чертежи – технологии – сборка – тестирование – запуск установки – эксперимент. Без навыков реализации сложных проектов резко снижается вероятность не просто построить что-то новое и интересное, но и вывести экспериментальную установку на проектные параметры. Учёные, конструкторы, инженеры и технологи должны иметь достаточные знания и умения для реализации масштабных и перспективных проектов. Такой опыт можно получить только одним способом – создавать новые установки и проводить на них эксперименты. Даже просто поддержание хорошего уровня компетенций требует от заказчика работ (государства), институтов, конструкторских бюро и заводов существенных ресурсов. Если новые установки не строить и не эксплуатировать – уровень квалификации будет снижаться. История знает немало примеров, когда институты или даже целые страны утрачивали технологии, которыми они ранее обладали. Один из таких примеров – умение разрабатывать, успешно строить и запускать передовые ядерные реакторы: некоторые европейские страны фактически разучились это делать.

Для строительства новых больших физических установок, особенно если это длительные проекты, требуется много молодых и инициативных учёных, инженеров и конструкторов. Для этого необходимо, чтобы талантливые люди хотели идти в науку, чтобы они понимали: в науке интересно и новые знания критически нужны для устойчивого развития нашей цивилизации. А для этого желательна популяризация исследовательской работы и научных знаний. Заказчиком работ в области управляемого термоядерного синтеза выступает государство, и проекты реализуются на благо нашего общества. Хотелось бы, чтобы люди не боялись термоядерных реакторов, а, наоборот, хотели, чтобы их быстрее построили. 


Иллюстрация: Елена Рюмина

Комментарии
Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий
Комментарии 0

Стань частью сообщества Homo Science!

Хочешь оставаться в центре событий?
Зарегистрируйся прямо сейчас