Zadrátovaný ITER

14. dubna 2020 uplynulo 40 let od havárie Apolla 13. Kosmonauti tehdy na Měsíc nevystoupili, „pouze“ ho s vypětím všech sil obletěli. Jejich šťastný návrat na Zemi sledoval s rozechvěním celý svět. Podle vyšetřování příčin nehody došlo ke zkratu na přívodním kabelu k motoru pohánějícímu míchadlo kyslíkového tanku. Požár se šířil po kabelech až k průchodce, která povolila, a došlo k výbuchu… A teď si představte, že reaktor tokamaku ITER má srovnatelně kabelů jako kosmická loď! Přečtěte si, jak se s kabeláží vypořádávají konstruktéři tokamaku ITER.

Zatímco návody k údržbě kabelů v drsných prostředích, jako jsou proudové motory a jaderné štěpné reaktory, jsou známy již dlouhou dobu, ochrana kabelů uvnitř fúzních reaktorů je něco jiného a neznámého. Jaderná fúze před nás klade výzvy, které lze překonat pouze novými inovacemi.

Kabely všude

Kabely uvnitř vakuové komory přenášejí signály i výkon (slaboproud a silnoproud) mezi vakuovou nádobou a budovami. Jsou přítomny „všude kam se podíváte“ - připojené k sektorům vakuových nádob, za plošnými moduly, pod divertorem a v horních a dolních portech. „Pokud je diagnostika očima systému, jsou elektrické kabely nervy systému,“ říká Matt Clough, vakuový elektrotechnik pracující v sekci Diagnostika v komoře. „Elektrické systémy poskytují diagnostickým systémům výkonové a signálové cesty k měření a zpětné vazbě.“

Elektrický servis ve vakuové komoře tvoří součást řetězce propojujícího diagnostické systémy umístěné v komoře reaktoru s ovládacími skříněmi a elektronikou v servisních budovách. To znamená vést kabely uvnitř(!) vakuové komory k průchodům v horních a dolních portech. Elektrické konektory slouží jako bezpečnostní hranice s vysokou integritou - fyzické přerušení nesmí přerušit tok dat či výkonu.

Průchody nejsou jediné věci, které zajišťují pevné hranice. „Kabely mají také speciální zakončení na obou stranách, aby se udržela extrémně vysoká úroveň vakua uvnitř komory,“ říká Miguel Pérez-Lasala, který jako vedoucí projektu diagnostiky v Evropské domácí agentuře Fusion for Energy dohlíží na dodávku prvních 1 200 kabelů. „I když tato technologie není nic nového, museli jsme ji otestovat, abychom se ujistili, že ji lze bezpečně použít pro ITER - a na základě těchto testů jsme museli provést některé změny, aby kabely vyhovovaly našim potřebám.“

Od desetiletí výzkumu k výrobní připravenosti

Výzkum kabelů byl zahájen již během fáze ITER Engineering Design Activities v 90. letech, počínaje tím, co již bylo známo ze štěpných reaktorů. Prostřednictvím laboratoří v Evropě, Japonsku, Spojených státech a v Rusku provedli členové tehdy malé komunity ITER řadu testů, aby zjistili, zda se stejné koncepty budou hodit ve fúzi.

K jejich zděšení však kabely produkovaly rušivé výstupy. „Zahřívání kabelů generovalo malá náhodná napětí, což rušilo a měnilo signály,“ říká George Vayakis, člen počátečního výzkumného týmu, nyní vedoucí Sekce vnitrokomorové diagnostiky. Ani o dvacet let později nebyly mechanismy odpovědné za tyto jevy spolehlivě vysvětleny. Ale prostřednictvím řady experimentů s ozařováním, včetně nedávno provedených společností Fusion for Energy v belgickém SCK CEN, vědci rozluštili základní chování a dokončili návrh. Další testy, provedené společností Fusion for Energy a maďarským konsorciem TSD, sloužily k ověření platnosti konceptů a k návrhu konečných verzí kabelů. V prosinci 2019 podepsala společnost Fusion for Energy kontrakt s francouzskou společností Thermocoax.

Unikátní sada řešení

Je jedno, zda kabely přenášejí velký výkon nebo slabé signály; udržování těchto kabelů ve vakuové komoře představuje řadu problémů. První z nich spočívá v nutnosti udržovat kabely v chladu. Pokud jsou příliš horké nebo pokud se po délce kabelu mění teplota, stanou se nespolehlivými a generují mezi kontrolní místností a diagnostikou falešné signály, nebo nepředávají signály vůbec žádné. „Snažíme se udržovat kabely pod hranicí teploty 250 °C,“ říká Julio Guirao, inženýr obecných komponent s konektorovým zapojením v Sekci diagnostického inženýrství. „Vyšší teplotou vodiče uvnitř degradují a ztrácí se přenášený výkon.“

