Tore Supra tokamak je mrtev, ať žije tokamak WEST!

V roce 2013 se čtvrtstoletí starý tokamak rozhodl znovu objevit sám sebe a pod novým jménem zamířit k novým obzorům a cílům. Tore Supra, zařízení CEA/Euratom umístěné jeden kilometr od staveniště ITER ve výzkumném středisku CEA-Cadarache, bylo druhým tokamakem (první byl sovětský 7-7), který implementoval supravodivé magnety a Tore Supra navíc i aktivně chlazené komponenty směřující k plazmatu. Téměř dvě desetiletí držel tokamak Tore-Supra rekord v trvání plazmového pulzu 6,5 minuty výstřelem z prosince 2003. Zkušenosti získané při konstrukci a provozu Tore Supra do značné míry přispěly k definici tokamaku ITER. Uvědomění si, že znovuobjevený Tore Supra může přispět ještě více, vedlo k projektu WEST (W Environment in Steady-state Tokamak); pod touto novou identitou se stroj stal zkušební stolicí pro svého velkého souseda, který je dosud ve výstavbě. Nedávno se WEST oblékl do světelného hávu na oslavu dokončení 14 týdnů trvající „intenzivní experimentální kampaně“ s plně wolframovým divertorem ne nepodobným divertoru samotného ITER.

Historie materiálu pro první (počítáno od plazmatu) stěnu tokamaku je stejně stará jako tokamak sám. Co musí materiál vakuové komory splňovat, aby složil přijímací zkoušku? Každého napadne, že musí být odolný vůči vysoké teplotě. Látka, zde plazma, má 200 milionů stupňů, což je mimo chápaní většiny rozumných lidí - a mohou to být i erudovaní fyzici. Však to také byl jeden z důvodů, proč musil Ronald Richter opustit v Argentině projekt Huemul, když vedoucí zkušební komise Dr. Balserio rezolutně prohlásil, že neexistuje materiál, který by mohl Richter pro svoje pokusy použít. Jinými slovy Richter je podvodník. V Sovětském svazu zahájili koncem padesátých let tokamakové pokusy s keramikou. Plazma znečištěné křemíkem dosahovalo sotva stovky tisíc stupňů. Vyzařování křemíku plazma úspěšně ochlazovalo. Keramiku nahradilo sklo a křemík z keramiky nahradil křemík ze skla. Takže opět chyba. Na scéně se objevila nerezová ocel. Ani ta neřekla poslední slovo. Vakuáři po prvních neúspěších s ocelí poradili tokamačníkům komoru vypékat. Nejprve Jouleovým teplem dodávaným spirálami známými ze žehliček a později „trénováním“ pomocí doutnavého výboje. Tak se i jinak kvalitní ocel zbavila adsorbovaných plynů. Dlouho se používal také uhlík, ale kromě tepelné odolnosti a přijatelnému rekombinačnímu ochlazování plazmatu se neosvědčil. Zavedl se dokonce pojem „uhlíková katastrofa" (carbon-blooming). Uhlík se totiž snadno rozprašuje a tím plazma ochlazuje. Teplota slibně se ohřívajícího plazmatu dokonce skokově klesla pod přijatelnou mez. V současné době, zejména u větších tokamaků, nastoupilo beryllium. Prvek je optimální volbou mezi tepelnou odolností a intenzitou čárového spektra částečně ionizovaného beryllia. Ovšem přirodu neošidíte, beryllium je toxické. Prvek s největší teplotou tání wolfram má i velkolkou intenzitu rekombinačního záření díky velkému počtu elektronů v obalu jádra. Přesto se v tokamaku ITER bude wolfram používat. Ale pozor! Jen někde a to v dolní části vakuové komory – na divertoru! Divertor je úmyslně vystaven plazmatu a tudíž, ať chceme nebo ne, musí být vyroben z vysokoteplotního kovu. Divertorová oblast je vakuově čerpána mohutnými vývěvami a tím se okolí divertoru rychle zbavuje ochlazujícího rozprášeného wolframu.

