Chladicí systém ITER

Pro odvod tepla generovaného během provozu tokamaku bude ITER vybaven systémem chladicí vody. Vnitřní povrchy vakuové nádoby (obal a divertor) se musejí chladit na přibližně 240 °C jen několik metrů od plazmatu horkého 150 milionů stupňů. K odvádění tepla z vakuové nádoby a jejích součástí a k chlazení pomocných systémů, jako jsou vysokofrekvenční systémy ohřevu plazmatu a generace elektrického proudu, systém chlazené vody (chilled water system CHWS), kryogenní systém a napájecí a distribuční systém cívek, se bude používat voda. Systém chladicí vody obsahuje několik uzavřených smyček pro přenos tepla plus systém odvodu tepla otevřenou smyčkou (Heat Rejection System, HRS). Teplo generované v plazmatu během fúzní reakce deuteria s tritiem se bude odvádět prostřednictvím systému chladicí vody tokamaku do systému chladicí vody komponent a do systému HRS, který odvede teplo do životního prostředí.

Zkouška bazénů pro chladicí vodu

Když bude tokamak ITER fungovat s hořícím plazmatem na plný výkon, bude množství tepla, které má být ze zařízení průběžně odváděno, kolem 1 100 MW. Vyvedení a rozptyl tak velkého množství energie vyžaduje promyšlený systém, který zahrnuje kilometry potrubí, desítky extrémně výkonných čerpadel, nespočet ventilů a filtrů, masivní chladicí (avšak překvapivě nízké) věže a dvě vodní nádrže (jednu „horkou“ a jednu „studenou“) velikostí odpovídající šesti nebo sedmi olympijským bazénům.

Plnění bylo zahájeno ve středu 14. října 2020, za pečlivého dozoru z dočasného velínu.

Jedním ze základních a přirozených požadavků na každou vodní nádrž je její maximální těsnost. Přestože je v betonových nádržích určitá ztráta vody prosakováním nevyhnutelná, byl zprovozňovací tým ITER požádán o „posouzení těsnosti“ ještě před předáním celého systému pro odvádění tepla HRS (Heat Rejection System).

Měření těsnosti

Stavidlo, které spojuje nádrže s nedalekým Canal de Provence, se otevřelo a do bazénů proudila voda rychlostí 300 metrů krychlových za hodinu. Stejně jako jeřáb, který je třeba vyzkoušet na 110 nebo 120 procent jeho jmenovité nosnosti, byly nádrže systému odvádění tepla „přeplněny“ 27 000 krychlovými metry vody, což je o 7 000 m³ více, než je jejich provozní objem. Stěny a podlaha bazénů jsou silné a pevné, ale tlak vyvíjený 27 000 tunami vody je obrovský. Topografické terčíky instalované na několika místech konstrukcí bazénů monitorovaly „sedání stěn“, které se očekávalo v rozmezí 0,5 centimetru.

Jakmile byly nádrže naplněny a stabilizovány, měřila hladinu vody sada radarů a měření bylo porovnáváno s chováním „srovnávacích nádrží“ kvůli zohlednění odpařování. Pokud by radary zaregistrovaly pokles nad přijatelnou míru úniku (řádově několik metrů krychlových za den v důsledku pórovitosti betonu, náhodných mikroskopických prasklin či prosakování spoji), byl by to problém. Pět dní po provedení testu byly všechny parametry podle očekávání. Hladiny vody v bazénech stoupaly rychlostí jednoho metru za den; plnění bylo úspěšně ukončeno.

Potápěč na pomoc

Pod obrovským tlakem 27 000 tun vody došlo v chladicích systémech před usazením k očekávaným deformacím - v rozmezí 4 až 6 milimetrů. Provozovatelé museli ale zjistit, zda se v kritických zónách betonové konstrukce, jako jsou rohy a spáry,  neobjevily i nějaké trhliny. Nezbylo nic jiného, než aby kritická místa vizuálně zkontroloval potápěč, který sestoupil pod hladinu a vše co viděl, hlásil „na břeh“. Operace trvala koncem listopadu pět dní v době, kdy byl i „horký“ bazén mimořádně studený. Naštěstí špatných zpráv podle očekávání nebylo!

