Dům, kde bydlí radiové vlny

Radiové vlny dokážou leccos – ty, o kterých je tento článek, dokážou zahřívat plazma v budoucím tokamaku ITER. A protože to bude „velká práce“, potřebují na to samostatnou budovu. Ocelová konstrukce, která vyrostla proti severovýchodní straně Montážní haly na staveništi ve francouzském Cadarache, je připravena pro velkou „Budovu vysokofrekvenčního ohřevu“. Bude doslova napěchovaná zdroji vysokofrekvenční elektrické energie a měniči, které budou dodávat 40 MW ohřevového výkonu do plazmatu tokamaku ITER. Napodobit Slunce na Zemi nebude jednoduché.

Ohřev pro termojadernou reakci

Deuterio-tritiové plazma v tokamaku se musí ohřát na teplotu kolem 150 miliónů stupňů tak, aby termojaderné reakce nabyly dostatečné intenzity. Základním ohřevem je známé Jouleovo teplo generované průchodem elektrického proudu plazmatem. S růstem teploty však klesá ohmický odpor a tím klesá i účinnost tohoto způsobu ohřevu. Nastupují dvě dodatečné metody ohřevů, z nichž ohřev vstřikem rychlých neutrálních částic (Neutral Beam Injection, NBI) se pěstoval zejména v USA, zatímco v SSSR se používalo vysokofrekvenční elektromagnetické pole. Tokamak ITER bude používat oba typy dodatečných ohřevů: 33 MW pro NBI, 2x10 MW ICRH a 24x1 MW ECRH, to je 77 MW dodatečného ohřevu. Tři jmenované typy ohřevu plazmatu patří do kategorie vnějších ohřevů. Plazma může být ohříváno i vnitřním zdrojem energie, kterým jsou alfa částice – produkt D-T termojaderné reakce.

Ohřev mikrovlnami

Metoda iontového a elektronového cyklotronového rezonančního ohřevu (Ion and electron cyclotron heating, ICRH a ECRH) používá radiové vlny různých frekvencí k přenosu tepla do plazmatu. Oba ohřevové systémy se zakládají na stejném principu: na konverzi elektrického výkonu do elektromagnetického záření. Nicméně výběr technologie záleží na vlnové délce, resp. frekvenci, která se vyrábí a podstatně se liší – ECRH může být přirovnán k mikrovlnné troubě, kde se místo jídla hřeje plazma a zdroj ICRH odpovídá výkonnému vysílači radiových vln typu, který se stále užívá ve vysílání informací z jednoho konce světa na druhý. Při ICRH se energie přenáší do iontů v plazmatu pomocí vysokoenergetického svazku o frekvenci 40 až 55 MHz. Pro ICRH je nutný generátor, přenosové linky a antény. Radiové vlny z generátoru se přenášejí linkami do antény umístěné ve vakuové nádobě. ECRH ohřívá elektrony v plazmatu pomocí intenzivního svazku elektromagnetického záření o frekvenci 170 GHz, což je rezonanční frekvence elektronů v zařízení. Elektron pak předává absorbovanou energii srážkami s ionty.

ECRH se také užívá k přenosu tepla do velmi specifických míst, kde je nutné minimalizovat nestability vedoucí k ochlazování plazmatu. ICRH systém má ve srovnání s ECRH výhodu, že svazek se může přenášet dálkově prostorem, což zjednodušuje zařízení a umožňuje, že zdroj může být od plazmatu vzdálen. Energii dodávají vysokofrekvenční gyrotrony. Cyklotronová frekvence je frekvence rotace částice v magnetickém poli. Méně hmotnější elektrony rotují mnohem rychleji než ionty. To znamená, že jejich rezonanční frekvence bude větší než rezonanční frekvence iontů. V tokamaku ITER bude systém ECRH také generovat „jiskru“, která ionizací plynné směsi deuteria a tritia nastartuje výboj v plynu.

Budova vf ohřevu

Budova vysokofrekvenčního (vf) ohřevu má impozantní rozměry. Je 50 metrů dlouhá, 43 metrů široká, 25 metrů vysoká. Z perspektivy budoucích uživatelů ale bude sotva stačit. Prostor uvnitř budovy bude sloužit dvěma různým systémům pro generaci radiových vln dodávajících energii na frekvenci odpovídající oscilacím různých částic uvnitř plazmatu; na těchto rezonančních frekvencích je absorpce mikrovlnného ohřevu největší.

Oba systémy vyžadují ke své činnosti značný elektrický výkon. V Budově vysokofrekvenčního ohřevu budou měnit masivní transformátory a usměrňovače průmyslových 22 kV/50 Hz střídavého napětí na napětí stejnosměrné pro gyrotrony vyrábějící frekvenci pro systém ECRH a tetrody vyrábějící frekvenci pro systém ICRH. Zdroje energie (celkový výkon na vstupu 100 MW) pro oba rezonanční ohřevy zaujmou větší část prvních dvou pater, zatímco v posledním patře budou umístěny vlastní generátory frekvencí.

