ITER ještě není hotov, už se opravuje

Při stavbě zařízení tak velkého a tak složitého, jako je ITER, nejsou potíže a překážky překvapením – naopak jsou nedílnou součástí výroby, montáže a instalace. Uvažme, že jde o první komponenty svého druhu na světě (přinejmenším co do velikosti). Od prvních fází výroby až po konečné vložení do jámy tokamaku jsou problémy se součástmi stálým a důvěrně známým společníkem. Někdy však uprostřed běžných, téměř každodenních problémů vyvstane problém většího rozměru, takový, který vyžaduje hlubší prozkoumání, kreativitu při navrhování nápravných opatření a co je důležité – čas a rozpočet na opravu. Již dva a půl roku montáže zařízení čelí ITER obavám tohoto druhu, někdy větších, jindy menších. A nyní byly identifikovány závady ve dvou klíčových komponentách tokamaku: tepelných štítech a sektoru vakuové nádoby.

Od počátku stavby tokamaku se tak významné závady neobjevily. Byly problémy s organizací práce, které eliminovala výměna japonských ředitelů ITER Organization za Francouze Bernarda Bigota. Ač nebyly publikovány žádné informace o dlouhodobé nemoci šikovného ředitele, naopak se objevovaly snímky Bigota v čele cyklistického pelotonu, v květnu jsme se museli s Bernardem Bigotem rozloučit. Věřím, že mimořádně namáhavá duševní práce mu na zdraví nepřidala. Letošní zjištění závažných nedostatků v konstrukci mohla být příslovečným posledním hřebíčkem.

Kde je problém

Na detailním snímku sektoru vakuové nádoby již uložené na dně tokamakové jámy je jasně vidět tenký tepelný štít a jeho chladicí trubky, vložené mezi vlastní vakuovou nádobu a jednu z přidružených cívek toroidálního pole. (O ukládání jsme psali zde: https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2859-modul-pristal-slavnostni-okamzik)

Tepelné štíty vakuové nádoby a tepelné štíty kryostatu jsou aktivně chlazené postříbřené prvky o tloušťce 20 mm a 10 mm, které přispívají k tepelné izolaci supravodivého magnetického systému pracujícího při 4 K neboli minus 269 °C. V každém z devíti sektorů vakuových nádob – z nichž jeden je již nainstalován v montážní jámě – jsou panely tepelného štítu umístěny v úzké mezeře mezi sektorem vakuové nádoby a dvěma již připojenými cívkami toroidálního pole. Kruhový tepelný štít o průměru přibližně 20 m také lemuje vnitřní stěnu kryostatu, aby tak zakončil nebo zahájil (podle toho, jaký směr si vyberete – odstředivý či dostředivý) tepelnou bariéru chránící supravodivý magnetický systém. Spodní část tepelného štítu kryostatu byla umístěna uvnitř jámy v lednu 2021.

Zjištění závady

V listopadu 2021 odhalily zkoušky pomocí helia netěsnosti na prvku tepelného štítu vakuové nádoby, který byl dodán před rokem a půl. Rychle byly sestaveny pracovní skupiny s odborníky od různých partnerů ITER, aby věc prošetřily a identifikovaly hlavní příčinu netěsností. Tou se ukázalo být napětí způsobené ohýbáním a svařováním trubek chladicí kapaliny k panelům tepelného štítu, ke kterému se přidala pomalá chemická reakce způsobená přítomností zbytků chlóru v některých malých oblastech v blízkosti svarů potrubí. Tato reakce vyvolala to, čemu se říká "korozní praskání pod napětím/stress corrosion cracking" a v průběhu času se v potrubí vytvořily praskliny až do hloubky 2,2 mm. Vyvstala proto zásadní otázka: byl problém jednorázový, omezený na zkoumané prvky, nebo byl systematický a dotýkal se všech částí tepelného štítu? (Poznámka: Kde se vzal chlór? Před postříbřením jsou panely tepelného štítu vyčištěny kyselinou chlorovodíkovou a poté poniklovány. Právě během tohoto procesu se zbytky chlóru zachytily v malých kapsách poblíž svarů potrubí a pomalu korodovaly materiál součásti.)

Proč praskliny?

Vyšetřovací techniky (skenování CT s vysokým rozlišením, rastrovací elektronový mikroskop, energeticky disperzní rentgenový spektrometr a metalografické pozorování) odhalily další praskliny v chladicích trubkách tepelného štítu, jako jsou ty na obrázku. Vlevo je trhlina hluboká 1,5 mm. Vpravo je hluboká 2,2 mm a protíná celou šířku trubky.

