Centrální solenoid ITER

Který magnet tokamaku je nejdůležitější? Bez magnetů toroidálního pole vám plazma uteče na stěny komory, bez magnetů pole poloidálního nedosáhnete potřebného tvaru plazmového provazce, bez magnetů centrálního solenoidu nebude žádné plazma…Stop! Centrální solenoid leží v samém centru tokamaku a bude prvním velkým elektromagnetem instalovaným na tokamaku ITER. Centrální solenoid je nejdůležitější! A je také nejdůležitějším americkým příspěvkem k tokamaku ITER. Kolik součástek z miliónu, ze kterých bude složen tokamak ITER, bude originálních (vyrobených zcela poprvé)? Odhaduji tak 70 % až 80 %. Poslechněte si část příběhu jedné z nich. Seznamte se s centrálním solenoidem.

Konstrukce centrálního solenoidu

Ve škole děti často vyrábějí solenoidy ovíjením drátu kolem hřebíku a po vytažení hřebíku připojí drát k baterii: proud magnetizuje cívku – v prostoru obklopeném cívkou se objeví magnetické pole. Centrální solenoid ITER uprostřed vakuové komory bude fungovat stejným způsobem, ale váží tisíc tun a bude čtrnáct a půl metru vysoký. Vodič, z něhož je solenoid navinut, bude dlouhý více než 32 km a bude vyroben z niobu a z cínu (Nb₃Sn), exotického materiálu, který se používá ve velkých průmyslových projektech velmi zřídka. Slitina byla vybrána proto, že dokáže (patřičně ochlazená coby supravodič) generovat extrémní magnetická pole: dvě stě šedesát tisíckrát větší než magnetické pole Země. Centrální solenoid vyšle obrovské pulzy elektrického napětí skrze pracovní plyn, aby ho ionizoval a zahřál. Kromě ohřevu takto vytvořené plazma stabilizuje. David Everitt, inženýr v Oak Ridge National Laboratory, který má na starosti konstrukci tohoto magnetu, prohlásil: „Solenoid bude  doslova technologický zázrak.“

Magnetický balet

Centrální solenoid bude sestaven ze šesti modulů, naskládaných na sebe jako pokerové žetony. Výhoda této konstrukce spočívá v tom, že různé moduly mohou být buzeny různou intenzitou a dokonce proudem opačného směru (proti sobě), což fyzikům umožňuje formovat plazma různých tvarů a různými způsoby. Nevýhodou je, že případné odlišné orientace vytvářejí obrovské odpudivé síly, které jsou schopny, pokud nejsou pečlivě kompenzovány, rozházet moduly solenoidu hezky daleko od sebe. Návrháři magnetu vypočítali, že síly mohou dosáhnout šedesáti meganewtonů, neboli dvojnásobku tahu, který vyžadoval raketoplán NASA při startu. Stejnou silou může být sloupec modulů naopak stlačován. Když se stavební inženýři dozvěděli o návrhu, zesinali.

Síla obra a křehkost víly

V závislosti na tom, s kým mluvíte, historie centrálního solenoidu symbolizuje buď nedostatky ITER, nebo jeho schopnost je překonat. Technické požadavky magnetu od začátku naznačovaly, že ho bude velmi obtížné už jen vyrobit. Aby solenoid nemohl vyletět střechou a magnetický sloup zůstal celý, musí být horní a dolní část upevněny, jako by byly v čelistích svěráku - tisíci a osmdesáti šrouby. Se slitinou Nb₃Sn se navíc obtížně pracuje. Svých supravodivých vlastností dosáhne až po upečení: kabely vyrobené z jejích vláken musí být stočeny do každého ze šesti modulů a poté několik dnů zahřívány ve speciálně vyrobené peci naplněné argonem. Supravodivá vlákna, každé tenčí než jeden milimetr, jsou promísena vlákny měděnými. V peci se kovy spojí do křehké matrice, kterou již nelze ohnout.

