NBI pro ITER

V lednu 2021 byly zahájeny přípravné práce na výstavbě dvou velkých budov určených pro umístění unikátního souboru elektrozařízení ITER – napájení NBI (Neutral Beam Injection, vstřikovače neutrálního svazku). O něco více než dva roky později se objevily hlavní obrysy nových konstrukcí: ocelové rámy, ukotvené v masivních betonových deskách, se týčí až do výšky 25 metrů; tlusté zdi ohraničily to, co vypadá jako příliš velké koňské maštale; podzemní chodby běží hluboko směrem k přilehlému komplexu Tokamak/Trojbudoví. Stavební práce jsou dnes dokončeny přibližně ze 40 %: infrastruktura napájení neutrálního svazku by měla být připravena pro zařízení přibližně za rok.

Ohřev neutrálním svazkem je tahounem technik ohřevu plazmatu. Vstřikem vysokoenergetických částic do plazmatu se plazma ohřívá na teplotu, při které může docházet k fúzním reakcím. Spolu s mikrovlnným ohřevem bývá NBI nazýváno dodatečným ohřevem. Dodatečným k hlavnímu, ohmickému ohřevu plazmatu Joulovým teplem elektrického proudu procházejícího plazmatem.

Urychlovač iontů

"Vstřikovač neutrálního svazku je v zásadě iontový urychlovač. Rychlost částic, a tedy i kinetická energie, kterou může NBI předat plazmatu, je úměrná napětí použitého k jejich urychlení," vysvětluje Hans Decamps, elektroinženýr zodpovědný za zdroj napájení neutrálního svazku pro ITER.

V evropském tokamaku JET, v současnosti největším fungujícím tokamaku na světě, dodává systém napájení neutrálního svazku elektrické napětí v řádu 130 000 voltů; v euro-japonském JT-60SA dosáhne na pár minut 500 000 voltů; v ITER bude muset dodávat jeden milion voltů (1 MV) po dobu až jedné hodiny.

Ocelové rámy pro dvojhaly systému s neutrálním vytápěním (výška 25 metrů) jsou ukotveny v masivních betonových deskách. Pro každý vstřikovač ohřevového neutrálního svazku bude v budově umístěna jedna 9 metrů vysoká vysokonapěťová paluba na 6 metrů vysokých izolačních podpěrách a také ještě vyšší průchodka (16 metrů) pro obří izolační transformátor. Takové ultra vysoké napětí, udržované po tak dlouhou dobu „přesahuje cokoli, co se kdy instalovalo v oblasti elektrotechniky,“ říká Decamps. Návrh systému si vyžádal celé desetiletí výzkumu a vývoje a konstrukci plnohodnotných modelů ve speciálním testovacím zařízení.

Funkce NBI v ITER

Vstřikování neutrálního svazku má v tokamaku ITER dvě funkce: jedna je ohřívat plazma, druhá je plazma prosvěcovat neutrálním svazkem a měřit změny svazku na výstupu z plazmatu, aby se získalo co největší množství informací o parametrech plazmatu, jako je přítomnost nečistot (heliový popel), teplota iontů, hustota a rychlost částic.

Při stejném principu vstřikování neutralizovaných nebo neutrálních částic do plazmatu se oba systémy liší napětím, kterou přenášejí: 1 milion voltů (MV) pro ohřevový neutrální svazek, 10krát méně (100 keV) pro diagnostický neutrální svazek.

ITER bude vybaven dvěma vstřikovači neutrálního svazku pro ohřev a jedním pro diagnostiku. Ve stroji a konstrukci budovy je zabudována prostorová rezerva pro třetí, ohřevový vstřikovač neutrálního svazku, pokud by ho vědecký program ITER vyžadoval.

Dvojité haly

Velikost napětí vyžadovaná pro vstřikovače ohřevového neutrálního svazku také určila neobvyklé vlastnosti budov vysokého napětí – větší ze dvou budov ve výstavbě má dostupný prostor rovnoměrně rozdělen do tří odlišných hal: dvě vyhrazené pro vstřikovače ohřevové a třetí určená vstřikovači diagnostického neutrálního svazku.

Dvojité haly pro systémy ohřevových neutrálních svazků budou většinou prázdné. Výjimkou jsou dvě mimozemsky vyhlížející komponenty: 9 metrů vysoká vysokonapěťová paluba posazená na 6 metrů vysokých izolačních podpěrách, a dokonce ještě vyšší (16 metrů) průchodka pro obří izolační transformátor, jehož hlavní tělo je umístěno mimo budovu. Tyto jedinečné elektrické továrny kladou vážná omezení na vnitřní provedení budovy. Aby se zabránilo zapálení elektrického oblouku, žádný prvek uvnitř hal nesmí mít ostrý úhel nebo vyčnívající konstrukci a z bezpečnostních důvodů je každá paluba obklopena „vyloučenou zónou“ o poloměru pěti metrů. Netřeba dodávat, že během provozu nebude do budovy nikdo vpuštěn.

Uvnitř nedávno postavené ocelové konstrukce jsou již na svém místě jasně žluté nosníky dvou mostových jeřábů. Tyto jeřáby, každý s nosností 10 tun, přejedou celou délku hal.

Na infrastruktuře pro napájení neutrálních svazků se podílí Evropa a Japonsko

Méně velkolepá, ale neméně strategická budova napájecího zdroje pro neutrální svazek (Neutral Beam Power Supply Building) bude hostit elektrická zařízení, která budou dodávat energii na vysokonapěťové paluby prostřednictvím deseti stupňovitých transformátorů instalovaných mezi budovami: suché transformátory, výkonové měniče, usměrňovače, invertory a další exotická zařízení. Stejně jako mnoho komponent v instalaci tokamaku ITER pracuje systém neutrálního svazku ve stejnosměrném režimu. Ale na rozdíl například od magnetů, které vyžadují vysoký proud a nízké napětí, systém neutrálního vstřikování vyžaduje nízký proud a ultravysoké napětí.

Rozdíl nijak zařízení nezmenšuje: Japonsko pořídilo deset 200 kV DCG (Direct Current Generator, generátorů stejnosměrného proudu), stupňových transformátorů připojených k diodovým tankům pro získání výstupního stejnosměrného napětí 200 kV pro ohřevové neutrální svazky. Každý má svou vlastní kabinu oddělenou tlustou protivýbuchovou stěnou. DCG jsou velké jako obří pulzní síťové transformátory v rozvodně ITER na východě staveniště. I zde jsou rozhodující požadavky na izolaci, zejména na množství izolačního oleje, které každý transformátor obsahuje (až 75 000 litrů), což určuje jejich velikost. Tři menší transformátory budou věnovány systému diagnostiky neutrálním svazkem.

Blesky jsou silnější

Pouze hrubé přírodní síly umějí generovat napětí vyšší, než je napětí napájecí instalace neutrálního svazku ITER. Údery blesku jsou však milisekundové události, zatímco impozantní elektrická instalace v areálu ITER je navržena tak, aby plynule napájela vstřikovače pro hodinové plazmové výboje. Je to instalace, která nemá ve světě obdoby.