Chlazení a připevňování kabelů

V komoře bude potřeba mnoha tisíc individuálních kabelů, které budou svázány do svazků až po 36 kusech. Protože vrtání v jaderných tlakových nádobách, jako jsou ITER, je zakázáno, budou kabely připevněny ke stěně nádoby svařovanými svorkami zvanými „bosses“ rozmístěnými přibližně každých 60 mm. V omezeném prostoru se vytvoří asi 100 kabelážních svazků. Zároveň se musejí udržet v chladu. Ve svazcích není chladicí potrubí, můžeme však využít skutečnost, že samotná komora je chlazena vodou. Teplo z každého jednotlivého kabelu ve svazku tedy musí být přeneseno na stěnu nádoby – a to se ukazuje jako velmi složité. Chlazení kabelů je komplikované částečně kvůli vlastnímu objemu – asi 3 800 signálních vedení od různých diagnostických a operačních přístrojových klientů a ve všech sektorech komory. Pro tento účel byly navrženy připevňovací svorky, vyrobené na zakázku ze speciální slitiny mědi (CuCrZr) nabízející dobrou tepelnou vodivost a vysokou pevnost. Svorky musejí být dostatečně flexibilní, aby vyhovovaly změnám v průměrech kabelů. Organizace ITER se silnou podporou od C3D v Budapešti vyvinula celou řadu konceptů a teprve poté vybrala konečný návrh. Prototypové svorky byly rozsáhle testovány za různých podmínek napodobujících podmínky uvnitř tokamaku ITER na zkušebních zařízeních vyrobených a provozovaných společností GEMS v Maďarsku.

Uvnitř komory bude instalováno více než 12 000 svorek umístěných v intervalech přibližně 60 mm podél každého kabelu. Výzvou byl také způsob připevnění svorek při současném dodržování přísných pravidel a předpisů pro jaderné tlakové nádoby, které vylučují vrtání. „Společnost se sídlem ve Velké Británii, Intransic Engineering, vymyslela malé válcové nástavce, do kterých můžete vložit šroub a které jsou ke komoře přivařeny,“ říká Clough. Nakonec Julio Guirao a jeho kolegové dokázali prostřednictvím podrobných modelů metodou konečných prvků prokázat, že každý kabel vyhovuje normám jaderné bezpečnosti.

Přesnost na milimetry a kabely, které vydrží

Diagnostické kabely instalované ve vakuové komoře ITER – měděné a minerálně izolované, v pláštích z nerezové oceli - nebudou přístupné pro údržbu. Musejí vydržet po celou dobu trvání projektu, tedy dvacet let. Budou bombardované neutrony, ozařované plazmatem a neutrálními svazky dodatečného ohřevu.

Požadavky na kabeláž pro každého diagnostického klienta (zařízení měřící jeden nebo více parametrů plazmatu) musely být dohodnuty roky předem, aby bylo možné kabely vyvinout, vyrobit a nainstalovat včas pro první plazma. Týmy také musely zvážit přeslech (cross talk) - elektrický šum vyvolaný mezi vodiči uvnitř jednoho kabelu. „Studovali jsme a testovali různé geometrie kabelů - to je uspořádání a oddělení měděných jader uvnitř kabelů - abychom pochopili, který z nich bude odolnější vůči přeslechu,“ říká Pérez-Lasala.

Protože kabely musejí být utěsněny a zakončeny tak, aby byly kompatibilní s vakuem, nelze je řezat na místě. Místo toho výrobci vyrobí každý kabel přesně na potřebnou délku. Bude vyžadována vysoká úroveň přesnosti - chyba několika milimetrů by mohla vést k chybě v měření nebo ztrátě informace během pulsu.

„Protože musíme objednat kabely s určitou délkou, musí být směrování a umístění každého jednotlivého kabelu modelováno ve 3D,“ říká Clough a s obdivem vyzdvihuje tisíce hodin pečlivé práce prováděné společností C3D. „Každý kabel, každá svorka jsou nakreslené, protože musíme znát délku kabelu s přesností na milimetr. Skutečnost, že nemůžeme zkrátit nebo prodloužit kabely na místě také znamená, že musíme předem modelovat způsoby, jak je umístit v komoře i když ještě není zcela smontována.“

Délka kabelu není jediným atributem vyžadujícím vysokou přesnost - šrouby musejí být také utaženy přesně správným momentem a musejí být zajištěny, aby se neuvolnily.

„Máme mnoho tisíc jednotlivých kabelů, se kterými je třeba se vypořádat,“ říká Clough. „A musíme se ujistit, že celý signální řetězec je spolehlivý. Čelíme jedinečnému souboru problémů, které se liší i od druhých experimentů s fúzí. Jiné tokamaky buď nemají tolik kabelů, kolik jich máme my, nebo mohou být benevolentnější při výběru materiálů, nebo nemají striktně nařízeno, jak musí kabel připojit k jejich komoře.“

Po smontování sektorů vakuové nádoby v jámě tokamaku budou svorky a kabely mezi prvními prvky, které se budou instalovat. „Doufám, že si nikdo na tyto kabely a svorky po jejich instalaci ani nevzpomene,“ vtipkuje Clough, „protože budou jen tiše a spolehlivě vykonávat svou práci.“

Zdroj: volně podle Pata Branse.