V prach se obrátíš

Dalším problémem výroby centrálního solenoidu je změna jeho délky při každém výstřelu, což je více než tisíckrát během životnosti tokamaku. Takže musíte vyrobit supravodivý kabel, který by mohl pulzovat desettisíckrát bez degradace - a to je u Nb₃Sn velmi těžké. Je to křehký materiál. Mohlo by se stát, že místo sloupce tu bude posléze hromádka prachu. S každým pulzem ho doslova naplníte mikrotrhlinami. Jaké je tedy řešení? Nepulzujte mnohokrát, nebo pulzujte s menší energií! Ale to vy nemůžete. Pokud pulzujete s menší energií, nedosáhnete potřebného ohřevu a pokud pulsujete méněkrát, životnost zařízení je kratší. Takže pojedete nadoraz a budete dráždit hada bosou nohou.

Mnoho dodavatelů, solenoidova smrt

Oboustranně zničující politika projektu občas vedla k neřešitelným problémům. Lidé v ITER používají termín „vodičový zvěřinec“ k označení „chaosu“ materiálů směřujících do magnetů. Vlákno Nb₃Sn  produkuje řada subdodavatelů v šesti zemích způsobem, který je tak různorodý, že dokonce jejich vzorky vypadají každý jinak: „Mít dodavatele z celého světa je skutečnou noční můrou.“ Japonsko, které pracovalo na prototypu solenoidu, chtělo podíl na vývoji svých kabelů, takže rozjelo kampaň za dodávku vlastních materiálů. V roce 2010 zaslaly dvě japonské společnosti vzorky do zkušebny ve Švýcarsku. Výsledky byly pozoruhodně špatné. Elektromagnet je navržen tak, aby během životnosti ITERu vydržel šedesát tisíc pulzů, ale japonský kabel se po šesti tisících zhoršoval. „Fatální vada?“ strnuli inženýři.

Funcionáři v OakRidge se obávali, že bude ohrožen časový plán a kontaktovali dodavatele ITER v New Jersey, Oxford Superconducting Technology, který vlákna Nb₃Sn vyráběl pro jiné velké magnety tokamaku. Získali vzorek, který by mohl být vhodný pro solenoid, a poté, co v roce 2012 prošel testy, vyzvali Japonce, aby materiál koupili od Oxfordu. V hierarchické struktuře ITER bylo velmi těžké Japonce přesvědčit, že by měli kupovat něco, co chtěli udělat sami: utratit za vodiče spoustu peněz v USA. Japonci odmítli a hrozba zpoždění nabývala ostrých kontur. Inženýři v ITER - v zájmu udržení ducha spolupráce - se pokusili japonský kabel navinout těsněji v naději, že to bude fungovat lépe. Nové vzorky byly zaslány do Švýcarska a po více než dvou letech diskuse a pokusů (!) konečně fungoval i japonský produkt. Celý fúzní svět si oddechl. Někteří inženýři byli hrdi na týmovou práci, ale japonskou skvrnu se nepodařilo bezezbytku vymazat a pachuť, ač zažehnaného, konfliktu se vznášela nad fúzními vodami. Když Science zveřejnil zprávu o potížích se supravodičem pro solenoid, generální ředitel ITER organization, Japonec Motojima označil za nespravedlivé jakékoli náznaky o selhání japonského průmyslu. A přes evidentní nepravdu trval na svém.

Jak přesunout lokomotivu?

Oak Ridge zadalo konstrukci solenoidu firmě General Atomics, rodinné společnosti v San Diegu, s portfoliem, které sahá od výrobků pro jaderný průmysl až po krmivo pro zvířata vyrobené z řas. Poté, co společnost General Atomics získala zakázku, uvolnila v roce 2011 pracovní prostor o ploše 7 800 m² ve velké budově s výhledem na kaňon Sycamore. Budova patřila korporátní pobočce, která „v důvěrném režimu“ vyráběla drony Predator. Přesun extrémně hmotných modulů mezi pracovními místy tam vyřešili následovně. Kromě jeřábu o nosnosti třicet pět tun koupil GA také velkou paletu, která klouže po polštáři stlačeného vzduchu. Společnost s názvem Airfloat je vyrábí pro různá průmyslová odvětví; trup letadla nebo lokomotiva uložená na paletě Airfloat se mohou posouvat jako nákupní košík!

