Italský „mini ITER“ ke zkoumání tepelného „výfuku“

Po světě se potuluje kolem stovky tokamaků – experimentálních zařízení pro studium řízené termojaderné fúze. A že umějí všelijaké věci: Kazachstan Tokamak Material, KTM, dokáže v Astaně vyměnit vzorek materiálu, aniž napustí vakuovou komoru atmosférickým tlakem. Variabilním magnetickým polem se pyšní TVC, Tokamak à Configuration Variable v Lausanne. Největší tokamak na světě Joint European Torus, JET, v Culhamu má ITER-like stěnu, neboli vnitřní stěna vakuové komory včetně divertoru je pokryta stejným materiálem, jako bude mít tokamak ITER. Nejstarší fungující tokamak na světě GOLEM v Praze můžete ovládat z kteréhokoli místa na zeměkouli. Divertor Tokamak Test, DTT, v italském Frascati bude moci díky nejflexibilnějšímu magnetickému poli v okolí divertoru na světě a nastavovatelnému divertoru hledat takovou konfiguraci, která dokáže umravnit energii více než 10 MW/m² očekávanou na divertoru v kterékoli variantě DEMO – v posledním předstupni fúzní elektrárny. Zařízení Divertor Tokamak Test (DTT) je menší než ITER a má jiný cíl, ale při osobních setkáních u něj se vědci mnoho naučí.

Nikdo, kdo pracuje na stavbě tokamaku ITER a žije v krásném jihovýchodním cípu Francie, kde se projekt nachází, si nemůže nevšimnout pozůstatků dávné historie spojující region Provence s Itálií. Julius Caesar v letech 58-51 př. n. l. dobyl Galii, císař Augustus ji začal romanizovat a tak se stala první částí francouzské Galie podřízenou římské nadvládě (ve skutečnosti název Provence pochází z latinského Provincia). Strategickou polohou mezi Itálií a Španělskem se Provance stala důležitou součást římské říše. Důkazy jsou všude, od nádherných arén v Arles a Nîmes, k nádhernému akvaduktu Pont du Gard.

DTT ve výstavbě

Posuneme se rychle vpřed o více než 2000 let, a hle - Provence s Itálií spojuje nová aktivita, či spíše aktivity. Jednak města italské Asciano a francouzské La Roque d'Anthéron sdílejí nedávno odhalený monument Résonances francouzského umělce Jean-Paul Philippeho. Ani druhý styčný bod nejsou dobyvačné války ani majestátní arény či honosné chrámy, ale jaderná fúze! Přibližně 900 km od ITER, ve Frascati, metropolitní oblasti hlavního města Říma (20 km jihovýchodně od Říma), je ve výstavbě nový tokamak – testovací zařízení Divertor Tokamak Test (DTT). Projekt DTT, který byl navržen v roce 2015, je výsledkem spolupráce vědců z několika italských institucí a evropských fúzních laboratoří. V září 2019 bylo založeno DTT Consortium s posláním realizovat projekt. Konsorcium složené z mnoha italských výzkumných institucí, vládních a regionálních partnerů a mezinárodních zúčastněných stran získalo na výstavbu zařízení téměř 500 milionů EUR. Očekává se, že jak DTT, tak ITER zahájí provoz ve zhruba podobném časovém horizontu.

Narozdíl od ITER není primárním posláním DTT dosáhnout fúze deuteria s tritiem – bude používat pouze deuteriové palivo – ale hodlá prozkoumat a otestovat fyziku a technologii konceptů pro odsávání tepelné energie plazmatu, které by mohly být použity v evropském reaktoru DEMO (demonstrační elektrárny), zařízení, které má být pokračovatelem ITER. V tokamakových zařízeních se odsávání energie obvykle řeší pomocí speciální části, známé jako divertor, často (jako v ITER) instalované na dně komory reaktoru. Skládá se z pevnolátkových terčů, které zachycují žhavé plazma proudící podél magnetických siločar, jejichž geometrie je zmanipulována pomocí externích magnetických cívek tokamaku tak, aby se okrajové plazma "odklonilo" na terče divertoru. Na tokamacích s dlouhým pulsem a vysokým výkonem jsou tyto divertory velmi sofistikované, aktivně vodou chlazené komponenty, schopné nepřetržitě zpracovávat kolem 15 MWm^-2, což je kolosální tok energie – přibližně stejný jako ten, který se nachází několik milimetrů před obloukovým svařovacím argonovým hořákem nebo na povrchu Slunce. Divertor pro ITER bude největším a nejsložitějším příkladem této technologie, která byla dosud použita. Odsátý tepelný výkon na demonstrační elektrárně DEMO může být ještě 4-5krát vyšší než přibližně 100 MW, které vyrobí hořící plazma ITER, takže nové koncepce manipulace s energií mohou být skutečně zapotřebí. Řešení nabízená současnou technologií nejsou schopna odolat těmto specifickým úrovním měrného výkonu.

Posláním DTT je testovat podobné koncepty. Je navržen s flexibilitou divertoru a okolního magnetického pole, aby mohl vyzkoušet různé divertorové a magnetické geometrie a později i ještě exotičtější přístupy, jako jsou terče z tekutých kovů, které zatím na ITER nelze nasadit.

Ve skutečnosti, zatímco udržení v reaktoru bude výsledkem magnetických siločar, které tvoří soubor uzavřených a soustředných magnetických povrchů, na okraji plazmatu bude mít tenká oblast (tloušťka v řádu milimetrů) otevřené magnetické siločáry, které zavedou částice a jejich teplo přímo na zařízení vytvořené k „zdolání zátěže“: na divertor.

