Průchodky

Co si představíte pod pojmem průchodka? Gumový prstýnek padnoucí do otvoru v plechovém krytu přístroje. Eliminuje ostré hrany otvoru a chrání procházející kabel před poškozením. Trochu jiné konstrukce, hmotnosti a účelu jsou průchodky zavádějící elektrický proud do supravodičů jakéhokoli cívkového systému tokamaku ITER. Jak známo, vlastní zařízení tokamak je ukryto v jakémsi hrnci obráceném dnem vzhůru, který na první pohled připomíná dvoupatrový panelový dům, pokud by se někomu zachtělo postavit panelák válcového tvaru. To, co je spojuje, jsou tři řady oken obtáčející kruhovou stěnu. Okna – porty – slouží ke spojení vnitřku vakuové komory a vnějšího okolí kryostatu (tak se onen panelák alias kryt tokamaku ITER nazývá). Diagnostická zařízení, přívod paliva a odvod spalin to vše jsou funkce „panelákových oken“. A kromě nich tu jsou ještě veledůležité průchodky.

Kryostat

Kryostat v sobě kromě tokamaku skrývá technické vakuum 1 x 10^-4 Pa v největším takto vyčerpaném objemu na světě – 8500 m³. Vakuum v kryostatu brání úniku chladu ze supravodivých vodičů všech cívek co v ITERu jsou. Můžeme si jej představit jako obdobu vyčerpané dutiny mezi stěnami běžné termosky. Uvnitř kryostatu jsou supravodiče z Nb₃Sn pro okolí silného magnetického pole a z NbTi pro okolí slabšího magnetického pole. Vně kryostatu je vodič z mědi. Zatímco měděný vodič je na pokojové teplotě, supravodič, aby „supravodil“ musí být vychlazen na teplotu téměř absolutní nuly – „stačí“ 4 K. Nyní je třeba měděný a supravodivý vodič propojit tak, aby spolehlivě tekl elektrický proud a ztráty energie byly co nejmenší. Protože zmiňovanými okny kryostatu silové kabely nevedou, zbývá tento úkol zadat průchodkám... Určitě se mnou budete souhlasit, že spojit dva materiály o teplotním rozdílu cca 290 K není úplně triviální.

Propojení supravodiče a vodiče z mědi

Propojení zajišťuje proudový přívodní kabel HTS (high temperature conductor – vysokoteplotní supravodič). Přívod HTS spojuje zdroj proudu a spotřebič – cívku. V případě tokamaku ITER jím protéká až 68 kA. HTS je pouze část přívodního kabelu a převede potřebný elektrický proud asi 10x menším průměrem než měděný vodič. Bez HTS by bylo nutné uchladit přibližně o 20 % více tepla. HTS totiž umožňuje podstatné snížení tepla dovedeného do kryogenního systému. ITER bude potřebovat 60 velkorozměrných HTS přívodů.

Technická úroveň a výkon HTS přívodů pro tokamak ITER jsou podstatně vyšší než u obdobných HTS přívodů pro supravodivý stelarátor Wendelstein 7-X v Ústavu fyziky plazmatu v Garchingu, o Large Hydron Collideru  v CERN ani nemluvě. HTS přívody pro ITER má na starosti pracovní skupina, kterou tvoří zástupci institucí z Japonska (NIFS), Evropy (CERN), Číny (ASIPP) a ITER Organization. Přívody vyrábí Čína. Pro tři typy HTS přívodů bylo vyrobeno pět funkčních modelů, na kterých se testovaly kritické technologie (izolace, svařování elektronovým paprskem, výroba výměníku tepla, konečná montáž nízkoteplotního supravodiče a vybavení měřicími přístroji). Nyní bude následovat výroba prototypů každého ze tří druhů HTS přívodů. Požadovaná třída kvality 1 vyžadovala nesmírně pečlivé zkoušení pod dohledem samotné ITER Organization. Každý dodavatel musel vybavit svůj výrobek 80 dokumenty kvality, které byly zkontrolovány ITER Organization a HTS pracovní skupinou. ITER Organization vyšle k dodavatelům své lidi, kteří na nejchoulostivější operace budou dohlížet osobně!

Přívody z HTS jsou zhruba dvakrát dražší než z mědi, ovšem nárůst ceny je kompenzován snížením nákladů na kryogenní hospodářství a úsporami energie. Nejdůležitější je ale příspěvek ke kladné energetické bilanci tokamaku. Vzorem pro návrh HTS přívodů byla úspěšná supravodivá zařízení jako tokamak EAST, stelarátory LHD, W7X či urychlovač  LHC. Zejména zkušenosti z montáže tisíce HTS přívodů na LHC v Cernu posloužily jako nejcitovanější vzor.

Napáječe magnetů

Dosud jsme si povídali o HTS přívodech, které jsou ale téměř zanedbatelnou (váží 0,5 tuny; a jsou dlouhé 3 metry) částí napáječe magnetů tokamaku ITER (ITER magnet feeder system). Napáječe magnetů spojují zdroje tekutého helia a elektrického proudu vně kryostatu se supravodivým systémem magnetů uvnitř kryostatu. „Průchodka“ umožňující spojení vnějšího světa atmosférického tlaku a vnitřního evakuovaného je velmi složité zařízení ani v nejmenším nepřipomínající známý, výše zmíněný, gumový prstýnek. Supravodivý systém magnetů tokamaku ITER totiž tvoří 18 cívek toroidálního pole, 6 cívek poloidálního pole, 6 modulů centrálního solenoidu, 18 korekčních cívek a konečně systém zázemí těchto cívek. To je 31 napáječů supravodivých cívek magnetů, kryogenní hospodářství a řízení magnetů a bezpečnostní jednotky. Každý napáječ magnetu tvoří vlastní napáječ uvnitř kryostatu, malá průchodka napáječe kryostatem a svorkovnice cívky (Coil Terminal Box/S-bend box (CTB/SBX)). Jen poslední část napáječe – vakuová nádoba – má hmotnost 27 tun a rozměry 8 x 1,3 x 1,5 m! Svorkovnice na galerii tokamaku převede elektrický proud a chladivo skrze stěnu kryostatu oddělující teplou a  chladnou zónu vysokovýkonných magnetů protékaných proudem od 10 do 68 kA.  CTB/SBX jsou uvnitř vakuové nádoby spolu se stovkami kryogenních komponent jako je tepelné stínění na 80 K, naše známé HTS přívody, supravodivé sběrnice, kryogenní obvody chladiva s ovládacími/bezpečnostními  ventily, sensory chladiva se signálními kabely a studené nosníky. To všechno tvoří „průchodku“ tokamaku ITER!

Zkoušky kvality jsou u napáječů obdobně důkladné jako u HTS přívodů. A to se stále bavíme například u vakuové nádoby o prototypu.

Poznali jste důležitou, nicméně jen jednu z mnoha součástek tokamaku ITER. Většina z nich jsou originály, které procházejí náročným řetězcem zkoušek: revize návrhu, funkční model, prototyp a konečně výroba. Měření, měření a znovu měření. ITER má více součástek než má Boeing. Pokud se vám zdá doba stavby tokamaku ITER 20 let příliš dlouhá, tak možná po přečtení článku si názor poopravíte.

Obrázky použity s laskavým svolením ITER Organization.