Od řeky po kapičky a mlhu 

Staveništěm tokamaku ITER protéká podzemní řeka. Proudí skrze 60 kilometrů potrubí, desítkami čerpadel, filtrů a výměníků tepla rychlostí až 14 metrů krychlových za sekundu. Její průtok je asi poloviční ve srovnání s nedalekou řekou Verdon. Úkolem této rozvětvené podzemní sítě je chlazení a odvádění tepla generovaného činností tokamaku ITER. Hlavní smyčka je určená pro vlastní tokamak, druhá pro pomocné systémy.

Chlazení takového velkého vodního toku vyžaduje masivní instalaci, která je však založená na jednoduchých principech: výměna tepla, odpařování a zpětná kondenzace. Odpařování ochlazuje - zažíváme to každý den, když vystupujeme ze sprchy. Jak kapičky vody přecházejí z kapalných na plynné, čerpají teplo z pokožky a vytvářejí pocit chladu. Stejný princip funguje v deseti chladicích celách HRZ (Heat Rejection Zone), v zařízení o rozloze 6 000 metrů čtverečních, umístěném na severním konci staveniště ITER.

Místo věží větráky

Každá chladicí cela je zakončena „ventilátorovým válcem“ vybaveným dvanácti lopatkami, které vytvářejí vzestupný tah. ITER využije deset ventilátorových válců. V tmavé budově je hlavní část systému odvádění tepla z tokamaku ITER: deset chladicích článků, které fungují jako známé betonové chladicí věže průmyslové elektrárny, ať už tepelné nebo jaderné. Ale zatímco vzestupný proud vzduchu, který urychluje proces odpařování, se generuje v konvenční chladicí věži přirozeným způsobem, tedy rozdílem atmosférického tlaku u paty a koruny chladicí věže, zde ho vytvářejí zmíněné velké ventilátory v chladicích celách. Výhodou chladicích věží se strojově vytvářeným tahem jsou menší rozměry, nižší cena a flexibilita: jejich provoz musí být dobře přizpůsobený přerušované povaze provozu ITER.

Účinnost a úspory

Účinnost procesu chlazení závisí na povrchu, který teplo odvádí. Podobně jako u chladicí kapaliny v motoru automobilu procházející voštinovou strukturou chladiče, je horká voda (43 °C) vstupující do chladicích cel vstřikována sadou 4 540 rozprašovacích trysek do svazku vlnitých plastových fólií nazývaných „výplňový balíček“ (fill pack). Pokud bychom jej rozložili, celková výměnná plocha poskytovaná speciální výplní by pokryla řádově 704 000 metrů čtverečních, což je ekvivalent asi 70 fotbalových hřišť.

Účinnost chlazení také závisí na tom, jak dlouho kapičky zůstanou v kontaktu s povrchem pro výměnu tepla. Pokud bychom spoléhali jen na působení gravitace, doba kontaktu by nebyla dostatečná a kapky padající z trysek by se nestačily ochladit na požadovanou teplotu. Proto je odpoutání kapiček zpomalováno vzestupným tahem vyvolaným velkým ventilátorem v horní části každé cely. Vzestupný tah by ale mohl kapičky rozptýlit a nenávratně je vyřadit z chladicího cyklu. A s vodou - v systému ITER pro odvádění tepla jako všude jinde - by se plýtvat určitě nemělo.

Kapky a mlha zvednuté tahem ventilátoru musejí být znovu zachyceny, aby se „ztráty driftem“ dostaly na přijatelnou úroveň. Tisíce jednotek „eliminátoru driftu“ v horní části každé cely nad rozprašovacími tryskami a 1,6 metru tlustou vrstvou výplňového balíčku  tvoří hustý labyrint, ve kterém  kapičky mění směr, ztrácejí rychlost a padají zpět do chladicí věže, což významně snižuje ztráty driftem.

Bazény na začátku a bazény na konci

Na konci procesu padá do studeného bazénu pod věžemi voda podstatně chladnější, než když vstoupila do cel (27 °C). Odtud ji transportují obrovská vertikální čerpadla do různých tepelných výměníků systému. Cyklus se nekonečně opakuje a odvádí obrovské množství tepla generovaného tokamakem a jeho pomocnými systémy. Při plném výkonu je to řádově jeden gigawatt, přibližně polovina je teplo z fúzní reakce akumulované stěnou vakuové nádoby.

Pokud by ITER bylo průmyslovou fúzní jednotkou, přeměnilo by se teplo ve stěně prostřednictvím parních generátorů, turbín a alternátorů na elektřinu.  U výzkumného projektu by ale instalace zařízení na výrobu elektřiny neměla smysl.