„Magnet je tak hmotný, že technici museli trávit hodně času zpevňováním podlahy,“ prozradil mluvčí společnosti. Spotřebovali beton téměř za milion dolarů, většinou do hloubky padesáti centimetrů, schopný nést dvě stě tun - celkovou hmotnost modulu a jeho vybavení. Betonová podlaha se musela přesně vyrovnat. Sklon více než osm centimetrů na tři a půl metru byl nepřijatelný. Příliš velký sklon by narušil tlak vzduchu pod paletou, což by znamenalo posunovat supravodivý kabel v hodnotě milionů dolarů neřízeně. Podlaha vypadala jako vyrobená z leštěného skla. Hlavní inženýr si zavzpomínal: „Měli jsme všelijaké bláznivé nápady včetně toho, abychom sem dostali cyklo-kriterium (mnoho z nás má kola) nebo uspořádali turnaj v hokeji.“

Jak nahlédnout dovnitř tokamaku ITER?

General Atomics chtěl provést několik změn v návrhu centrálního solenoidu a spolu s týmem ITER svolaným v místnosti virtuální reality C.E.A. (francouzská Komise pro atomovou energii, soused ITER) je začal studovat.Vedoucí pracovník ITER organization Jens Reich nad virtuálním tokamakem přikázal: „Hledej – leť!“ Pilot relace virtuální reality, technik, který drží joystick, navigoval tým. Zamířili k základně ITERu a pak do vakuové komory. Počítač nemohl zvládnout celé schéma ITER ve 3D prostoru, takže na Reichův příkaz bylo vykreslování většiny zařízení zastaveno a zůstal pouze solenoid. Reich řídil pilota po různých místech podle seznamu od General Atomics. Některé části - potrubí a kabely - byly stíněny pouzdry a nebyly proto vidět. Reich požádal pilota, aby solenoid rozdělil, a pilot pomocí virtuálního nástroje prořízl stínění, jako by bylo z másla. Nyní mohl tým studovat jeho průřez. Pro výrobu magnetu chtěla General Atomics změnit geometrii, a když pilot změřil moduly, bylo jasné, že se mírně rozšířily. Reich poznamenal: „Kdyby byly mezery v návrhu příliš malé, důsledky by byly fatální“. O něco později si všiml dvou potrubí, která nikam nevedla. „A co tohle?“ Nikdo nevěděl. „Chybí mezilehlý kus,“ poznamenal si. Celkově však byl Reich potěšen. Návrh byl téměř konečný a bylo možné uvažovat o složité instalaci magnetu.

Operace Solenoid

V květnu mají Japonci začít dodávat supravodič vyrobený společností General Atomics, která má všech sedm modulů dokončit a smontovat. General Atomic dopraví moduly solenoidu do přístavu Galveston na západním pobřeží Spojených států, přičemž každý z nich bude přivezen na podvalnících o třiceti nápravách, aby se pod hmotností modulů o průměru přes čtyři metry nezhroutily. Přepravovat se bude po půlnoci, protože kamiony zaberou dva dálniční pruhy. Z Galvestonu se moduly lodí přeplaví přes Atlantik do nákladního přístavu Fos-sur-Mer nedaleko Marseille, odtamtud přes vnitrozemské moře Étang de Berre a poté budou odvezeny po speciálně zpevněné a mnoha místech rozšířené silnici k montážní hale tokamaku v Cadarache, kde budou složeny, stlačeny, zapojeny a vyzkoušeny. Smontovaný sloup solenoidu bude na horním konci připevněn ke korunovitému přípravku a pomocí dvojitého portálového jeřábu se čtyřmi háky visícími na ocelových lanech  bude vztyčen. Každá proměnná musí být přesně započítána: množství kabelů, které se napnou, zatímco ponesou obrovskou hmotnost; hybnost jeřábu při jeho posunu; úhel, o který se solenoid při zvednutí zhoupne; roli bude hrát dokonce i předpověď počasí: vítr opírající se do stavby a jeho síla ovlivňující pohyb jeřábu. Posléze všech tisíc tun materiálu solenoidu bude pomalu přeneseno nad tokamakovou jámu a spuštěno do středu budoucí vakuové komory. Pokud by šířka solenoidu překročila pouhých pár milimetrů, nezapadl by  do hluboké studny připravené pro něj kolem rotační osy tokamaku. Pro chyby tu nezůstane žádný prostor. A to doslova.

Obrázky ITER organization (první dva obrázky jsou pořízeny GA, ale převzaty od ITER org)