Modernizace stelarátoru Wendelstein 7-X

Další kolo postupné modernizace fúzního zařízení Wendelstein 7-X v Ústavu fyziky plazmatu (IPP) Maxe Plancka v Greifswaldu je v plném proudu. Vodou chlazený vnitřní plášť vakuové nádoby bude zárukou provozu zařízení při vyšším ohřevovém výkonu a tedy i vyšší teplotě a umožní delší pulzy v plazmatu. Cílem je pulz trvající půl hodiny!

IPP Garching nechá obložit vnitřní stěny vakuové komory vodou chlazenými deskami. Příprava instalace aktivního chlazení stěn byla právě dokončena. Výzvou je komplikovaný tvar vakuové komory stelarátoru. Odměnou bude relativně dlouhý pulz plazmatu.

Výrobu zlatého hřebu nového opláštění, tzv. divertoru, převzala mateřská IPP Garching. Konečná dodávka do Greifswaldu je hotova, instalační práce potrvají až do příštího roku. Supravodivý Wendelstein 7-X, největší stelarátor na světě, má zjistit použitelnost stelarátorů pro termojaderné elektrárny. Soupeří tak v koncepci s tokamaky, konkrétně se vznikajícím ITER.

Na konci roku 2018 byly experimenty na Wendelstein 7-X po dvou úspěšných pracovních fázích dočasně ukončeny. Od té doby probíhá modernizace vakuové nádoby. „Většina starých komponent musela být odstraněna. Instalace nových může nyní začít,“ říká prof. Dr. Hans-Stephan Bosch, jehož divize je zodpovědná za technický provoz zařízení. Zatímco většina prvků na ochranu stěny byla dříve provozována nechlazená, nyní počínaje dalším cyklem experimentů velké části stěny budou chlazeny vodou: „Inovovaný Wendelstein 7-X umožní generovat plazmové pulzy trvající až 30 minut“, uvádí profesor Bosch. Dosud se experimentovalo se 100 sekundovými pulzy.

Vrcholem instalace nového opláštění stěn bude instalace ochrany tzv. divertoru, nejvíce namáhané komponenty plazmové komory. V deseti dvojitých pásech na vnitřní stěně plazmové komory sledují dlaždice divertoru zakřivený obrys okraje plazmatu. Chrání ty oblasti stěny, na které dopadají částice z okraje plazmatu pohybující se podél magnetických silokřivek. Vývěvy za mezerou uprostřed každého dvojitého pásu odstraňují dopadající deionizované částice plazmatu a nečistoty. Tímto způsobem může být divertor použit pro řízení hustoty a čištění plazmatu.

Náročná demonstrace

V plánovaných vysoce výkonných experimentech jsou nové vodou chlazené divertorové desky, které nahrazují předchozí nechlazené, navrženy tak, aby vydržely zatížení až 10 megawattů na metr čtvereční (divertor ITERu musí uchladit téměř 20 MW/m², poplašné zprávy mluví o 100 MW/m²) - jako povrch kosmického raketoplánu vracejícího se z vesmíru a vstupujícího do zemské atmosféry. Bez chlazení vodou by však tepelně odolné divertorové dlaždice vyrobené z uhlíku vyztuženého uhlíkovými vlákny nemohly vydržet zatížení při zamýšlených 30minutových plazmových pulsech. Jsou proto přivařeny na vodou chlazené desky vyrobené ze slitiny měď-chrom-zirkonium. Chladivo, přiváděné malými ocelovými trubkami, zajišťuje odvádění tepelné energie, která by jinak byla destruktivní.

Každý z deseti zakřivených pásů se skládá z dvanácti desek z jednotlivých prvků. Celkově těchto 890 prvků zahrnuje téměř půl milionu jednotlivých částí, od tepelně odolných povrchů po speciální šrouby.

Vysoce výkonné komponenty jsou výsledkem dlouhého vývoje, výroby a testování prováděného Integrovaným technickým střediskem (ITZ) a pracovní skupinou „Komponenty v plazmové komoře“ na IPP v Garchingu ve spolupráci s průmyslovými společnostmi. „Složitá geometrie součástí byla obzvláště náročná, vzhledem k požadované vysoké přesnosti a spolehlivosti,“ vysvětluje inženýr IPP Dr. Jean Boscary, který vedl výrobu a montáž. „Ve Wendelsteinu 7-X nesmí dojít k úniku vody ani náhodou“.

Dlouhá příprava

Kvůli složitému povrchu byly náročné již přípravné práce: V roce 2003 byla s průmyslovou společností uzavřena smlouva o vývoji a výrobě prvků divertoru. Po čtyřech předsériových a více než 60 prototypech mohla být v roce 2009 zahájena pětiletá sériová výroba. K dokončení prvku divertoru bylo zapotřebí 82 výrobních kroků a 44 testů. Povrch každé ze 16 000 uhlíkových dlaždic musel být vyfrézován trojrozměrně do tvaru odpovídajícího povrchu vakuové komory - s tolerancemi někdy jen 0,1 milimetru, aby nedošlo k přehřátí vystupujících hran. Pro Wendelstein 7-X byla speciálně vyvinuta technika spojování uhlíku a slitiny mědi.

