Stabilizace plazmatu v tokamaku - dříve kožich, dnes elektronika

Při uvolňování energie jadernou fúzí je důležitým parametrem pro zachování ustáleného stavu, aby bylo termojaderné plazma izolováno od stěn nádoby pomocí magnetického pole supravodivých cívek. Supravodivé magnetické cívky mají mnohem menší příkon, než jaký by při stejném magnetickém poli vyžadovaly cívky měděné. Díky supravodičům může sice fúzní reaktor pracovat „neomezeně dlouhou dobu“, ale na druhé straně vzniká jiný problém - pomalejší odezva supravodivých cívek ve srovnání s měděnými cívkami, které taková omezení nemají. Při snížené rychlosti odezvy je obtížné udržet stabilní výboj ve velkém objemu plazmatu nebo s protaženým svislým rozměrem - výškou. Studium tohoto problému v současném supravodivém zařízení je zvláště užitečné pro ITER, mezinárodní fúzní experiment ve výstavbě, který by měl ověřit realizovatelnost jaderné fúze pro energetické účely.

Čelná pozice ve studiu otázky řízení supravodivých magnetů patří tokamaku Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), jednomu ze dvou celosupravodivých tokamaků na světě (druhý celosupravodivý tokamak patří Číně – EAST, Experimental Advanced Supreconducting Tokamak). Jeho supravodiče jsou vyrobeny z niobu a cínu, stejného vodiče, který je plánován i pro použití v ITER (Nb₃Sn supravodič pro silné magnetické pole).

Týmová práce Koreje a USA

Tým amerických a korejských vědců vedený fyzikem Dennisem Müllerem z U. S. Department of Energy’s (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) nyní významně zlepšil stabilitu protáhlého plazmatu (průřez plazmatem má tvar písmena D) v tokamaku KSTAR a je návodem, jak řešit podobné problémy v jiných supravodivých zařízeních, jako bude kupříkladu již zmiňovaný tokamak ITER. Úspěšná řídicí metoda, kterou demonstroval letos v létě Müller a fyzici z National Fusion Research Institute (NFRI) v Jižní Koreji, je plodem několikaletého úsilí ovládnout vertikální nestability (VDE, Vertical Displaced Event), které ve vakuové komoře o délce 11 stop pohybují plazmatem nekontrolovatelně nahoru a dolů. "Když se plazma roztáhne do výšky, stane se nestabilní," uvedl Müller v říjnu na 59. výročním zasedání divize Physical Society of Plasma Physics. "Nová korekční metoda zabraňuje plazmatu pohybovat se náhodně nahoru a dolů tím, že se stabilizuje střed svislého rozměru plazmatu. Zvládnutí vertikální nestability umožnilo v tokamaku KSTAR pracovat s vyšším či protáhlejším plazmatem, než umožňovala původní konstrukční specifikace."

Modifikovaná elektronika

Klíčem ke stabilizaci byla elektronika modifikovaná pro senzory, které detekují magnetické pole plazmatu, pohyb plazmatu a jeho polohu. Modifikované snímače posílají řídicí signál, který poskytuje zpětnou vazbu svislé polohy. Zpětná vazba používá vertikální řídicí cívku (in-vessel vertical control coil, IVC) uvnitř nádoby, která eliminuje změny svislé polohy a brání kolapsu plazmatu. "Použití signálů vylepšených senzorů je rozhodující pro správný chod řídicího systému," řekl Müller. Nové magnetické snímače byly také výsledkem týmové práce. Elektroniku poskytli výzkumníci tokamaku KSTAR Jun Gyo Bak a Heungsu Kim. Vedoucími skupiny byli Müller z laboratoře PPPL a Sang-hee Hahn z tokamaku KSTAR. Nicholas Eidietis ze společnosti General Atomics vyvinul kromě vylepšení senzorů i řidicí systém, který rozlišuje mezi rychlými a pomalými změnami signálů snímačů a určuje, které cívky mají reagovat na pohyb plazmatu v různých časových intervalech. Konečným výsledkem této mezinárodní týmové práce je kontrolní systém, který účinně reaguje na pohyby plazmatu, což umožňuje i provoz s plazmatem o větším svislém rozměru, překračujícím konstrukční specifikace KSTAR (čili třeba v budoucím ITERu).

Dříve se používal "kožich"

První tokamaky podobné magnetohydrodynamické nestability řešily pomocí "kožichu" – tlustého měděného oplášťování vakuové komory. O stabilizaci se pak postaraly vířivé proudy vybuzené pohybem plazmatického provazce v kožichu.

Další informace o práci Forrestal Campus v Princetonské univerzitě v Plainsboro v New Jersey naleznete na adrese science.energy.gov.