Osvětlení pro vnitřní stěnu vakuové nádoby tokamaku ITER

Tokamak ITER, který se staví ve Francii, by měl uvolňovat fúzní výkon 500 MW. Ve vakuové komoře, kde budou probíhat termojaderné reakce v plazmatu, se nesmí horké plazma dotknout vnitřní stěny komory. Tomu budou bránit magnetická pole. Pokud se tak přece jen stane, plazma se ochladí a stěna se může poškodit. Ideální by bylo stěnu po každém výstřelu zkontrolovat.

Umožní to nový systém nazvaný „systém osvětlení uvnitř vakuové komory“. Díky němu operátoři ITER rychle vyhodnotí potenciální poškození vnitřní stěny na snímcích ve viditelném světle.

Umělcova představa systému vnitřního osvětlení vakuové komory. Světlo laseru vstupuje do vakuové nádoby skrze existující systém zrcadel, umožňující fotografovat první stěnu mezi dvěma po sobě následujícími pulzy plazmatu. Vpravo dole optické lavice podsystému osvětlovací diagnostiky, hlavní kamery, pohyblivá zrcadla a laserové optické hlavy. (Kredit: ITER Organization, http://www.iter.org/)

Jen pár centimetrů od horkého plazmatu v ITERu je první stěna (first wall) vyrobená z berylia. Přestože je navržena tak, aby zvládla vysoký tepelný tok (5 MW/m²), může být lokálně poškozena náhodným výtryskem plazmatu. Pokračování dalším pulzem plazmatu bez předchozí kontroly by mohlo znamenat nutnost nákladné opravy, nehledě na nepříjemné zdržení. Plazma nového pulzu totiž první poškození neopraví, spíše zvětší. Díky početné sadě diagnostik, které měří teplotu stěny během pulzu, mohou operátoři snadno zjistit, zda se nějaké místo zahřeje více, než je bezpečné. Nicméně, senzory jim neposkytnou dostatek informací o rozsahu poškození tak rychle, jak operátoři potřebují. 

Stínění tokamaku brání světlu 

Tokamak vyžaduje stínění, aby neutrony nemohly vystřelit ven z plazmatu do oblastí, kde je citlivá elektronika, nebo do nichž potřebují mít přístup pracovníci. Toto stínění omezuje průchod potřebných optických cest od plazmatu k detektorům. V první řadě toto omezení znamená, že zdroj laserového světla musí být umístěn několik metrů od plazmatu, aby nedošlo k poškození jeho elektroniky. Za druhé spočívá omezení v tom, že návrh nemůže zahrnovat přímé optické cesty, které by se mohly stát kanálem pro neutrony. Místo toho se optické cesty musejí ohýbat pomocí zrcadel, která směrují světlo dlouhou a komplikovanou cestou od plazmatu k detektorům. Kvůli těmto omezením je stejně obtížné dostat světlo dovnitř vakuové komory a osvětlit její stěny. Paprsky laserů cestují dlouhými cestami a nepříjemné je, že s každým odrazem od zrcadla se paprsek zeslabuje, část světla se „ztrácí“. 

Rychlost a operativnost je nutná 

V případě pochybností týkajících se poškození stěny mohou operátoři použít výkonnou diagnostiku zvanou „in-vessel“. Pozorovací systém má velká ramena, která ční do vakuové komory, kde jsou připravena skenovat povrch a měřit a zobrazovat topologii povrchu. Nastavení a spouštění tohoto systému trvá dlouho a čas je v tomto případě vzácný. Je ho třeba využít pro experimenty v reaktoru a neztrácet ho nastavováním diagnostiky. „Systém sledování uvnitř komory“ je sice velmi výkonný, ale není určitě určen pro rychlé a časté kontroly,“ říká Martin Kocan, koordinátor v Sekci diagnostiky vakuové komory. „Musíme poskytnout operátorům mechanismus, jak se podívat dovnitř po jakémkoli pulzu, když za okamžik má vystřelit další puls. To se může stát mnohotisíckrát za celou dobu životnosti zařízení.  Stávající pozorovací systém pro tento režim navržen nebyl." 