Zakřivené prvky byly poté spojeny dohromady na ocelových rámech, aby tvořily desky. Chladicí potrubí a rozvody chladicí vody byly spojeny pomocí speciální svařovací techniky vyvinuté v ITZ: „Mezi 2000 svařovanými spoji odhalily pečlivé testy pouze dvě netěsnosti,“ říká Dr. Boscary. I z jiných důvodů byly vsunuty mezi jednotlivé pracovní kroky testy kvality. Například při kontrole výroby byla zkoumána zátěžová kapacita částí v tepelném zkušebním zařízení GLADIS od společnosti Garching. Zkušenosti získané v tomto „největším projektu tepelné ochrany v dosavadním výzkumu termojaderné fúze“ jsou jedinečné na celém světě, zdůrazňuje Jean Boscary. Bylo dokončeno všech deset divertorových pásů. Velká část již byla dodána do IPP v Greifswaldu; poslední transport byl vypraven 18. března 2020.

Náročná montáž: málo prostoru a mnoho spojů

V Greifswaldu je vše připraveno k instalaci. Vodovodního potrubí je instalováno v plazmové nádobě celkem 4,5 km. „Začali jsme pokládat složité vodovodní potrubí, které přemosťuje posledních 40 centimetrů mezi stěnou nádoby a divertorovou deskou,“ vysvětluje vedoucí montáže Dr. Lutz Wegener. Později musí desky přesně odpovídat těmto spojům. Ačkoli tato velmi složitá operace byla dříve vyzkoušena na modelu jedna ku jedné (Dr. Wegener tomu říká „virtuální dvojitá montáž“), při instalaci 240 fitingových trubek se vyskytnou nečekaná překvapení. Malý prostor mezi součástkami, speciální svářecí technika. Často jsou nutné zcela nové návrhy a výroba nových prvků. V úzkém prostoru je mnoho obtížně přístupných šroubů a řešení je potřeba hledat případ od případu. Svařovaná i šroubovaná spojení by měla zůstat těsná po dobu příštích dvaceti let!

Ve srovnání s těmito úkoly by následná instalace křivých desek měla být snazší. „Pro tento účel jsme již vyvinuli speciální nástroje - například pro zvedání a přemísťování desek o hmotnosti 70 kilogramů,“ říká Lutz Wegener. Samostatný vývojový projekt vyžadovala i naklápěcí podlaha, po které technici v komoře přecházeli přes zranitelný divertor a ochranné obklady stěn. Podlaha musela zaručit bezpečný postoj technika ve velmi omezeném prostoru a přizpůsobení se neobvyklému tvaru plazmové nádoby. Na druhé straně se nesměly poškodit struktury stěn nebo uvolnit nečistoty, které by později mohly rušit plazma.

Další experimenty po roce 2021

Očekává se, že zařízení s novým pokrytím stěn vakuové komory znovu zapálí plazma koncem roku 2021. Plánuje se začít se slabým chlazením vodou, nízkým ohřevovým výkonem a krátkými plazmovými pulzy, aby se umožnilo po dlouhém přerušení experimentů zprovoznění všech zařízení. Při plném chlazení by měly být možné delší pulzy s energií plazmatu až do jednoho gigajoule - cíl, ke kterému se bude stelarátor pomalu přibližovat. Namísto předešlých stosekundových pulzů s ohřevovými výkony dvou megawattů a energií plazmatu 200 megajoulů by aktivně chlazený a takto vysoce výkonný divertor měl později umožnit pulzy, které by trvaly při plném ohřevovém výkonu až 30 minut! Wendelstein 7-X by tak byl schopen prokázat zásadní výhodu stelarátorů, tedy jejich schopnost fungovat v nepřetržitém provozu.

O Wendelsteinu 7-X

Cílem výzkumu jaderné syntézy je vyvinout elektrárnu příznivou pro životní prostředí. Bude fungovat stejně jako slunce, to je uvolňovat energii z fúze atomových jader. Protože fúzní oheň se zapálí pouze při teplotách vyšších než 100 milionů stupňů, nesmí palivo - vodíkové plazma o nízké hustotě - přijít do styku se studenými stěnami nádoby. Plazma ohraničené magnetickými poli levituje téměř bezdotykově uvnitř vakuové komory.

Magnetická nádoba Wendelstein 7-X je tvořena prstenem 50 velkých supravodivých magnetických cívek. Jejich konkrétní 3D podoby jsou výsledkem propracovaných optimalizačních výpočtů. Přestože Wendelstein 7-X je experimentální zařízení a ještě nebude vyrábět žádnou energii, má prokázat, že stelarátory jsou pro použití v elektrárnách vhodné. U stelarátoru Wendelstein 7-X je kvalita plazmového udržení poprvé na úrovni konkurenčních systémů typu tokamak.

(Volně podle Isabelly Milch)

Dodatek: V době koronavirové krize IPP přijala četná preventivní opatření k ochraně svých zaměstnanců. Na konci března 2020 byly v plazmové nádobě Wendelstein 7-X v Greifswaldu dočasně ukončeny instalační práce. Také byly dočasně přerušeny pokusy na tokamaku ASDEX Upgrade v Garchingu. Pokud to ochrana před infekcí umožňuje, budou pokračovat práce v dílnách a laboratořích Garching u Mnichova (hlavní pracoviště) a Greifswald na severním pobřeží Německa (pobočné pracoviště). Tým krizového řízení působící v obou lokalitách IPP průběžně sleduje situaci a přizpůsobuje svá opatření odpovídajícím způsobem. (Stav: 31. března 2020.)