DTT bude moci testovat nové a odlišné konfigurace a materiály pro divertor a optimalizovat magnetickou topologii siločar v blízkosti povrchů rozptylujících teplo.

Je zřejmé, že bude nutné prokázat, že požadavky na kapacitu rozptylu tepla budou dosaženy bez jakéhokoli zhoršení dobrého udržení paliva uvnitř reakčního objemu (nad divertorem).

DTT bude hlavním evropským tokamakem a nejúplnějším a nejflexibilnějším experimentem na světě, který bude řešit problém likvidace zbytkového tepla.

DTT musí nejprve vytvořit podmínky plazmatu, které zajistí stabilní toky energie na správné úrovni. Ačkoli je fyzicky mnohem menší než ITER nebo DEMO – hlavní poloměr 2,2 m ve srovnání s 6,2 m ITERu – jeho eventuální cíl 45 MW dodatečného ohřevového výkonu a velmi podobné magnetické pole (6 Tesla) centrálního solenoidu, budou znamenat, že dosahují zhruba stejné hodnoty důležitého čísla  výfukového/odsávaného výkonu tokamaku: poměru výkonu dosahujícího hranice udržovaného plazmatu k hlavnímu poloměru (v rozsahu 15-17 pro ITER a DEMO).

Hlavní cíle DTT a ITER se mohou na první pohled zdát odlišné, ale podívejte se jen trochu hlouběji a najdete nápadné podobnosti. Obě zařízení jsou supravodivá s dlouhým pulsem (až asi 100 sekund trvání plazmatu na DTT, asi 5krát kratší než předpokládané trvání plazmatu tokamaku ITER pro plazma s vysokým fúzním ziskem), používají velmi podobné magnetické systémy (18 toroidálních a 6 poloidálních cívek hlavních magnetických polí) vyrobených přesně stejnou technologií. Oba budou používat stejný dvoustěnný, vodou chlazený plášť pro primární vakuovou nádobu a oba budou zvyšovat teplotu plazmatu pomocí téměř identických dodatečných ohřevových systémů (zdroj negativních iontů pro vstřik paprsku neutrálních částic NBI a vlnový ohřev ve stejném rádiovém a mikrovlnném frekvenčním rozsahu). DTT zahájí provoz s divertorem pokrytým wolframem využívajícím stejnou technologii vyvinutou pro ITER. Obě zařízení budou vybavena odpovídajícími sadami komplexních magnetických cívek uvnitř vakuové komory, které se použijí pro řízení magnetohydrodynamických nestabilit plazmatu. Pokud totiž tyto nestability nejsou eliminovány, jsou příčinou uvolňování opakujících se tepelných pulzů z udržovaného plazmatu a mohou být velmi škodlivé pro stejné divertorové terče.

Stručně řečeno, DTT vypadá pro všechny záměry a účely a s podobnými komponentami jako mini-ITER. Ve skutečnosti to není náhoda, protože mnoho návrhů komponent DTT je inspirováno tím, co bylo vyrobeno pro ITER, a protože Evropa vyrábí mnoho systémů ITER (některé dodává dokonce italský průmysl), je zcela přirozené, že by měly být a byly přijaty podobné technologie i pro DTT.

Pochopitelně nepřekvapilo, že delegace z konsorcia DTT navštívila organizaci ITER a to dne 10. října 2022, aby vedla technické diskuse o tom, jak by tato dvě zařízení mohla spolupracovat v nadcházejících letech během výstavby i mimo ni. Bylo nalezeno mnoho oblastí spolupráce. V dopoledních hodinách návštěvy, po dvou úvodních prezentacích o stavu projektu DTT a jeho plánovaném vědeckém programu, poskytli členové týmu DTT, mnozí prostřednictvím videokonference, tříhodinovou maratónskou sérii krátkých přednášek o konkrétních oblastech inženýrství, technologie a vědy, ve kterých jsou si obě zařízení podobná. Odpoledne si delegace DTT užila prohlídku velkého sálu ITER a budovy Tokamaku. Za několik let by měl být tým DTT schopen oplatit laskavost kolegů z ITER, až jejich vlastní zařízení dosáhne podobné fáze montáže. Po dokončení se DTT stane také zařízením, ve kterém bude možné školit další generaci vědců a inženýrů zabývajících se fúzí na menším zařízení s mnoha charakteristikami ITER, ale bez komplikací jaderného provozu.

Těšíme se na obnovení historických vazeb mezi Itálií a Provence, nyní ve prospěch fúzní vědy!

Poznámka autora: Trošinku podivná historie DTT. Není jasné, zda bylo DTT projektováno hned od samého počátku jako satelit ITER ohledně studia vysávané energie (poměru vysávané energie na hranici plazmatu a hlavního poloměru) nebo čehokoli jiného? Zdá se mi, jako když se DTT hledá možnosti o spolupráci ad post. „Bylo nalezeno mnoho oblastí spolupráce“ – spíše je překvapivé, že už s cílem konkrétní spolupráce nebylo DTT stavěno či spíše projektováno. A rychle se hledá jak projekt DTT odůvodnit, když větší, ambicióznější ITER se blíží ke spuštění? Proč se schází DTT a ITER tak pozdě aby dohodli možnosti spolupráce?

Nicméně činnost DTT je či spíše bude pro ITER velmi žádoucí.

Zdroj:  Richard Pitts, vedoucí sekce Experimentů & řízení plazmatu