Tokamak WEST připraven ke startu!

Tokamak WEST se donedávna jmenoval Tore Supra, ale když jeho divertor získal nový kabát z wolframu, přijal i nový název WEST (W Environment in Steady-state Tokamak). W je chemická značka wolframu. Divertor je dolní část vakuové nádoby, kde panují nejextrémnější podmínky srovnatelné s povrchem Slunce, tj. ohřev výkonem 10 až 20 MW na čtverečný metr).

Z čeho udělat povrch vnitřní stěny?

Říká se, že problém jaderné fúze je především problémem materiálovým – z čeho vyrobit vnitřní stěnu reakční komory, aby vydržela neskutečně vysoké teploty a nálety neutronů? Nejprve se používalo sklo či keramika. Brzo se ale zjistilo, že se do plazmatu uvolňuje křemík, což plazma ochlazovalo. Záměna keramiky za nerezovou ocel nepomohla, místo křemíku se nyní uvolňoval kyslík a další prvky. Příliš nepomohlo ani vypékání stěny: tím se množství nepříjemných nečistot v plazmatu sice snížilo, ale nároky na kvalitu plazmatu se stále zvyšovaly. Skupině relativně málo výkonných tokamaků stačil uhlík. Ovšem nástup gigantických zařízení vyžadoval jiné řešení.

Materiály musejí být dva

Aby byl problém ještě složitější, má vnitřní stěna reakční komory dvě oblasti s různými úkoly. Větší části plochy se plazma ve standardní situaci nedotýká (drží ho magnetické síly), menší plocha naopak je určena pro řízený kontakt s plazmatem. Může to být limiter (clona), nebo divertor ve spodní části toroidální komory, kudy se odvádějí reakční produkty. Dvě části vnitřní stěny různě tepelně namáhané si přímo říkají o dva různé materiály. Například u tokamaku ITER je většina vnitřní stěny vakuové komory namáhaná méně a bude pokryta beryliem (kompromis mezi malým vyzařováním a velkou tepelnou odolností), zatímco mnohem zatíženější povrch divertoru bude z wolframu. Okolí divertoru je čerpáno mohutnými vývěvami, takže odpařený wolfram nestačí velkým počtem elektronů znečistit a ochladit hlavní „balík“ plazmatu mimo divertor. Atomy wolframu budou včas odčerpány. Wolframový povrch divertoru je však velkou neznámou. Proto nastoupil tokamak Tore Supra, držitel rekordu v délce pulzu, tedy i v rozptýleném výkonu, aby wolframový divertor vyzkoušel.

Namáhání divertoru

Divertor je součást vakuové komory tokamaku, která odvádí teplo a "popel" produkovaný tokamakovým plazmatem. Je vystaven největšímu tepelnému namáhání z celého zařízení.

Ačkoli tokamak WEST má mnohem menší objem plazmatu než ITER a nebude pracovat s fúzním (deuterium-tritiovým) plazmatem, jeho povrchy určené pro kontakt s plazmatem budou vystaveny srovnatelné tepelné zátěži. „Tepelná zátěž divertoru je přímo úměrná výkonu, kterým se plazma ohřívá,“ vysvětluje Jérôme Bucalossi, který vede projekt WEST v IRFM (Institute for Magnetic Fusion Research). „Plazma v tokamaku ITER se bude ohřívat celkovým výkonem kolem 150 MW. 50 MW dodají vnější zdroje a 100 MW poskytnou alfa částice – produkty fúzní reakce. Neutrony fúzní reakce v ITER nesou přibližně 400 MW, ale ohřevu plazmatu se neúčastní. Neutrony totiž nemají žádný elektrický náboj, proto je magnetické pole nezachytí a ony unikají na vnitřní stěny komory vakuové nádoby, kde se jejich kinetická energie mění na teplo. Pokud na divertor dopadá v průměru 100 MW a uvažujete jeho zasaženou plochu, zjistíte, že na čtverečný metr dopadá 10 až 20 MW. Jedním z úkolů tokamaku WEST je určit přesněji, jak, kde a na jak velkou plochu divertoru se teplo deponuje. Bucalossi vysvětlil, že stejná hodnota 10 až 20 MW na čtverečný metr vychází i pro WEST. Jak je to možné? Vždyť tokamak WEST ohřívá své plazma zvenčí výkonem „pouhých“ 15 MW a nepoužívá žádný vnitřní výkon z deuteriového plazmatu. „Těchto 15 MW se ovšem ukládá na mnohem menší plochu, 0,5 až 1 metr čtvereční! Tak vám vyjde zmíněných průměrných 10 MW/m² plochy divertoru tokamaku WEST.“

