Semafor pro tokamak ITER

ITER bude prvním fúzním zařízením v měřítku reaktoru. Bude mít samozřejmě také velín, který si ve složitosti nezadá s běžnou jadernou elektrárnou. Prototypové rozhraní v ovládací místnosti monitoruje systémy tokamaku a pomocí červeného, oranžového a zeleného světla bude zobrazovat celkový stav všech komponent. 3D reprezentace zařízení na obrazovce umožňuje přiblížení, oddálení a rotaci – a zahrnuje jemněji odstupňovanou stupnici označující účinek detekované události u každého ze systémů tokamaku.

Nová sada softwaru 

Monitor systémů tokamaku (TSM – Tivoli® Storage Manager) poskytuje integrovaný pohled na stav zařízení v téměř reálném čase, se zpožděním obvykle menším než sekundu, takže operátoři mohou vidět, co se uvnitř zařízení děje a v případě potřeby okamžitě zasáhnout. Systém, který vyvíjí tým divize Port Plugs & Diagnostics Division, také během několika minut poskytne ještě úplnější soubor informací, aby pomohl technikům a vědcům provádět úpravy v intervalu mezi pulzy.  Zatímco jeho primární rolí bude sledovat zařízení s ohledem na navržené mezní parametry tak, jak tokamak „stárne“, je výhodným vedlejším produktem to, že ho lze také použít k vylepšování technických modelů během návrhové etapy. 

Od obrovského objemu dat až po intuitivní prezentaci 

Zkoumání profilu ITERu v provozu je složitý úkol. Přestože je zařízení navrženo jako robustní, musejí být všechny operace prováděny s maximální opatrností. Pokud monitorem zpracovaná data ze senzorů naznačují, že jeden nebo více systémů reaguje mimo očekávaný rozsah, analyzují operátoři možné příčiny a provedou takové úpravy, aby se vyhnuli pravděpodobným problémům. Pokud se všechny systémy chovají dobře, operátoři naopak zvýší zatížení, aby úpravou výkonu plně využili parametry návrhu. 

Primárním zdrojem informací používaných diagnostikou TSM je soubor provozních přístrojových senzorů, které jsou oddělené od specializované diagnostiky používané k monitorování hlavních systémů reaktoru. Doplňková data budou převzata z pomocných systémů zařízení, jako je vodní chlazení či napájecí zdroje cívek, a také z řídicího systému plazmatu a z diagnostiky, která měří chování celého plazmatu až k první stěně. 

I se všemi těmito vstupy bude mít monitor systémů tokamaku stále volné místo, jednoduše proto, že  senzor nejde umístit na každou součást a na každý kritický bod. Pomocí procesu zvaného „rekonstrukce“ bude tokamakový systém odebírat informace z místních senzorů a vkládat je do pečlivě vyvinutých a testovaných analytických a simulačních modelů, aby zjistil chování celého stroje. 

Softwarová sada operátorům běžně poskytne informace o „zdravotním stavu“ a skutečných aktuálních možnostech tokamaku. Na jednoduché úrovni bude informace vyjádřená světly zastupujícími stav každého jednotlivého systému. Pokud svítí zelená, je vše v pořádku, změna na oranžovou nebo dokonce na červenou signalizuje, že je třeba provést nějakou akci. Z tohoto jednoduchého řídicího panelu budou zkušení operátoři schopni ponořit se hlouběji do stavu zařízení, aby zjistili, co se v tokamaku děje. 

Spolupráce rekonstrukčních algoritmů a simulačních modelů 

Monitorování systémů tokamaku začíná aplikací sofistikovaných rekonstrukčních algoritmů, které sbírají data senzorů a rekonstruují globální chování tokamaku s přihlédnutím k načasování každé události. Algoritmy jsou považovány za „spolupracující“ v tom smyslu, že jakýkoli daný algoritmus může pokrývat několik tokamakových systémů a jakýkoli daný tokamakový systém může být obsluhován více algoritmy. 

Takto čerstvě zrekonstruované globální parametry se poté použijí jako vstup pro simulační modely, obvykle založené na analýze konečných prvků. Vypočtená technická data pro všechny podstatné body se hlásí operátorovi. Monitor systémů tokamaku také archivuje výstupy pro budoucí použití. 

