Obal vnitřní stěny vakuové komory ITER -zdroj tritia

Palivem tokamaku ITER bude směs deuteria a tritia ve stavu plazmatu. Deuterium je přítomno v každé sloučenině obsahující běžný vodík. Není velký problém tuto 1/6000 z vodíkové sloučeniny osvobodit. Složitější to je s tritiem. Radioaktivní tritium jako surovinu na Zemi nenajdete, neboť se díky své radioaktivitě rychle rozpadá (poločas rozpadu je 12,32 let). Musí se vyrábět. V roce 2035 se do deuteria v ITER napustí tritium a zapálí se termojaderná reakce, která zasype stěny reaktoru, respektive moduly obalu, produkty reakce – neutrony. Neutrony dokážou přeměnit lithium na potřebné tritium. Tuto reakci v průmyslovém měřítku zatím nikdo nezkoušel. První zkušenost poskytne ITER.

K čemu jsou TBM (Test Blanket Modules)?

I když ITER nikdy nebude vyrábět tritium pro vlastní spotřebu, bude testovat koncepty tritium plodicích modulů - nástroje a techniky, které budou designéři budoucích reaktorů DEMO potřebovat k dosažení soběstačnosti v tritiu. Čtyři testovací moduly obalu obsahující sloučeninu lithia budou zapojeny do dvou různých rovníkových portů tokamaku. Moduly jsou pouze „špičkou ledovce“ a vyžadují složité doplňkové systémy pro odvádění tepla, řízení chladicí kapaliny a extrakci, resp. zpracování tritia. Protože obal plodící tritium bude základní součástí komerčních fúzních reaktorů, několik členů ITER už nyní vstoupilo do programu TBM s cílem testovat makety příslušných obalových systémů. (DEMO je obecný termín pro projekty fúzních reaktorů v další fázi – DEMOnstration). Všichni členové ITER již dnes zvažují různé koncepční projekty DEMO.

Rada ITER schválila v červnu 2017 projektový tým (TBM-PT), od 1. ledna 2020 jej vede Mario Merola, vedoucí Divize interních komponent. Jednou z úloh TBM-PT je posoudit návrhy zkušebních obalových systémů navržených partnery ITER a zajistit, aby každý návrh splňoval požadavky ITER Organization a integroval se s ostatními systémy ITER. TBM-PT bude také dohlížet na výrobu, instalaci a provoz různých koncepcí systému.

Plození tritia

Testovací moduly obalu jsou ocelové boxy o rozměrech přibližně 1,7 × 0,5 × 0,6 metrů, které jsou namířeny do plazmatu. Každý obsahuje lithiovou sloučeninu. Čtyři z nich budou zapojeny do dvou různých rovníkových portů vakuové nádoby. Fúzní neutrony opouštějící plazma narážejí do lithia a vyvolávají jadernou reakci, která produkuje tritium, helium a teplo. V DEMO reaktoru bude tritium extrahováno a použito jako palivo, helium bude neškodným vedlejším produktem a teplo z reakce bude použito k výrobě většího množství elektřiny – bonus představuje až o 20 % vyšší výstup tepla než z fúze v samotném plazmatu.

Moduly jsou navrženy tak, aby představovaly hlavní části tritium plodícího obalu reaktoru DEMO a simulovaly geometrii, konfigurace násobiče/multiplikátoru, teplotu, tlak a potřebné toky pracovních kapalin včetně chlazení a extrakce tritia. Konečným cílem je poskytnout dostatek informací pro úspěšný návrh, kvalifikaci a provoz tritium plodícího obalu a souvisejících systémů v budoucím DEMO.

Zbytek ledovce

Za ocelovými skříněmi testovacích modulů jsou rozsáhlé pomocné systémy. Některé z těchto systémů mají za úkol tritium extrahovat, zpracovat ho a vložit do palivového okruhu. Jiné odeberou teplo a nasměrují ho tam, kde ho lze použít k výrobě elektřiny v budoucí fúzní elektrárně. Další systémy čistí chladicí kapalinu a provádějí měření k monitorování systémů zkušebních obalů a shromažďují základní data, která mohou pomoci při navrhování plodícího obalu ve větším DEMO.

Čtyři koncepty – formát a chlazení lithia v TBM

Čtyři různé systémy zkušebních obalů vč. pomocných systémů, které budou nainstalovány v ITER, se použijí k testování různých kombinací konstrukčních možností: plodiče z tekutých kovů versus plodiče z pevných látek a plynné chladicí médium helium versus kapalné chladivo voda.

