Bohatá diagnostika tokamaku ITER

Jak se obsluha tokamaku dozví, co se děje uvnitř vakuové komory v plazmatu? Prostředníkem mezi plazmatem a obsluhou budou, jako v každém tokamaku, nejrůznější diagnostiky. Vyhodnocovací zařízení obsadilo celé levé křídlo Trojbudoví (Tokamak Complex). Pravé křídlo je věnováno tritiovému hospodářství a v centrální budově je vlastní reaktor.

Oči a uši prakticky všech funkcí tokamaku ITER jsou diagnostické senzory a jejich doprovodné systémy, které budou hrát zásadní roli: budou udržovat reaktor v provozu co nejefektivněji a co nejdéle. Bude to celkem 60 nástrojů k měření 101 parametrů. Čidla diagnostiky v tokamaku ITER budou čelit dlouhotrvajícím pulzům a podmínkám podobným v reaktoru budoucí elektrárny. Všech sedm domácích agentur dnes vyvíjí pro tyto diagnostiky potřebné systémy.

Stejně jako v budoucím komerčním reaktoru pomůže diagnostika ITER chránit zařízení a optimalizovat celkový výkon. Ale v jedinečném prostředí prvního fúzního zařízení v měřítku průmyslového reaktoru budou mít diagnostické systémy také přístup k nejrůznějším místům uvnitř vakuové komory, což umožní vyzkoušet techniky, které mohou být později použity jako senzory v komerčních elektrárnách, jakož i při sběru dat pro fyzikální modely, což přispěje k celkovému návrhu dalších komerčních a pokročilých elektráren.

Na základě minulosti skok do budoucnosti

Většina diagnostik v ITERu je navržena na základě toho, co bylo odzkoušeno na jiných menších experimentálních tokamacích. V několika oblastech se však ITER ocitne na neznámém území. Je to např. požadavek na puls trvající minimálně jednu hodinu. Toho nikdy nebylo dosaženo. (Současný držitel rekordu pulsního výkonu je evropský tokamak JET, který v roce 1997 uspěl při výrobě fúzního výkonu 16 MW po dobu několika sekund.) „K dosažení tak dlouhé reakční doby - doby udržení - musíte umět ovládat nejen tvar plazmatu, ale také způsob, jakým je proud rozdělen mezi jeho jádro a okraj,“ říká George Vayakis, vedoucí Oddělení diagnostiky v nádobách. „Až to dokážeme, můžeme dosáhnout režimu, v němž budeme schopni udržet plazma po velmi dlouhou dobu.“

Je spousta různých dat

Pro účely diagnostiky se vyvíjí řada inovací pro řešení dalších nových úkolů. Například se používají nové techniky k automatickému vyrovnání laserových systémů a vyvíjejí se nové metody pro udržení odrazivosti diagnostických zrcadel, která vedou směrem k detektorům světlo vycházející z plazmatu nebo ze zdrojů sekundárního světla aktivní diagnostiky.

Ať už se pustíte na známé nebo neznámé území, diagnostika ITER funguje v různých režimech. Některé jsou aktivní: například jeden systém střílí svazek částic do plazmatu, aby interagoval s nepatrnými částečkami nečistot, a budil tak vlnové délky, ze kterých lze jednoznačně určit prvky obsažené v nečistotách. Ostatní jsou pasivní. Například k detekci nečistot sodíku zaznamenávají senzory vlnovou délku, kterou sodík emituje při interakci s okolním rentgenovým zářením vznikajícím ionizací a vysokými teplotami.

Diagnostické systémy mají také různé citlivosti, různá časová a prostorová rozlišení a různé zdroje chyb. Některé ze senzorů poskytují data v reálném čase jiným modulům ITER, jako je například řídicí systém plazmatu; jiné poskytují data, která mají být uložena pro pozdější vyhodnocení. Ve všech případech jsou data diagnostických systémů opatřena časovými razítky, takže je lze korelovat s daty z jiných senzorů.