Nový vtipný návrh využívá stávající vybavení 

Diagnostický tým ITER vytvořil koncepční návrh nového systému osvětlení v komoře, který má sice trochu menší rozlišovací schopnost, ale lze jej použít rychle a často (tak už to v přírodě bývá, něco za něco). „Nový systém, který se nazývá „viditelný a infračervený systém se širokým úhlem“ navazuje na stávající systém. Využívá k měření teploty stěny během pulzu infračervené kamery. Využitím již existujícího řešení bylo nalezeno nákladově efektivnější řešení, než kdybychom vše budovali „na zeleném poli“, říká Martin. Široký úhel viditelného a infračerveného systému využije světlo plazmatu, vede ho přes zrcadla a čočky a posílá ho dál dvaceti různými optickými kanály do kamer. 

Dovnitř i ven 

"Osvětlovací systém vnitřku komory přidá osvětlovací světlo do komory stejnou cestou, ale z opačného směru. Světlo laserů umístěných daleko od plazmatu cestuje optickými vlákny. Každá optická cesta bude vybavená pro pořizování snímků vnitřku tokamaku kamerou s vysokým prostorovým rozlišením. Máme tedy celkem dvacet takových pohledů, které běžně během výboje sledují celou vnitřní stěnu tokamaku, abychom mohli monitorovat co největší část vnitřní stěny směřující do plazmatu,“ říká Martin. „Systém ‚osvětlení v nádobě‘ využije devatenáct z dvaceti cest k osvětlení a zbývající dvacátý pohled k pořízení snímku pomocí speciální kamery.“ Nový systém osvětlení v nádobě má tu výhodu, že je rychlý a snadno se použije a je schopný poskytnout první náznak jakéhokoli poškození první stěny ITER. Inovace spočívá v možnosti dvoucestného využití každého z dvaceti optických kanálů.

Nový systém je všestranný – každý pohled lze použít k zavedení světla či osvětlení nebo k fotografování. V každém okamžiku lze použít kameru s libovolným pohledem. „Pořízení každého snímku trvá stále asi 30 sekund, protože i při devatenácti vnějších světelných zdrojích se osvětlení nebude blížit intenzitě, kterou získáte pořízením snímku za denního světla. Do torusu vpustíme asi 19 W světla. Každých 30 s můžeme změnit konfiguraci osvětlení s fotografováním a začít se dívat z jiného úhlu na jiné místo."

Nový systém pokryje 80 % až 90 % plochy během 10 minut 

Prostorové rozlišení obrázku závisí na vzdálenosti fotoaparátu od objektu, která bude v řádu několika milimetrů, což je na podrobný popis poškození stěny dostatečné. Některé pohledy se překrývají, k jejich kombinaci se může použít speciální software a získat tak z překrývajících se obrázků více detailů. Když je snímek pořízen z každé z optických cest, získáme až 20 plných obrázků vnitřní stěny torusu. „Očekáváme, že nebudeme schopni pokrýt jen asi 10 % až 20 % povrchu komory,“ říká Martin. „To znamená, že stále budou existovat oblasti, které vůbec nevidíme – a samozřejmě existuje riziko, že dojde k roztavení v jednom z těchto slepých míst. Ale pohledy jsou diktované tím, kam můžeme umístit kamery."

Nový systém osvětlení v nádobě je rychlý a poskytuje první informace o místě a rozsahu poškození. Umožňuje operátorům určit v intervalu několika minut, zda mohou bezpečně pokračovat dalším výbojem plazmatu, nebo zda je třeba nasadit složitější systém k detailnějšímu prozkoumání první stěny.

Od letošního roku tým převezme koncepční návrh a bude jej dále vyvíjet. Nyní se připravují výběrová řízení na nalezení partnera pro vytvoření finálního návrhu, se kterým si již dokáže poradit výrobce. Současně pracuje tým na zabezpečení rozhraní pro osvětlovací systém do prostoru přiděleného v portech a zařízení pro elektrické služby a také chladicí vodní systém pro kamery.