Tekutý plodič je slitina lithia a olova, která taje při 235 °C. Hlavní výhodou tohoto plodiče je, že jej lze během provozu doplňovat. Problémem však je, že tekutý plodič interaguje s magnetickými poli. K překonání tohoto problému musí lithium-olovo buď proudit nízkou rychlostí, nebo musí být elektricky izolováno od kovových stěn.

Plodičům z pevných látek magnetická pole nevadí, ale nelze je průběžně doplňovat. Místo toho musejí být čas od času vyměněny jako celek – což znamená zastavení reaktoru.

Pokud jde o chladicí kapaliny, voda má tu výhodu, že je dobře známá díky dlouholetému používání v štěpných reaktorech. Voda však má při získávání tepla jednu velkou nevýhodu: bez vysokého tlaku nelze teplotu vody zvýšit na hodnotu potřebou pro efektivní přeměnu tepelné energie na elektrickou. Helium může být zahřáto na 500 až 600 °C, ale má tu nevýhodu, že má mnohem nižší tepelnou kapacitu. Pro kompenzaci je zapotřebí vyšší rychlost proudění, což znamená vyšší čerpací výkon.

Vylepšování modelů pro tvorbu budoucích návrhů

Simulace lze použít k předpovědi chování testovacích systémů obalu, ale modely podporující simulace musí být stejně ověřeny pomocí sady experimentů. Tyto experimenty na ITER také pomohou lépe porozumět parametrům, které lze použít k vyladění plodícího procesu. „Existují různé způsoby, jak vyladit účinnost produkce tritia,“ říká Merola. „Například změnou hustoty plodícího materiálu nebo použitím multiplikátorů neutronů. Existují také různé způsoby vyladění procesu extrakce tritia, jeho oddělení od ostatních plynů a jeho opětovného vstřikování do plazmatu.“

Program ITER TBM otestuje systémy zkušebních obalů samostatně, aby určil výhody a nevýhody každého konceptu. Program v průběhu let také získá zkušenosti, aby pomohl určit, které součásti je třeba vyměňovat a jak často. To jsou všechno věci, které ještě nejsou plně objasněny, protože nikde na světě zatím není žádný tokamak s plodícím obalem.

Zkouška dálkové manipulace s testovacími moduly

V roce 2035 se do deuteria napustí tritium a zapálí se termojaderná reakce, která zasype stěny reaktoru, respektive moduly obalu, produkty reakce, tj. neutrony. Důsledkem, kromě jiného, bude sekundární radioaktivita všeho kovového, co neutronům přijde do cesty. Od té doby do vakuové komory nesmí vkročit člověk. Ve vakuové komoře jsou přinejmenším dvě komponenty, které bude třeba během činnosti reaktoru kvůli údržbě vyjímat i za přítomnosti sekundární radioaktivity, tedy bez přímého zásahu člověka. Může to být poškozená jedna či více z padesáti čtyř divertorových tunových kazet nebo bude třeba proměřit jednu ze „zástrček“ (port plug) TBM obsahujících lithium. Uvozovky jsme použil proto, že zástrčka má celých 4,6 tuny! 

Přesuny do horkých komor

Každý modul TBM bude vybaven vlastním technickým zázemím, které bude provádět diagnostiku modulu, odvod tepla, čištění medií a separaci tritia. Modul a zázemí bude možné oddělit. Pro celkovou analýzu stavu modulu a výměnu TBM budou v blízkosti reaktoru k dispozici horké komory. TBM se do nich přemístí pomocí dálkově ovládaných nástrojů. Za dobu provozu reaktoru ITER proběhnou tři fáze testování TBM, ve kterých budou moduly postupně zdokonalovány a optimalizovány.

RACE – užitečný pomocník

Aplikace RACE (Remote Applications in Challenging Environments, dálkové manipulace v náročných prostředích) ze Spojeného království pomáhá tokamaku ITER zajistit, aby návrhy komponent, které mají být instalovány nebo ošetřovány na dálku, měly vhodné vlastnosti a aby bylo možné dálkovou manipulaci vůbec použít.

Extrémně náročné operace údržby na dálku plánované pro ITER vyžadují, aby je technici a budoucí uživatelé vyzkoušeli už nyní. V nejnovější sadě pokusů probíhajících ve spolupráci organizace ITER a zařízení RACE, patřícího Britskému úřadu pro atomovou energii, týmy úspěšně demonstrovaly dálkově řízenou výměnu a kontrolu testovacích modulů obalu tokamaku ITER, které budou přemísťovány z vakuové komory do horké komory v nepřátelském prostředí za snížené či dokonce nulové viditelnosti.

