Jaký má plazma tvar? Zeptejte se magnetických smyček!

Tokamak je skvělým představitelem úspěšného výzkumu principu řízené termojaderné fúze pomocí magnetického pole. Magnetické pole slouží jednak k izolaci termojaderného média – horkého plazmatu – a tím i vůbec jeho udržení po delší dobu, jednak k měření nejrůznějších parametrů plazmatu. Zatímco k izolaci slouží mnohatunové kolosy, k měření stačí „cívečky“ o hmotnosti několika gramů, často mající jediný závit. V tom případě mluvíme o smyčkách. Diagnostika magnetickou smyčkou (flux loop) nacházející se uvnitř zařízení může poskytnout obsluze informace o tvaru okraje, energii i stabilitě plazmatu.

Na vnitřních stěnách vakuové nádoby ITER bude umístěno více než 200 magnetických senzorů formy magnetických smyček pro zaznamenávání změn magnetického toku způsobených plazmatem. Navíc čtyři smyčky přichycené na vnějším povrchu vakuové nádoby dokonale pohlídají plazmovou komoru zvenčí.

K čemu smyčky slouží

Ze signálů produkovaných magnetickými senzory bude možné odvodit polohu a geometrii plazmatu. Magnetické senzory měří proud v plazmatu či v konstrukci zařízení a současně diagnostikují magnetickou rovnováhu. Výstupy čidel jsou napojeny přímo na řídicí systém tokamaku a zabezpečují tak správnou funkci odpovídajících komponent tokamaku nezbytných pro činnost zařízení jako celku. Informace o rovnováze se také využijí pro všechna další měření v tokamaku - přiřadí jejich výsledky správné oblasti plazmatu.

Z čeho smyčky jsou

Soubor magnetických senzorů tvoří 234 čidel na vnitřním povrchu vakuové nádoby. Ty jsou tvořené z tenkého koaxiálního kabelu stočeného do uzavřených smyček, z nichž každá zaznamenává změny magnetického toku pohybujícího se plazmatu. Tyto změny indukují v uzavřených smyčkách napětí, které lze zaznamenat elektronikou ve stíněné zóně Diagnostické budovy. Změny magnetického toku dovolují zobrazit změny tvaru plazmatu. Již více než čtyři roky spolupracuje organizace ITER s průmyslem na vývoji těchto snímačů vyrobených ze speciálního koaxiálního kabelu s izolací z minerálních vláken. Kabel musí odolat drsným podmínkám silných elektromagnetických polí, intenzivního záření a vysokých teplot uvnitř tokamaku. „V poslední předkvalifikační zkušební etapě jsme spolupracovali s odborníky na kabely,“ říká Philippe Gitton, inženýr diagnostiky. „Vybraný dodavatel Thermocoax (Francie) úspěšně vyvinul 1,9 mm a 3,0 mm silný koaxiální kabel s měděným jádrem, izolací z oxidu hlinitého, opláštěním z nerezové oceli a přidanou vrstvou měděného povlaku, který bude stínit kabel před mikrovlnami a tím před přehříváním.“ Izolace minerálním vláknem chrání vlastní měděné diagnostické vlákno před účinky plazmatu a nerezový plášť zvyšuje mechanickou pevnost. Pro sledované frekvence je skin efekt (soustředění proudu hlavně na povrchu vodiče) nerezového pláště zanedbatelný.

Jak se smyčky instalují

Na instalaci proudových smyček budou dohlížet inženýři ITER. Práce začne, jakmile přivezou do Montážní haly první sektor vakuové nádoby, a bude pokračovat podle toho, jak budou přidávány další sektory, aby nakonec v jámě pro reaktor vytvořily uzavřený torus. Většina cívek je na vnitřní straně vakuové nádoby, ale čtyři externí proudové smyčky pomocí speciálních spojů skryté mezi tepelným štítem a nádobou obtočí zvenčí celý obvod vakuové komory. „Budeme formovat proudové smyčky na místě ručně z kabelů připravených našimi dodavateli,“ říká Gitton. Smyčky pokryjí vnitřní stěnu vakuové nádoby a budou uchyceny pomocí nových držáků, které dokážou odvádět teplo a fungují tak jako chladiče. Teplota kabelů bude nižší než 250 °C. Upevnění je nutné každých šest centimetrů, takže celkem 2,4 km kabelu bude vyžadovat asi 40 000 chladicích skřipců. Na upevňovacích bodech použijí montéři speciální způsob, kterým nechají kabelům rezervu volnosti pro kompenzaci rozpínání a smršťování vakuové nádoby během různých fází činnosti a údržby tokamaku.

„Kromě „full toroidal loops“ najdeme ve vakuové komoře „sedlové smyčky“ pro měření rozdílu v poloidálním magnetickém toku, „diamagnetické cívky“ pro měření energie plazmatu, „Rogovského cívky“ k měření elektrického proudu v plazmatu a desítky až stovky Mirnovových a částečných Rogovského cívek k měření lokálních magnetických polí a proudů. Ty poslední dvoje jsou důležité pro sledování nestabilit plazmatu a výpočet tvaru plazmatu (spolu s dalšími flux loops),“ upřesňuje Vladimír Weinzettl, vedoucí diagnostické sekce Oddělení tokamak v Ústavu fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.