První plazma největšího tokamaku na světě

V sedmdesátých letech bylo jasné, že tokamak pro termojadernou fúzi udrží plazma potřebnou dobu, bude-li dostatečně velký. Stavěly se giganti JET (1983, EU), TFTR (1982, USA), JT-60 (1985, Japonsko), T-15 (1988, SSSR) a další. Divertor, protažený průřez vakuové komory, supravodivé vinutí hlavních cívek (a nejlépe všech, nejenom hlavních) byly jejich charakteristické znaky. Známkou kvality bylo dosažení H-modu – režimu vysokého udržení.

Pak se začal budovat největší z největších: v roce 2007 proběhly archeologické průzkumy tři kilometry od Cadarache, sídla vlajkové lodi francouzské termojaderné fúze – tokamaku ToreSupra. Byla zahájena stavba tisíciletí – stavba tokamaku ITER. Před historickým rokem dlouho trvalo, než kandidaturu vzdalo Japonsko ve prospěch Evropy. Nebylo to zadarmo. Jedna z odměn byla spoluúčast Evropy při stavbě celosupravodivého japonského tokamaku JT-60SA. Nebyla to modernizace JT-60, nýbrž stavba zcela nového zařízení.

A právě 23. října 2023 zapálil tokamak JT-60SA první plazma!

Na slavnostním ceremoniálu konaném v pátek 1. prosince evropská komisařka pro energetiku Kadri Simsonová spolu s japonským ministrem školství, kultury, sportu, vědy a technologie Masahito Moriyamou a japonským ministrem pro politiku vědy a technologie Sanae Takaichi, za přítomnosti vysokých politiků, zástupců průmyslu a výzkumné komunity, zařízení JT-60SA slavnostně otevřeli.

Stavba JT-60SA

Stavba tokamaku JT-60SA byla dokončena podle plánu v březnu 2020. Výroba a montáž všech hlavních komponent tokamaku splňovala technické požadavky, včetně rozměrové přesnosti a funkčních vlastností. Pokročil také vývoj systémů plazmového ohřevu a diagnostiky, včetně předvedení manipulace s vysokofrekvenčním polem o frekvenci ECRF (okolí elektron-cyklotronové frekvence = frekvence rotace elektronu kolem silokřivky magnetického pole = stovky MHz. Použití ECRF je ve Vysvětlivce pod článkem) a dosažení dlouhého pulsu vysokoenergetického intenzivního svazku záporných iontů pro výrobu neutrálních svazků pro NBI (Neutral Beam Injection)  ohřev plazmatu v JT 60SA. Záporné ionty se pochopitelně pro průchod  udržovacím magnetickým polem musejí neutralizovat. Potom se opět ionizují a plazma srážkami ohřívají. Běžně se používají kladné ionty, ale záporné se při vyšších energiích snadněji neutralizují.

Byl dokončen vývoj všech systémů řízení provozu tokamaku spolu s vylepšeným schématem řízení rovnováhy plazmatu vhodným pro supravodivé tokamaky, což bude využito zejména pro ITER. Pro přípravu provozu tokamaku byly vytvořeny scénáře plazmového výboje pomocí tohoto pokročilého regulátoru rovnováhy. Individuální uvedení kryogenního systému a napájecího systému do provozu potvrdilo, že tyto systémy splňují konstrukční požadavky včetně provozních schémat. To bude také velmi důležité pro ITER. Příkladem je aktivní řízení kolísání tepelné zátěže kryohospodářství nezbytného pro dynamický provoz v supravodivých tokamacích.

