Montáž ITER: první cívka poloidálního pole je na místě

Největší tokamak na světě staví v Cadarache na jihu Francie sedm partnerů: EU, Rusko, Čína, USA, Japonsko, Jižní Korea a Indie. Palivem bude směs deuteria a tritia ve stavu plazmatu. V předchozích článcích jsme psali o jednotlivých součástech zařízení i o cívkách poloidálního pole - jednoho z magnetických polí, která tokamak potřebuje k udržení plazmatu. Dnes budeme psát o cívce č. 6 (PF6). Zdá se být velká a masivní, má průměr 10 metrů a hmotnost 330 tun. Ale všechno je relativní. Ve čtvrtek 21. dubna 2021, kdy byla cívka vyjmuta z nosného rámu a zvednuta 25 metrů nad hlavy dělníků, aby byla přenesena do montážní jámy tokamaku, se vnímání její velikosti dramaticky změnilo: ve srovnání s obrovským objemem montážní haly se najednou zdála malá. Vypadala jako ocelový frisbee (dětský házecí disk) pomalu klouzající prostorem.

PF6 je tlustá a těžká, protože má více vrstev vodičů než jakákoli jiná ze šesti cívek poloidálního pole a více závitů vodiče na vrstvu. Bude umístěná ve spodní části tokamaku jako tzv. „divertorová cívka“, jejíž hlavní funkcí je vytvořit nulový bod pole, který umožňuje odstranění heliového popela z plazmatu. „Aby bylo nulové magnetické pole v nulovém bodě pole divertoru, musí spodní magnet generovat pole stejné intenzity jako pole, které vytváří elektrický proud v plazmatu - ale s opačnou polaritou,“ vysvětluje Nello Dolgetta z magnetické sekce ITER . „A to je důvod, proč je PF6 navzdory svému relativně malému průměru tak těžká. Jelikož magnetické pole je definováno intenzitou elektrického proudu krát počet závitů vodičů, máme v PF6 o 30 až 50 procent více závitů než v ostatních cívkách poloidálního pole.“

Zadání z Evropy do Číny

PF6 vyrobili v Ústavu fyziky plazmatu Čínské akademie věd (ASIPP). „Problém, s nímž jsme se potýkali, spočíval v tom, že první dvě instalované cívky, PF6 a mnohem větší PF5, musely být dodány téměř ve stejnou dobu,“ vysvětluje Alessandro Bonito-Oliva, programový manažer magnetů v Evropské domácí agentuře Fusion for Energy. „Vzhledem k tomu, že v místním navíjecím zařízení nebylo dost místa na instalaci dvou paralelních výrobních linek, diskutovali jsme o problému s různými domácími agenturami a nakonec jsme zjistili, že ASIPP je nejlepším potenciálním dodavatelem.“ Výroba cívky PF6 trvala sedm let, dokončena byla v září 2019. Podle slov Alessandra šlo o kolektivní úspěch Evropy a Číny při výrobě prvotřídní komponenty. Cívka PF6 se plavila přes řeku Jang-c 'do Šanghaje, pak v březnu 2020 do čínského přístavu Hefei a v červnu pak dorazila lodí do francouzského přístavu Fos-sur-Mer. Aby ji bylo možné přepravit na staveniště ITER, bylo nutné upravit nebo rozšířit několik částí silnice vedoucí ke staveništi.

Tolerance 4 milimetry

Zvedání, manipulace a instalace cívky PF6 dne 21. dubna 2021 představovalo osmihodinovou operaci za pomoci složitého systému lanoví schopného otáčet cívkou a polohovat ji s tolerancí 4 milimetry. Závěsný systém se skládal z 92tunového dvojitého jeřábu s těžkým nosníkem (který se také používal ke zvedání prvního sektoru vakuové nádoby), 42tunového zvedacího rámu a sady zvedacích adaptérů. Komplex o celkové hmotnosti přibližně 480 tun představoval třetí nejtěžší břemeno po základně kryostatu a sektoru vakuových nádob přepravovaných od května 2020 do dubna 2021. Den před operací provedl tým zkoušku zdvihu a vyhodnotil riziko s tím, že nebude kompenzovat mírnou nevyváženost v těžišti součásti způsobenou rozhraním připojení zdrojů elektrického proudu a tekutého helia o hmotnosti jedné tuny, který vyčníval zpod cívky na jedné straně. „Mírné naklonění cívky nepřesáhlo jeden stupeň a zůstalo v toleranci,“ vysvětlil Jens Reich, vedoucí divize Dodávky a montáže částí vakuové komory, když se cívka v pozdních odpoledních hodinách usadila na své podpěry. „Všechno proběhlo dokonale a hladce. Uf!“ Cívka zůstane na dočasných podpěrách během instalace všech devíti podsestav sektorů vakuové nádoby - to je několik let!

Dvakrát měř a jednou řež

Po základně kryostatu, spodním válci kryostatu, spodním tepelném štítu kryostatu a prvním sektoru vakuové nádoby byla instalace PF6 pátým nejtěžším úkolem montážní posloupnosti. „Hodně jsme se naučili,“ říká Jens. „Z organizačního hlediska bylo důležité přesně definovat, kdo je za co zodpovědný v každém bodě instalační posloupnosti. Těsná spolupráce s našimi dodavateli byla předpokladem, abychom se vyhnuli nedorozuměním. Ale především jsme si znovu potvrdili známou zkušenost, že je třeba zkoušet a znovu zkoušet, zvláště když musíme obsluhovat tak složité vybavení, jaké jsme použili při instalaci cívky PF6, a znovu použijeme pro cívku PF1 a zejména pro tisícitunový(!) centrální solenoid.“

PF6 zůstane na svých dočasných podpěrách několik let, dokud nebude nainstalováno a svařeno všech devět sektorů vakuové komory. Hned po dohotovení vakuové komory hydraulický systém dočasných podpěr nadzvedne cívku a ukotví ji k nástavbám cívek toroidálního pole. Podobná posloupnost bude  i při montáži další cívky poloidálního pole (PF5, průměr 17 metrů) letos v létě. 

 Obr.: Průřez vakuovou komorou tokamaku, kde Z je osa rotační symetrie vakuové komory. Je vidět, že část silokřivek se uzavírá v komoře a menší část na okraji je otevřená a míří na terče divertoru. Po nich kloužou nečistoty vstříc svému „zneškodnění“. Po neutralizaci jsou totiž nečistoty odčerpány. Místo zvané X-bod (nulový bod) je v obrázku zřetelné. Nulový bod má na svědomí cívka PF6 protékaná stejně velkým proudem opačného směru než je proud v plazmatu. Aby splnila tento požadavek, má divertorová cívka PF6 více vodičových vrstev než jakákoli jiná cívka poloidálního pole (devět dvojitých „palačinek“ neboli 18 vrstev) a více závitů vodičů na vrstvu (25,5), takže je poměrně tlustá a těžká.

(Všechny obrázky kredit ITER Organization, http://www.iter.org/)