Divertor

Divertor je klíčová komponenta každého moderního tokamaku, jejíž úlohou je odstraňovat odpadní plyny a nečistoty z plazmatu. Během provozu mohou tepelné zátěže prvků divertoru (vnitřní a vnější terč a dóm), které jsou v přímém kontaktu s plazmatem, dosahovat až 10-20 MW na metr čtvereční, což je ekvivalentní zatížení povrchu raketoplánu nebo kabiny kosmické lodi při vstupu do zemské atmosféry během přistávání. Výroba divertoru je sama o sobě velkou průmyslovou výzvou: v tomto případě divertor obsahuje 456 aktivně chlazených prvků, které nejsou všechny identické – některé jsou vybaveny diagnostikou, jiné ne. Spojením wolframu a mědi, dvou kovů, které se spojují obzvláště obtížně, vznikají části divertoru, jež je nutné umístit v tolerancích 0,3 milimetru.

Kampaň Fáze II

V září 2020 dodali čínští partneři tokamaku WEST v rámci spolupráce SIFFER poslední várku plazmových jednotek, které po montáži do axiálních třicetistupňových sektorů tvoří celý divertor tokamaku WEST. V prosinci 2022 už měl WEST plně funkční divertor podobný budoucímu divertoru ITER a zahájil svou kampaň „Fáze II“ zaměřenou na řadu vysoce intenzivních pulzů dosahujících nebo přesahujících 100 sekund. Celková doba trvání stovek plazmat vyrobených za 14 týdnů přesáhla dobu trvání všeho plazmatu vyrobeného od prvního uvedení zařízení do provozu v roce 2016. Kampaně se zúčastnilo téměř 30 odborníků na fúzi z devíti různých zemí (Evropa, Spojené státy a Korea).

Ponaučení a zkušeností z experimentů Fáze II je mnoho. Z průmyslového hlediska byla sériová výroba 456 prvků divertoru pokrytých wolframem první úspěšná¹. Pětiměsíční proces montáže v rámci extrémně malých tolerancí přinesl praktické zkušenosti, které se při montáži divertoru ITER určitě ukážou jako nesmírně cenné. Fáze II se však zaměřila nejen na technologii, ale i na vědu: jak se divertor WEST podobný divertoru ITER choval, když byl vystaven brutálnímu prostředí podobnému, jaké bude panovat v tokamaku ITER? Přestože se nashromážděná data stále analyzují, divertor podobný tomu, který bude v ITER, prokázal svou odolnost a výkon.

Po současné odstávce bude na podzim zahájena nová experimentální kampaň v úzké spolupráci s organizací ITER a Evropskou domácí agenturou (pro ITER) Fusion for Energy. Malá část (4 %) prvků divertorů pořízených společností WEST v Číně bude nahrazena ekvivalenty vyrobenými v Evropě² a vystavena stejně dlouhým plazmovým pulzům jako ve Fázi II.

 „S první částí kampaně Fáze II nyní a druhou plánovanou na letošní podzim nashromáždíme značné množství dat pro modelování a optimalizaci životnosti divertoru v tokamaku ITER a v budoucích průmyslových elektrárnách,“ říká Jérôme Bucalossi, vedoucí institutu CEA IRFM (Institute for Magnetic Fusion Research), který provozuje WEST.

¹ Divertor v čínském tokamaku EAST používá jinou technologii; prvky divertoru pro korejský tokamak KSTAR byly vyrobeny až po prvcích divertoru WEST; a tým tokamaku JT60-SA v Japonsku ještě výrobu prvků potažených wolframem pro svůj náhradní divertor nezahájil.

² Terče ITER kontaktující plazma obstarávají pro divertor Rusko, Japonsko a Evropa. Terčové jednotky z Japonska byly sice testovány během I. Fáze WEST, ale s částečně chlazeným divertorem.