Postupné zkoušení

Celý divertor tokamaku WEST tvoří 456 jednotek PFU (plasma-facing units - prvků, které se doslova dívají na plasma) ve dvanácti 30 stupňových sektorech. V první etapě pracovního programu, která proběhne do poloviny roku, bude část divertoru tvořit pouze šest jednotek PFU namontovaných do aktivně chlazených dílů z 35 monobloků; zbytek se skládá z aktivně nechlazených wolframem pokrytých grafitových bloků podobně jako v tokamacích JET a ASDEX Upgrade. Japonská agentura ITER zabezpečí tři montážní díly a Institute of Plasma Physics čínské akademie věd (ASIPP) také tři. Osm dalších PFU bude instalováno v létě, ty pro změnu dodá Evropa. V této konfiguraci bude WEST fungovat s výstřely plazmatu trvajícími pouze několik málo sekund. To nepřekročí očekávanou dobu života grafitových bloků pokrytých wolframem. Na počátku roku 2019, až bude instalován celý aktivně chlazený wolframový divertor WEST, bude pracovat s plazmaty s dobou trvání odpovídající době trvání plazmatu ITER, to je do 1000 sekund. Omlazený Tore Supra, který v roce 2018 oslaví 30. výročí uvedení do provozu, se ujme své role posuzovatele hranice rizika pro gigantický ITER.

Výroba divertoru pro ITER

Tři společnosti - italská Walter Tosto, finská Hollming Ltd. a francouzsko-italské konsorcium vytvořené dohodou CNIM (Constructions industrielles de la Méditerranée) a Simic - podepsaly smlouvou o výrobě prototypu kazety divertoru. Výroba začala před 18 měsíci – 25 tunový kus vysoce kvalitní oceli byl pečlivě přeměněn na „štíhlou“ 4 tunovou komponentu pro ITER. Jakmile bude prototyp dokončen, zvolí evropská Domácí agentura, která odpovídá za objednávku kazet divertoru, společnost nebo konsorcium na jejich výrobu. Kazet bude namontováno 54 a dalších 4 až 6 bude náhradních. Těla kazet jsou navržena tak, aby odolala přechodným indukovaným elektromagnetickým silám, které se očekávají při největších disrupcích, a vyvolají po dobu pár desítek sekund přetížení odpovídající stovce tun. (Disrupce je nejzhoubnější nestabilita v tokamaku, která je doprovázena nej(h)různějšími neplechami (ubíhající elektrony ap.). Zkolabuje totiž elektrický proud v plazmatu, změna vybudí silné magnetické pole (megaampéry ve zlomku sekundy).)

„Dokončujeme fázi hrubého opracování,“ vysvětluje Eric Mercier, jeden z metodických inženýrů CNIM. „Je třeba odstranit tři milimetry a my to právě děláme. U tak precizní a delikátní operace potrvá tři týdny, než zbývající tři milimetry odstraníme.“ Poté bude třeba zkontrolovat rozměry, provést hydraulickou zkoušku, zkoušku těsnosti horkým heliem a nakonec funkční zkoušku, která zkontroluje mechanismus vložení komponenty do kolejnic na pojíždění po dně vakuové nádoby. Divertor pro tokamak ITER připomíná křeslo kapitána vesmírného korábu. Usazený na dně vakuové nádoby termojaderného reaktoru bude očekávat blízkost Slunečního – pardon tokamakového – plazmatu.

Obrázky s laskavým svolením ITER Org.