Prostřednictvím tohoto procesu bude software schopen dodávat specifická technická data pro všechny části tokamaku, včetně míst, kde senzory instalovat nelze nebo tam, kde nebudou fungovat. 

Skutečná data a výsledky se budou stále porovnávat s projektem a očekáváním 

Prototyp operátorského rozhraní poskytovaný monitorem systémů tokamaku umožňuje srovnání očekávaného chování s tím, co je rekonstruováno diagnostikou TSM (Tivoli® Storage Manager) prostřednictvím přímých měření. Obrazovka zachycuje parametry přechodného posunutí, které lze vykreslit jako časově závislé grafy nebo jako 3D barevně kódované kontury v zadaném intervalu míst vyžadujících pozornost a jemnou analýzu. Metodika již byla vyvinuta a použita v různých průmyslových odvětvích a v jiných tokamacích, ale žádný není tak složitý jako ITER. 

Přístup používaný na ITERu se liší ve dvou aspektech 

„Za prvé, pokud víme, úroveň fyziky v našich algoritmech a modelech nebyla nikdy předtím vyzkoušena v termojaderné fúzi,“ říká Daniel Iglesias, koordinátor sledování systémů tokamaku. „V tokamaku máte několik událostí, které jsou opravdu rychlé a zahrnují spoustu různých jevů. Obvykle jsou různé případy – například jevy přenosu tepla, statický a přechodový elektromagnetismus, dynamické (setrvačné) jevy a stresová pole — analyzovány izolovaně. Ve skutečnosti se odehrávají současně a jejich účinky se překrývají. V tokamaku jsou překryvy normální a zahrnují větší škálu inženýrských oborů než v běžných průmyslových odvětvích, takže musíme rekonstruovat a poté simulovat mnoho z nich dohromady, abychom získali úplný obraz toho, co se děje uvnitř tokamaku. Tato ’multifyzika‘ nebo multidisciplinární inženýrství je jedním z největších problémů.“

„Druhá věc, která je jedinečná,“ dodává Sergey Sadakov, inženýr sledování systémů tokamaku, „je, že na rozdíl od všech průmyslových aplikací podobných diagnostických systémů jsme uskutečnili neobvykle velký krok od současných tokamaků k ITER. Některé moderní tokamaky mají už také příslušné přístrojové vybavení a mohou použít některé rekonstrukční algoritmy. Pokud ale porovnáte objem přístrojového vybavení a parametrů, které musíte rekonstruovat, je tu rozdíl jednoho až dvou řádů! Udělali jsme obrovský krok nebo možná několik – a náhle tu máme desítky tisíc kanálů dat a několik set rekonstrukčních algoritmů a simulačních modelů běžících současně. Toto už je budoucnost fúze, úsvit průmyslového přístupu.“ 

Zdokonalení technických modelů ještě před uvedením tokamaku do provozu 

„Naší vývojovou strategií je mít šest verzí softwarové sady, každou následnou se širší funkcionalitou,“ říká Iglesias. „Za rok předvedeme první funkční verzi – samozřejmě s omezenou funkčností, ale se základními ingrediencemi. A pak bude vývoj postupný. Celý systém bude připraven na konci roku 2024, kdy bude integrován před prvním plazmatem. Vylepšení se budou objevovat i po zahájení provozu stroje. Jakmile bude tokamak ITER v provozu, začneme s fází ověřování a jsem si jist, že i poté budeme mít spoustu nápadů, jak vše ještě zdokonalit.“ 

Už nyní, roky před uvedením reaktoru do provozu, hrají systémy tokamakových monitorovacích simulačních nástrojů důležitou roli. Porovnáním výstupu ze simulátorů s technickými modely používanými v projektu jsou vědci a inženýři schopni provádět změny v technických modelech s velkým předstihem před výrobou skutečných systémů. „Díky vývoji simulačních modelů jsme již dnes schopni zkontrolovat návrhy a zajistit, aby všechno bylo zpracováno dobře,“ říká Alexander Aleksejev, hlavní poradce pro tokamak generálního ředitele ITER. „Takže už před zapálením prvního plazmatu tento systém zvyšuje hodnotu tokamaku ITER.“

Volně podle Pata Branse