Partnerství mezi organizacemi ITER a RACE pomáhá týmu dálkové manipulace a uživatelům systémů ITER otestovat, zda jsou návrhy komponent dobře sladěny s možnostmi údržby, zejména údržby na dálku, před zahájením vlastní výroby, což je sice nákladné, ale lze se tak vyhnout pozdějším ještě nákladnějším úpravám.

Covid nedovolil účast na zkoušce

Tým ITER se ke zkouškám dálkové manipulace s porty testovacího modulu (TBM) pomocí RACE připojoval webkamerou a videokonferencí. Diváci viděli maketu páru TBM pomalu spouštěnou do makety rámu TBM s tolerancemi pouhých několika milimetrů. „Toto je první z testů RACE, u kterých jsme nebyli osobně kvůli Covidu,“ lituje inženýr dálkové manipulace David Hamilton. „Není to ideální, ale všichni děláme maximum, které nám současné podmínky dovolí. Práce pomocí dálkové manipulace je nutně těžkopádnější a hrubší, než kdyby byla prováděna ručně. Musíme zajistit, aby konstrukce komponent měla vhodné vlastnosti a aby bylo možné provést potřebný úkon pomocí dálkové manipulace; tady jsme nenašli nic lepšího než cvičit s maketou v plném rozsahu v podmínkách podobných těm, které očekáváme.“ (RACE již dříve splnila úkol týkající se údržby rovníkového diagnostického portu od dálkového servisu systému snižování tlaku vakuové nádoby po přesné utahování šroubů pomocí robotických nástrojů.)

Testy dálkové výměny TBM jsou u konce

Koncem listopadu a začátkem prosince provedl tým RACE závěrečné testy na modelech, které demonstrovaly dálkovou manipulaci při výměně testovacích modulů obalu tokamaku ITER. Dva z rovníkových konektorů/zástrček portu ITER přijaly makety modulů plodících tritium. Výměna párů TBM na dálku je v průběhu vlastní fúze v tokamaku ITER plánována během každého období dlouhodobé údržby nebo přibližně jednou za dva roky. „Tato operace si vyžádala hodně přemýšlení, aby se zajistilo, že ji lze provádět pravidelně a spolehlivě,“ říká Byoung Yoon Kim ze Sekce plození tritia. „Díky RACE se naše nápady dostanou snadněji do praxe. Jsme přesvědčení, že nebude třeba tolik úprav, jako kdybychom RACE neměli.“ Kvůli modelovým zkouškám tým RACE navrhl a vyrobil makety sady TBM a rámu TBM podle specifikací organizace ITER. Modely věrně reprodukují velikost a hmotnost skutečných komponent, jejich těžiště a všechny vzájemně propojené vlastnosti a tolerance.

„Až nastane čas na kontrolu testovacích modulů ITER, budou TBM během údržby vyjmuty ze zařízení a přesunuty (ve vodorovné poloze) do horkých komor. V horké komoře budou zvednuty do svislé polohy, ve které lze nahradit či vyměnit TBM," říká Kim. „V RACE testujeme nástroje a protokol této vysoce přesné operace v plném rozsahu pomocí maket. Taková operace nanečisto je jednoduše neocenitelná.“

Výsledky testů dálkové manipulace

Podrobné výsledky studie kritické výměny TBM pomocí dálkové manipulace lze shrnout následovně:

• třítunový zaváděcí systém (výška asi 3 metry) byl úspěšně umístěn a upevněn pomocí příruby makety páru TBM (8 tun);
• vodicí systém s maketou páru TBM (s celkovou hmotností 11 tun) byl úspěšně zvednut a umístěn do čtyř otvorů makety rámu TBM;
• spouštění makety páru TBM bylo úspěšně provedeno s přesností na milimetr na vzdálenosti více než 2 metry.

„Byla provedena i řada pomocných úkolů, jako je výměna vakuového těsnění a zkouškajeho těsnosti spolu s kontrolou po demontáži. Získali jsme užitečné zkušenosti pro budoucí montáž naostro, včetně fáze návrhu maket a nástrojů, jejich výroby a testování,“ říká Kim. „Zpětná vazba z těchto testů podpoří jak vylepšení procesu dálkové údržby, tak nástrojů potřebných pro dálkovou manipulaci v horkých komorách,“ dodává Hamilton. „Makety struktur budou později přeneseny do maketových zařízení ITER na místě, kde je lze použít pro průběžné zkoušky a školení personálu se skutečnými zařízeními a nástroji pro dálkovou manipulaci.“