Očkování tokamaku JET proti disrupcím

Očkování v medicíně zachránilo a zachraňuje miliony životů. Co je to ale za nesmysl, očkovat tokamak, řeknete si. A přitom je to tak. Evropský největší tokamak JET v anglickém Culhamu dostane injekci. Pokud to zafunguje, bude stejné injekce dostávat i ITER, který se právě staví. Aby byl odolný proti nestabilitám plazmatu, tzv. disrupcím.

Vstřikovač rozprášených pelet (shattered pellet injector) s použitím stejné technologie, jaká je plánována pro zmírnění disrupcí na tokamaku ITER, se bude brzy testovat na tokamaku JET v Culham Center for Fusion Energy UK. Technické komponenty jsou již v provozu.

Disrupce a vstřikovač

Co je to „disrupce“? Nestabilita, která zhasne výboj v plazmatu. Nestabilitu může způsobit např. příliš mnoho energie v plazmatu. Obrovský gradient změny elektrického proudu v plazmatu vyvolá silné magnetické pole, sledované skokovou mechanickou silou působící na cívky, které může náraz poškodit! Co si představit pod pojmem „vstřikovač rozprášených pelet“? Pracovní plyn pro pelety bude neon, argon, deuterium nebo helium; pelety budou typicky tvořeny neonem s vnější vrstvou deuteria. Pelety se při vstupu do vakuové nádoby rozbijí nárazem na destičku a poté rozpráší, aby se jejich materiál lépe rozptýlil do plazmatu. Plazma se ochladí a rodící se disrupce se potlačí.

Vstřikovač na tokamaku JET

Ve středisku Culham Center for Fusion Energy ve Spojeném království spolupracuje na instalaci vstřikovače a jeho uvedení do provozu mezinárodní tým. Testování zařízení na tokamaku JET pomůže skupině pracující na zmírnění disrupcí v tokamaku ITER ověřit správnost výběru návrhů pro velký tokamak. Podobné experimenty absolvoval již tokamak DIII-D firmy General Atomic v USA, který má však objem plazmatu čtyřikrát menší než má JET. „Jsme rádi, že můžeme začít zkoušet nový vstřikovač rozprášených pelet na tokamaku JET - je to důležitá část připravovaného programu EUROfusion,“ řekl Joe Milnes, senior vedoucí Oddělení provozních smluv pro UK Atomic Energy Authority.

Škálování vstřikovače z JET na ITER

Aby bylo možné vyrábět hořící plazma na ITER (ohřívá se „samo“ pomocí produktů fúze), je nezbytný fungující systém potlačení či alespoň zmírnění disrupcí. Poruchy plazmatu mohou být příčinou velkého tepelného zatížení, velké elektromagnetické síly a vzniku svazků runaway elektronů. Po prozkoumání různých návrhů se dohodli partneři Organizace ITER na mezinárodním workshopu v roce 2017, že vstřikování zmrazených pelet deuteria, neonu nebo argonu bude základní metodou pro ovlivnění disrupční nestability plazmatu v tokamaku ITER. Experimenty na tokamaku DIII-D v San Diegu v Kalifornii ukázaly, že vstřikování rozprášených pelet vede k účinnějšímu ochlazení v důsledku hlubšího pronikání fragmentovaných pelet do nitra plazmatu ve srovnání s druhou zkoumanou technikou - masivní plynovou injekcí. „Použitelnost výsledků z JET bude značně vyšší. Zjistíme, jak se míra zmírnění disrupce mění s rostoucí velikostí a energií plazmatu. To nám poskytne větší důvěru v předvídaný výsledek ovlivnění disrupcí na tokamaku ITER,“ řekl Larry Baylor, významný vědec z Oak Ridge National Laboratory Fusion Energy Division. „Unikátní vlastností tokamaku JET je, že má vnitřní stěnu vakuové komory ze stejných materiálů, jaké bude mít ITER - z beryllia a wolframu, což ovlivňuje chování při disrupci.“

Kanón na pelety

Vstřikování rozprášených pelet zahrnuje kryogenně zmrazené pelety z deuteria, neonu, argonu nebo jejich kombinace ve speciálně konstruovaném kryogenním „trubkovém kanónu“. Při nástupu disrupce se peleta okamžitě vstřikuje do plazmatu rychlostí 500 až 1 800 km/h. Rozprášením pelety v zakřivené trubici před vstupem do vakuové nádoby je možné vytvořit kolimované spršky drobných kapiček, které pronikají hluboko a rychle do nejhustšího a nejteplejšího místa plazmatu. Jakmile bude zjištěna disrupce v tokamaku ITER, bude muset být do jeho plazmatu dodáno větší množství materiálu než u tokamaku JET, protože objem plazmatu ITER je desetkrát větší než objem plazmatu JET. Potřebného množství se dosáhne větším množstvím rozprášených pelet pomocí několika vstřikovačů.

Vstřikovač rozprášených pelet instalovaný na tokamaku JET je podobný těm, které jsou plánovány pro použití na ITER, ale je přizpůsobený parametrům plazmatu JET. Injektor bude používat tři odlišné pelety, velikostí od 4,5 mm do 12,5 mm, v závislosti na experimentu. „Experimenty pomohou odpovědět na otázky, zda injekce rozprášených pelet odstraní přebytečnou energii z plazmatu dostatečně rychle a dostatečně rovnoměrně, aby účinně zmírnila disrupce ve velkém tokamaku jako je JET a dokonce jakým bude ITER,“ řekl Baylor: „Naučíme se také, jak se fyzika rozptylu mění v objemnějším, energetičtějším plazmatu.“

Vstřikovač na tokamaku KSTAR

Plánují se také další experimenty s injektorem, tentokrát na supravodivém korejském tokamaku KSTAR (JET není supravodivý). V experimentech na tokamaku KSTAR budou nasazeny dva identické tříválcové vstřikovací systémy s rozprašovanými peletami, které napodobují plánovanou metodu více vstřikovačů na tokamaku ITER. Tyto experimenty jsou rovněž součástí úsilí pracovní skupiny ITER pro snižování poruch provozu disrupcemi. Měly by ověřit výběr návrhů systémů a připravit technologii vstřikování rozprašovaných pelet na průmyslovou úroveň