Protitlakové prstence pro ITER

Určitě jste někdy zkoušeli přiblížit magnety stejným pólem k sobě. Nešlo to a nešlo. Takový nástěnkový magnet má pár gramů. A odpudivá síla je překvapivě velká. Nyní si představte magnet se supravodivým vinutím o hmotnosti 360 tun, kterým se prohánějí desítky kiloampérů elektrického proudu. Elektromagnety cívek toroidálního pole (TFCs) tokamaku ITER na sebe působí silou tisíce tun (fyzikové mi snad odpustí nekorektní, avšak názornou jednotku). Úkolem je upevnit 18 cívek toroidálního pole tokamaku ITER tak, aby se pod touto zátěží nepohnuly, ani v průběhu očekávaných 30 000 plazmatických pulzů, čili během celé jejich předpokládané dvacetileté životnosti. Každý vynucený pohyb může cívky poškodit.

Protitlakové prstence magnetického systému ITER pevně drží cívky toroidálního pole (TFCs) nahoře a dole s radiální silou 7 000 tun na jednu cívku. Nejvhodnějším materiálem, který vydrží takové vysoké zatížení a zabraňuje cirkulaci proudů během provozu zařízení, je sklo-epoxidový laminát (kompozit epoxidové pryskyřice vyztužený skleněnými vlákny). Většina kovů by totiž při napětí vznikajícím v kompozitových prstencích praskla.

ENEA, Frascatti, Italie, 2011 – zkoušky modelů

Protitlakové prstence ITER jsou pravděpodobně nejmasivnější kompozitní struktury, jaké se kdy někdo na světě pokoušel vyrobit. Více než jedno desetiletí důkladné práce v oblasti výzkumu a vývoje v ENEA (Enta per le Nuove Tecnologie, l’Energia e l’Ambiente, Frascati, Italie) dokázalo překonat v rámci dohod s EFDA, F4E a ITER všechny nemalé technické problémy nového úkolu. Tým Paola Rossiho v ENEA našel dva vhodné výrobní postupy výroby prstenců a vyvinul nedestruktivní vyšetřovací metody prstenců rentgenovým zářením a ultrazvukem. Italský tým dokončil úplnou mechanickou charakteristiku kompozitu skleněných vláken a epoxidové pryskyřice při pokojových a provozních teplotách. To vše pomocí jednoúčelového stroje vyvinutého v ENEA, který s 18 nezávislými hydraulickými stahováky simuluje soubor 18 cívek toroidálního pole (TFCs).

Problémem však byla možnost časové degradace (creep). Tým tudíž kreslil po dobu tří let křivku popisující dlouhodobou odolnost materiálu prstenců a malých vzorků zatížených nepřetržitě různými napětími. Extrapolace dlouhodobě naměřených hodnot ukázala, že skutečné prstence pod provozním zatížením by v ITER měly odolat po mnoho let (< 30 % měřených a nalezených bodů zlomu na modelech a vzorcích), mnohem déle než je předpokládaná životnost tokamaku ITER.

La Seyne-sur-Mer, Francie, 2019 – zkoušky prototypů

Skupina inženýrů pracujících v projektu ITER dostala pro svá měření zcela novou dílnu o rozloze 140 m² v La Seyne-sur-Mer, v jižní Francii. Malé městečko hrdé na jednu z nejlepších evropských loděnic je nyní hostitelem testů komponent největšího energetického experimentu na světě – tokamaku ITER. Společnost CNIM (Constructions industrielles de la Méditerranée), společnost s dlouhou historií, ve spolupráci s Douce Hydro vyrobila testovací zařízení protitlakových prstenců ve skutečné velikosti. Smlouvu podepsala s konsorciem organizace ITER. Evropská domácí agentura ITER – F4E má pak na starosti návrh koncepce zařízení a jeho technickou aktualizaci.

Dílně dominuje zařízení, které se skládá z 36 jednotek, které jsou schopny každá „ohýbat svaly“ silou 1 000 tun. Budou testovat odolnost každého z předlisovaných prstenců vůči vysokým zatížením. Jakmile bude jeden z prstenců umístěn na zařízení, 36 jednotek začne pracovat současně s přesností 0,1 mm. Vyvine jako celek testovací sílu 36 000 tun. Je to, jako když by se prošlo po prstenci 6 000 afrických slonů, tedy 6 000 nejtěžších suchozemských savců. Zátěžové testy budou trvat několik hodin a budou doplněny dalšími zkouškami, aby se potvrdilo, že i degradace v čase je v přípustných mezích. Přibližně 40 lidí z organizací F4E a ITER ve spolupráci s konsorciem CNIM / Douce Hydro pracovalo nepřetržitě během posledních 18 měsíců, aby splnilo přísný harmonogram, který zajistí, že zařízení bude včas plně funkční. První testy s prvními prototypy protitlakových prstenců se odehrávají od začátku roku 2019.

Exel, Finsko – materiál a technologie

Materiál pro sklolaminát dodá finská firma Exel. Hlavní kroky výroby protitlakových prstenců jsou: navíjení, vytvrzování, obrábění, kontrola a ověřování. Laminát bude navinut do tvaru prstence. Nástroj bude materiál pomalu ohýbat a na každou vrstvu se nanese spojovací páska (bonding tape). Šroubovicový pohyb se bude opakovat více než 150krát, dokud PCR (Pre-Compression Rings) nebude tvořit stanovený počet vrstev - ty budou následně vytvrzeny. Posléze se polotovar obrobí, odstraní se přebytečný materiál, aby se dosáhlo potřebného tvaru.

Patrick Loock, vlastník Exel Composites Segment Business, vysvětlil, jak klíčové byly znalosti společnosti Exel v oblasti výroby inovativních kompozitních produktů využívajících technologii pultrusion: „Naše priorita spočívá ve vývoji nejvyšších standardů kvality v průmyslu, to nám umožnilo úspěšně spolupracovat s programy společností jako je CERN a nyní ITER, které „neuznávají“ stávající hranice technologií. Vytvořili jsme vysoce výkonný systém epoxidových pryskyřic, který splňuje požadavky ITER PCR. Zajistili jsme, aby 3 km dlouhé kroužky ze skleněných vláken splňovaly všechny normy a vyvinuli jsme speciální navíjecí nástroje pro jejich výrobu. Jsme hrdí, že můžeme podpořit průlomový projekt ITER, neboť připravuje cestu k termojaderným elektrárnám zítřka."

Shrnutí

18 cívek toroidálního pole (TFCs) vytvoří masivní magnetickou klec, která izoluje super-horké plazma tokamaku ITER od stěn reaktoru. Při oddělování horkého plynu – plazmatu – od stěn vakuové nádoby může dojít v důsledku působení proměnlivých silných magnetických polí k určité únavě nebo deformaci cívek. Klíčem k přežití cívek po dobu nejméně dvaceti let jejich předpokládané životnosti je devět protitlakových prstenců. Prstence budou muset být umístěny na různých úrovních – tři nahoře a tři pod vnitřní „klenbou“ tvořenou zaklíněnými „nosy“ cívek TFCs. Další sadu tvoří tři náhradní prstence pro případ, že bude třeba v budoucnu vyměnit spodní sadu. Prstence mají vnitřní průměr přibližně 5 m, průřez téměř 300 × 300 mm a jeden váží přibližně 3 tuny. Jsou vyrobeny ze sklolaminátového kompozitu, skládajícího se z více než miliardy miniaturních skleněných vláken, které budou lepeny dohromady pomocí epoxidové pryskyřice. Za jejich výrobu odpovídá Evropa.