Zkouška velké studené pasti

Dosažení extrémně vysokého vakua uvnitř obrovské toroidální vakuové komory tokamaku ITER  je nezbytným předpokladem pro zahájení operací s plazmatem. Vakuum budou mít na starosti kryopumpy. ''Nikdo nikdy nevyrobil žádnou kryopumpu srovnatelnou s tímto strojem, '' říká vakuový inženýr ITER Roberto Salemme. Komponenta o délce 3,4 metru, hmotnosti 8 tun se právě testuje v laboratoři, kterou postavil vakuový tým ITER v Cadarache. Kvalita vakua potřebného pro ITER je v řádu 10^-11 atmosférického tlaku, což odpovídá tlaku v meziplanetárním prostoru, a toho nelze dosáhnout mechanickým čerpacím systémem. Existuje naštěstí jednoduchý fyzikální princip, který umožní převzít úlohu mechanických čerpacích strojů – rotačních vývěv -, když tyto dosáhnou svých hranic. A na něm je založena kryopumpa.

Když se molekula nebo atom setká s extrémně chladným povrchem, předá mu srážkou svou energii a sám ji ztrácí; zpomalí se téměř do klidu a zůstává při onom povrchu. Tento jev se nazývá "adsorpce" a jeho intenzita je obráceně úměrná teplotě povrchu: čím je chladnější, tím je větší jeho udržovací síla. Na tomto principu je založeno kryogenní čerpadlo, krátce kryopumpa. V tokamaku ITER bude kolem vakuové nádoby umístěno šest kryopump s dvojí úlohou: zlepšování vysokého vakua uvnitř vakuové nádoby před operací a odstranění heliového popela, nespáleného paliva a všech nečistot uvolněných během plazmových výstřelů. Další dvě kryopumpy budou instalovány na kryostatu, aby zabezpečily vakuum, které tepelně izoluje systém magnetů od okolního prostředí.

Kokosy pro ITER

Každá kryopumpa tokamaku ITER je vybavena 28 "kryopanely", které budou ochlazeny na 4,5 K (minus 268,5 °C) proudem nadkritického hélia. Tyto extrémně chladné povrchy vytvoří extrémně účinnou past na částice. Kryopanely (o délce jednoho metru a šířce 20 centimetrů) jsou potaženy velmi jemnou porézní uhlíkovou matricí získanou ze dřevěného uhlí z kokosové skořápky. Optimální absorbér – „houba“ s maximálním vnitřním povrchem – se pro ITER hledal 20 let. Vyzkoušela se řada materiálů, sintrovanými kovy počínaje, přes porézní minerály – zeolity, aby se skončilo u starého dobrého černého uhlí. Z čeho vyrobit černé uhlí pro ITER? Hledání pokračovalo. Zkoušely se průmyslové polymery, různé druhy dřeva, rašeliny, vlna, bavlna a další. Zvítězily kokosové ořechy z Indonésie sklizené v roce 2002! Karlsruhe skoupilo většinu zmíněné sklizně a několik tun uskladnilo do dnešní doby. Docela legrační představa, jak v sousedství špičkové techniky pro jaderný výzkum ve Forschungzentrum Karlsruhe leží hromady slupek kokosových ořechů. Navzdory jejich poměrně malým rozměrům poskytují po zuhelnatění obrovský povrch, na který se částice mohou „přilepit“: pokud by se rozvinula do plochy, každá karbonová matrice by pokryla 5,5 km², což je plocha o velikosti téměř třinácti stavenišť ITER.

Prototyp

V srpnu loňského roku na staveniště ITER přicestoval funkční prototyp kryopumpy pro systém čerpání toroidální vakuové komory, který dodala organizace ITER ve spolupráci s Evropskou domácí agenturou. Masivní a vysoce sofistikovaná součást se v současné době testuje v laboratoři, kterou vytvořil vakuový tým ITER v sousední CEA-Cadarache, v blízkosti haly, která hostí tokamak WEST.
"Ještě nikdo neudělal kryopumpu srovnatelnou s touto. Je to zcela jedinečné zařízení a musíme se s ním seznámit," říká Roberto Salemme, vakuový inženýr ITER, který dohlíží na malý tým z konsorcia Air Liquide-40/30 provádějící testování.

Evakuace

První část práce mají na starost mechanická čerpadla: evakuují, tj. vyčerpají vzduch a většinu molekul z nádoby tokamaku o objemu 1 400 m³ a sníží tlak v komoře na desetitisícinu tlaku atmosféry (kvalita vakua se určuje podle zbytkového tlaku). To však nebude stačit. Proto nastoupí kryopumy.
Kryopumpa se připojí přímo k vakuové nádobě nebo ke kryostatu (objem 8 500 m³). Pro testování se k napodobení těchto podmínek instalovala "báň" (objem 0,4 m³), která uzavře otevřený konec prototypu kryopumpy. Jedním z hlavních objektů zkoušek je ventil uvnitř kryopumpy - největší celokovový vysokotlaký ventil na světě. Má hmotnost 80 kilogramů, jeho hlava má průměr 80 cm a pohybuje se po 40cm zdvihu hřídele. Zavírání musí být zajištěno s přesností 0,1 mm, aby celokovová těsnění perfektně těsnila.

Falešná vakuová komora

"Musíme popsat mechanické vlastnosti a chování ventilu a přesně měřit síly, které jsou třeba vynaložit pro jeho pohyb v šachtě, a získat požadované těsnicí charakteristiky jak za atmosférického tlaku, tak za vakua, "vysvětluje Roberto. Po instalaci do tokamaku ITER se kryopumpa připojuje přímo k vakuové nádobě. Aby byla tato konfigurace napodobena v laboratoři, bylo čerpadlo vybaveno bání, která uzavírá otevřený konec kryopumpy a dovoluje vytvořit vakuum uvnitř, což stačí pro charakterizaci mechanického provozu ventilu v "reálných" podmínkách. Je toho mnoho, co je ještě třeba prozkoumat, změřit a charakterizovat před tím, než mohou kryopumpy nastoupit do sériové výroby. Budou nezbytné testy za kryogenních podmínek pro stanovení podrobné posloupnosti operačních sekvencí na tokamaku ITER. Vše, co lze provést předem - například tyto testy v laboratoři - zjednoduší uvedení do ostrého provozu.

Volně podle Roberta Arnouxe.

Kresba uspořádání kryopumpy (Credit © ITER Organization, http://www.iter.org/)

Front flange                                     přední příruba

Charcoal coated cryopanels               kryopanely pokryté jemným porézním „dřevěným“ uhlím                                                              z kokosových šlupek (čerpací část pumpy)

Pump casing                                    kryt pumpy

Pneumatic actuator                          pneumatický posuv ventilu

Pumping plug                                  zásuvná část pumpy

Thermal radiation shield                   stínění před tepelným zářením

Valveshaft                                       šachta pro posuv ventilu

Valvehead                                       hlava ventilu