Různé senzory mají různé frekvence měření a produkují různé objemy dat. Někdy může být rychlost generace dat velmi vysoká. Například fotoaparáty poskytují obrovské množství dat během krátkého okamžiku. Z tohoto důvodu software na diagnostické straně zpracovává data před tím, než je předává do systému kontroly plazmatu, což poskytuje vysokou flexibilitu v dalším nakládání s informacemi.

V ITERu musí být většina důležitých parametrů změřena více než jednou a ideálně pomocí různých metod. To poskytuje velmi důležitý nadbytek dat (redundanci), který se bude vyžadovat i u senzorů v budoucí fúzní elektrárně. „Pravděpodobnost nějaké chyby je při jakémkoliv měření veliká,“ říká Diagnostický fyzik Christopher Watts. „Chyba může být způsobena neeliminovatelnou nepřesností ve způsobu měření, nebo může vycházet ze skutečnosti, že se plazma během provádění měření mění. Vzhledem k tomu, že různá diagnostická zařízení mají různé citlivosti, potřebujete více měření, abyste věděli, co se v plazmatu skutečně odehrává.“

Zástrčky portů pro ochranu snímače

Kromě zabezpečení širokého spektra funkcí pro měření velkého počtu parametrů musí být diagnostika ITER dostatečně robustní, aby mohla pracovat v extrémních podmínkách tak dlouho, dokud bude reaktor ITER fungovat, tedy aby vydržela 4 700 hodin provozu po dobu 20 let. Vědci a inženýři navrhující diagnostické systémy tokamaku ITER musejí splnit dva požadavky, totiž aby systémy byly chráněny před zářením a před neutrony a současně byly schopné plnit svoje primární funkce, to je měřit požadované parametry. Jeden ze způsobů jak tuto rovnováhu zajistit spočívá v instalaci mnoha senzorů v „přírubových zástrčkách“, kontejnerech velikosti minibusu, vložených do jednoho z 35 otvorů neboli portů ve stěně reaktoru. Přírubová zástrčka obsahuje stínění s labyrinty pro ochranu kritických částí diagnostického zařízení. Jedna přírubová zástrčka obvykle slouží několika diagnostikám.

„Při údržbě vyjmou roboti odolní vůči záření přírubové zástrčky a dopraví je do horké cely, tam jiní roboti opraví zástrčky i samotná zařízení v zástrčkách,“ říká Viktor Udintsev, vedoucí Sekce přírubových zástrček. Přeprava s sebou nese další požadavek, a to robustnost přírubových zástrček a systémů uvnitř: musejí odolat namáhání při transportu, nesmí se změnit jejich nastavení a současně musejí být schopné údržby.

Mezinárodní řízení projektů

Diagnostika je oblast, kde všech sedm partnerů Organizace ITER hraje aktivní roli při návrhu a výrobě, což znamená, že je zapotřebí znalost řízení mezinárodních projektů. Probíhá stovka samostatných projektů na vývoj 60 nástrojů a doprovodného zapouzdření. Diagnostické vybavení ITER musí měřit současně 101 různých parametrů. „Stavíme několik nástrojů sami, ale většinu diagnostiky navrhují a vyrábějí naši partneři,“ říká Robin Barnsley, vedoucí Sekce diagnostiky vnitřku komory. „To znamená, že mezi těmito skupinami máme neustálý kontakt vzdálený (e-mailem) i blízký (schůzky): revize návrhů, kontroly pokroku v návrzích. Zatímco některé systémy potřebné jako první již byly dodány, jsme zatím převážně ve fázi, kdy se bavíme o postupu, konstrukci a dodávce zbývajících systémů.“

Pro diagnostiku týkající se plazmatu existují speciální požadavky na konstrukci, materiály a montážní techniky - například radiační tolerance, tepelná vodivost, ultravysoká vakuová kompatibilita, odolnost vůči velkým elektromagnetickým silám a vysoké požadavky na spolehlivost. „V současné době se blížíme k poslední fázi návrhu mnoha našich systémů pro první plazma a připravujeme je k dodání v příštích dvou nebo třech letech.“