"Riziko je příliš vysoké a následky netěsného panelu tepelného štítu během provozu jsou příliš  nebezpečné. Musíme předpokládat, že problém je kritický, to znamená, že se může se vyskytnout kdekoli na tepelném štítu," říká generální ředitel ITER Pietro Barabaschi. "Vypořádat se s ním v jámě na již instalovaném sektoru by bylo enormně obtížné. To znamená, že musíme usazený sektor (jeden z devíti) zvednout a rozebrat, abychom mohli pokračovat v opravách. Zkoumáme různé možnosti, od  opravy na místě až po re-výrobu ve venkovním zařízení, případně uvažujeme o možnosti nového připojení potrubí na tepelný štít. O nutnosti výměny chladicích potrubí však není pochyb.“ (Problém je méně akutní u panelů tepelného štítu kryostatu, protože jejich chladicí trubky jsou snadněji přístupné.)

Desítky kilometrů svařovaných trubek

Problém s tepelným štítem se nyní přičítá uchycení chladicí trubky, které znemožňovalo úplné smytí zbytků chloridů. Problémy v sektoru vakuových nádob pramení z potíží průmyslové výroby. K chybám může při svařovacích procesech dojít a přispívá tomu celková složitost sektorů vakuových nádob.

Na povrch panelů tepelného štítu je navařeno přibližně 23 km potrubí. Příklad potrubí na panelu tepelného štítu vakuové nádoby je jasně viditelný na fotografii, která ukazuje modul vakuové nádoby v předmontážním nástroji.

Za velký problém může malinká odchylka

V ITER, stejně jako v jiných složitých technologických objektech, je výroba založena na trojrozměrných plánech podporovaných počítačem. V ideálním světě 3D návrhu jsou rozměry součásti z definice nominální a části do sebe zapadají jako ozubená kolečka v drahých náramkových hodinkách. Ve skutečném světě se však věci chovají jinak než na papíře: odchylky během výrobního procesu jsou nevyhnutelné, těžko odhadnutelné a mohou vést k neshodám, např. překročením povolených chybových tolerancí. Odchylky během procesu svařování sektorů vakuové nádoby vedly k rozměrovým neshodám na vnějších pláštích, což ovlivnilo geometrii spojů v oblasti, kde mají být jednotlivé sektory svařeny dohromady. Dokončená vakuová nádoba vyrobená z několika jednotlivě opracovaných částí svařených dohromady je vysoká jako šestipatrová budova. V případě tří sektorů vakuových nádob, které již byly dodány, způsobilo svařování čtyř jednotlivých segmentů každého sektoru odchylky od nominálních rozměrů podstatně větší než je povolená hranice v různých místech komponent vnějšího pláště. Tyto rozměrové neshody změnily geometrii oblasti, kde mají být sektory svařeny dohromady, znemožnily tak přístup a ztížily činnost speciálních svařovacích přístrojů.

Jak to opravit

Zpočátku se uvažovalo o provedení oprav na místě, bez vyjmutí sektoru vakuové nádoby z jeho současného umístění. Ale prostor montážní jámy je omezený a riziko kontaminace dalších komponent velké. "Problém s tepelným štítem nyní změnil perspektivu," říká generální ředitel ITER. "Protože potřebujeme rozebrat sektor, abychom upevnili potrubí tepelného štítu, je irelevantní otázka, zda opravit nebo neopravit sektor vakuové nádoby v jámě. Nemáme jiné řešení než modul z jámy tokamaku vyjmout."

Vzhledem k tomu, že se zdokonalují strategie oprav pro obě komponenty, stanovují se scénáře harmonogramu a odhadují se náklady, je další montáž vakuové nádoby nyní pozastavena. "Víme, co musíme udělat, známe způsoby, jak to udělat, a samozřejmě si velmi dobře uvědomujeme důsledky, pokud jde o harmonogram a náklady -  nebudou to bezvýznamné změny."

Bude to náročné

Aby bylo možné účinně řešit problémy s tepelným štítem a vakuovou nádobou, bylo přijato rozhodnutí zvednout již nainstalovaný sektor v jámě tokamaku a rozebrat jej. Pak teprve bude možné pokračovat v opravách. Podle generálního ředitele ITER Pietra Barabaschiho „důsledky pro harmonogram a náklady nebudou zanedbatelné“. To se ostatně z rozsahu oprav dá očekávat. „Pokud je na této situaci alespoň jedna dobrá věc,“ dodává generální ředitel, „pak to, že k ní dochází v okamžiku, kdy ji můžeme napravit. Zkušenosti využijeme při instalaci dalších osmi sektorů a poslouží i ostatním, kteří zahajují své vlastní fúzní projekty. Posláním ITERu je být jedinečnou a ambiciózní výzkumnou infrastrukturou, proto je naším úkolem a povinností neprodleně informovat fúzní vědeckou komunitu celého světa, aby přijala preventivní opatření při projektování stejného typu montáže."