Samotné generátory zaberou také hodně prostoru: například na straně ECRH to bude dvacet čtyři gyrotronů vysokých 2,5 metrů – každý dodá výkon odpovídající 1 000 kuchyňským mikrovlnkám. Aby nedocházelo k magnetické interferenci, musí být zdroje od sebe vzdáleny nejméně pět metrů. Výkonný radiový paprsek vyrobený v Budově vysokofrekvenčního ohřevu musí putovat 100 metrů dlouhým vlnovodem k tokamaku, kde kanóny ECRH a antény ICRH – masivní komponenty, každý o hmotnosti do 45 tun – budou dodávat příslušný výkon hluboko do plazmatu.

Proč je tak daleko

Instalace zdrojů daleko od tokamaku je nutnost diktovaná účinky magnetického pole: pokud by zdroje byly blíže, intenzivní magnetické pole tokamaku by magnetické pole gyrotronů rušilo.

Příštích několik málo měsíců budova rychle poroste. Brzy budou postavena vnitřní podlaží a postranní stěny a časně zjara bude Budova vysokofrekvenčního ohřevu hotova, což dovolí začít pracovat na vnitřním vybavení. V polovině roku 2018 se budou postupně instalovat zdroje energie, následované v letech 2019-2020 gyrotrony ECRH a tetrodami ICRH.

ITER a počasí

Řekněte si, jakou roli může hrát při provozu takového monstra, jako bude tokamak ITER, počasí? A přece! Budovy tak veliké jako je Montážní hala, Budova vysokofrekvenčního ohřevu, či samotná Budova tokamaku se budou „pohybovat“ ve větru, budou se vlivem slunečního tepla, ohřevu či ochlazování roztahovat a smršťovat, což bude hýbat i jimi procházejícími vlnovody. Na vedení vzniknou nehomogenity. Vzpomeňme, jakou neplechu udělal „zapomenutý“ přechodový odpor po spuštění Large Hadron Collider v CERNu. Ohřál se a katastrofa byla na cestě. Průchod mikrovlnné energie nehomogenitami na vlnovodu vlnovod rovněž ohřívá, a i když prodloužení je jen v řádu milimetrů, správní nastavení vlnovodu počítá se zlomky milimetrů!

Počasí tedy hraje velkou roli. Zvláště se to týká vlnovodu pro frekvenci přenášenou z Budovy vysokofrekvenčního ohřevu skrze Montážní halu do Budovy tokamaku. Jak se Montážní hala pohybuje, křiví vlnovody mezi budovami. Tato pokřivení narušují přenos mikrovlnného svazku, což se projeví růstem teploty transmisního vedení směrem k jeho ústí ve vakuové komoře a zahříváním anténního zakončení v průchodkách. Protože mikrovlnné paprsky představují výkon až 1 MW, což zde odpovídá hustotě výkonu přesahující 1 GW/m², mohla by větší pokřivení generovat velká tepelná zatížení. Izolace budov proti výkyvům počasí tedy bude důležitá.

Metrologové měří

Úlohou skupiny metrologů je změřit maximální posuny Montážní haly a potvrdit či vyvrátit předpovězené posuny do velikosti +/-15 mm během typického dne. Posuny se mohou zdát nepatrné, ale vzhledem k nastavení vyžadovanému pro transmisní vedení (držáky vlnovodu jsou nastaveny se submilimetrovou přesností na vzdálenost čtyř metrů) se jedná o velká čísla.

Aby zjistila skutečné zastavěné rozměry s požadovanou submilimetrovou přesností, měřila skupina metrologů navíc relativní pozice tří budov. Měřilo se v kritickém místě konstrukce během podzimu, kdy přízemí všech tří budov bylo v podstatě usazeno a mezera mezi Montážní halou a Budovou vysokofrekvenčního ohřevu nebyla ještě uzavřena. To dovolovalo přesné měření polohy Montážní haly vzhledem k Budově vysokofrekvenčního ohřevu. První kolo měření se uzavřelo koncem ledna tohoto roku a všechny informace budou předány skupině elektron-cyklotronové frekvence; ta postaví model pro průchod transmisního vedení. Navíc se znalost posunu budovy použije pro opravu požadavků na zátěžovou specifikaci transmisního vedení.

Další kolo měření se uskuteční, až budou všechny tři budovy Tokamak, Montážní hala a Radiová frekvence v roce 2019 hotovy.

Ilustrace použity s laskavým svolením ITER Organization.