Centrální solenoid: schopen bez vady

Poté, co prošel řadou přísných testů, získal první ze sedmi modulů supravodivých magnetů, které budou tvořit „pulsující srdce“ mezinárodního fúzního reaktoru ITER, hodnocení „schopen, bez vady“. V General Atomics Magnet Technologies Center v San Diegu v Kalifornii se vyrábí několik centrálních solenoidových modulů. Modul postavený v San Diegu společností General Atomics pod vedením americké části projektu ITER se sídlem v ORNL, koncem toho roku zamíří do Francie, kde probíhá montáž tokamaku ITER. V pravý čas bude následovat šest zbývajících modulů (jeden je náhradní), které se nyní vyrábějí a které dohromady vytvoří centrální solenoid, jeden z nejsložitějších a nejnáročnějších magnetických systémů, jaký byl kdy vyroben.

Jak se u takového zařízení - prvního svého druhu - očekávalo, inženýři se během dvou let usilovného zkoumání setkali s řadou problémů. 

Páteř i srdce

Úspěšné testování prvního modulu je významným milníkem ambiciózního projektu tokamaku ITER. Ačkoli centrální solenoid byl se svými šesti cívkami poskládanými na sebe jako obratle také přirovnáván k páteři, je srdce metaforou přiléhavější. 45 000 zesilovačů elektrického proudu, který bude skrz supravodiče niob-cín proudit jako krev, bude generovat silné magnetické pole, které hraje rozhodující roli při řízení a formování horkého plazmatu produkujícího fúzní energii ve vakuové komoře. „Tokamak ITER by bez centrálního solenoidu pochopitelně nemohl existovat,“ řekl David Everitt, vedoucí centrálních elektromagnetických systémů v USA ITER. Centrální solenoid je jedním z 12 hardwarových systémů, které projektu poskytuje US ITER Agency (Americká agentura pro ITER), financovaná odborem energetiky Office of Science of Fusion Energy Sciences.

Testování

Jako první z elektromagnetických modulů byl 113 tunový modul s průměrem 4,3 metru podroben řadě náročných testů ve společnosti General Atomics. Komponenty byly kontrolovány ve švýcarském zařízení SULTAN, které testuje silnoproudé supravodiče. Modul byl vystaven stejným extrémním podmínkám, kterým bude čelit při provozu v tokamaku ITER, včetně vakua, vysokého proudu a nízkých teplot (4 K neboli minus 270 stupňů Celsia), které jsou nutné pro to, aby se materiál niob-cín stal supravodičem.

Ani miliardtina ohmu

Jeden z nejzávažnějších problémů, které musela výroba vyřešit, spočíval v koaxiálních spojích, které do modulu přivádějí elektrickou energii generující magnetické pole. Kvůli extrémnímu chladu vyžadovanému pro supravodivost musel být jakýkoli ohmický odpor, který by se mohl vyskytnout uvnitř některého z mnoha spojů systému, udržován na absolutním minimu – to je na hodnotě miliardtin ohmu - aby nedošlo k přehřátí vzácného kapalného helia, které udržuje magnet na teplotě téměř absolutní nuly. Zatímco některé spoje splnily tyto náročné požadavky, koaxiální konektory selhaly a vyřešení problému trvalo více než dva roky. Tým opakovaně demontoval a znovu sestavoval konektory, vyzkoušel řadou přístupů a nakonec dospěl k novému návrhu, který udržel ohmický odpor v rámci přísných parametrů projektu.

Detektor zhášení sám zhášel

Další konstrukční modifikace vyplynula také z toho, že se objevil jiný problém, který donutil inženýry pořádně se zapotit - problém se systémem detekce jevu zvaného „quench“ (zhasnutí) supravodivých cívek. Pokud elektrický proud kdekoli podél 5,6 km dlouhého supravodiče v modulu narazí na příliš velký odpor, výsledné Jouleovo teplo může zvýšit teplotu magnetu nad funkční teplotu – což vyvolá tzv. quench (zhasnutí). Testy odhalily, že v důsledku nekompatibility mezi pokryvem vodičů detekujících quench a epoxidem použitým k izolaci supravodivých kabelů by mohly později dráty popraskat. Po několika měsících, během kterých se problém odstraňoval, tým připravil řešení, které zdolalo velkou, ale kritickou překážku, tzv. Paschenův test (vysvětlení níže) a připravilo výkon systému na podmínky náročného vakua. „Pokud zvládnete tyto přísné paschenovské testy,“ řekl Everitt, „můžete svému izolačnímu systému velmi důvěřovat.“ „Proces prověřování vyžadoval čas a trpělivost. Ale technici se ukázněně přizpůsobili,“ rozhovořil se Graham Rossano, ředitel technické divize US ITER. „Tým odvedl dobrou práci při udržování výroby a testování během celé pandemie. A jsme si jisti výkonem, protože jsme testovali při teplotě plný výkon.“

Srdce k srdci

K úspěchu přispěla také řada dalších partnerů - od japonského ITER, který poskytl supravodič, až po zaměstnance v Organizaci ITER, prodejců a externích poradců. Poznatky získané při výrobě prvního modulu byly pochopitelně použity při konstrukci zbývajících. Druhý modul nyní prochází vlastní baterií testů a očekává se, že bude odeslán na staveniště ITER těsně po prvním modulu ve druhé polovině roku 2021.

Všechny znalosti se sdílejí v širší vědecké komunitě. Tato průkopnická práce bude přínosem i pro práce mimo ITER a pomůže rozvíjet technologie budoucích magnetů pro fúzi i další aplikace.

Podívejte se na původní příběh na webu US ITER website.

Paschenův test (vysvětlení)

Paschenovy testy jsou nezbytné k detekci slabých (nedostatečných) elektrických bodů v izolaci za kontrolovaných podmínek, které nejsou pro cívku škodlivé. Selhání izolační konstrukce dielektrické pevnosti by mohlo způsobit poruchu během provozu s katastrofálními důsledky pro supravodivou cívku. Provedení testů je nevyhnutelné, pokud není možná výměna vadného magnetu. Paschenovo přerušení (rozpad, breakdown) je výsledkem lavinového efektu souvisejícího s ionizací plynu pod elektrickým napětím. Paschenův zákon definuje rozdělení napětí vzácných (nízkotlakých) plynů jako funkci součinu tlaku a vzdálenosti mezi elektrodami, které vykazují minimální hodnotu (obvykle řádově stovek V), pod kterou k rozdělení nemůže dojít. Konstrukce elektrické izolace supravodivých magnetů se zaměřuje na dielektrickou pevnost při specifikovaných napětích pomocí vlastní dielektrické pevnosti materiálů. Trhlina v izolaci nebo chyba, která nebyla detekována vizuální kontrolou, by nemusela nutně vést k elektrickému přerušení během přejímacích zkoušek na vzduchu vzhledem k vysoké dielektrické pevnosti vzduchu. V jiných podmínkách by to však mohlo vést k výpadku elektrického proudu během provozu. Protože Paschenovo minimum se vyskytuje ve vakuu, je pro konvenční vysokonapěťové (VN) inženýrství irelevantní, avšak aplikace supravodivé technologie pro plazmová fúzní zařízení s rostoucí velikostí a složitostí magnetů ukázala, že Paschenovo testování musí být základním nástrojem. Při provozu magnetu uvnitř podmínek kryostatu, pokud dojde k úniku helia, může tlak lokálně dosáhnout kritických hodnot a může tím dojít k Paschenově rozpadu při napětí výrazně nižším, než je navržené.