Uvádění do provozu

Integrované uvádění do provozu (integrated commissioning, IC) bylo zahájeno vakuovým čerpáním vakuové nádoby a kryostatu a poté se postoupí k ochlazování tokamaku a k testům buzení cívek. Přechod do supravodivého stavu byl potvrzen u všech TF (toroidal field), EF (equilibrium coils = poloidal coils) a CS (central solenoid) cívek. Proud cívkou TF úspěšně dosáhl provozní jmenovité hodnoty 25,7 kA. Pro nominální toroidální pole 2,25 T byla aplikována ECRF a bylo vytvořeno ECRF plazma. Jedinečný význam JT-60SA pro výzkum plazmatu v H-módu a v ustáleném stavu s vysokým β (poměr tlaku plazmatu ku tlaku vyvolanému magnetickým polem) byl potvrzen pomocí pokročilého integrovaného modelování. Tyto zkušenosti s montáží, integrovaným startem a plazmovým provozem JT-60SA přispívají ke zmírnění rizik budoucího provozu ITER. (H-mod (High mode) je stav/režim tokamakového plazmatu s vysokým udržením – jsou likvidovány nebezpečné turbulence na okraji plazmatu – ELM (Edge Localized Modes). Většinou tomu pomáhá přítomnost divertoru. Udržení se zvětší až 2x. Vysoké beta je vysoký poměr tlaku plazmatu k tlaku udržujícího magnetického pole. Jinými slovy menší pole udrží teplejší plazma.)

První plazma na obzoru

Když bylo před rokem lešení kolem JT-60SA po dokončení montáže zvednuto, bylo jasné, že se blíží okamžik, kdy začne provoz dosud nejvýkonnějšího fúzního zařízení na světě.

JT-60SA – Japanese Tokamak – 60 Superconducting Advanced je výsledkem spolupráce mezi Evropou a Japonskem, která se opírá o know-how laboratoří a společností odhodlaných dále testovat různé technologie pro využití termojaderné fúze. Toto vědecké partnerství získalo uznání za svůj hladký, dynamický a efektivní způsob fungování. Výkonný projektový management a absence jakýchkoliv politických třenic provázel étos projektu. V roce 2021, po téměř 11 letech od výroby prvních komponent, bylo zařízení připraveno k uvedení do provozu.

Ke konci roku 2020 začal tým inženýrů testovat výkon tokamaku s cílem dosáhnout očekávaných čísel v prvním čtvrtletí roku 2021. První výsledky byly uspokojující a v souladu s naplánovanými parametry stroje. Cívky toroidálního pole dodané Evropskou unií úspěšně dosáhly maximálního proudu 25,7 kA a bylo vyrobeno první plazma elektronovým cyklotronovým rezonančním ohřevem (ECRH = Electron Cyclotron Resonance Heating). Ovšem pozor! Testovací mikrovlnné plazma (ECRH ohřev) a plazma vybuzené centrálním solenoidem (standardní způsob v každém tokamaku) je rozdíl. Neočekávaný zvrat událostí v březnu však změnil všechny plány: nastal zkrat na svorkách jedné z největších poloidálních cívek stroje, cívce o průměru více než 12 m. Inženýři okamžitě zasáhli a dospěli k závěru, že škody byly malé, protože k incidentu došlo při nízkém proudu. Přesto došlo k úniku helia a tokamak byl odstaven. Helium v tomto případě chladí supravodivé cívky, dokud nedosáhnou supravodivého stavu, a pochopitelně v chlazení během provozu tokamaku pokračuje.

Nejen úspěšná oprava...

V důsledku tohoto incidentu byla provedena důkladná analýza a obvod byl zařazen do oblastí, kde byla elektrická izolace provedena ručně. Celkem bylo potřeba opravit 90 míst a přepojit čidla stroje. Pro mnohé to mohla být rána do jejich nadšení nad dosud hladkým průběhem zahořovacích prací. Pro tým JT-60SA to však bylo období reflexe a spojení sil, aby zařízení opravili a dodali včas. Opravy byly zahájeny v květnu 2021 a trvaly zhruba rok. Počítalo se se zapojením F4E (Fusion for Energy = Evropská Agentura pro ITER) a dalších odborníků z Evropy a Japonska do zjišťování základních příčin nehody a do její opravy.

V některých případech byla oprava tohoto zařízení obtížná vzhledem k omezenému přístupu a riziku dalšího zpoždění prvních plazmových operací. Byly například identifikovány některé slabiny ve výrobě izolace zajišťující rovnováhu u poloidálních cívek a centrálního solenoidu, což je část systému magnetů, udržujících horké plazma a ovlivňujících jeho tvar a stabilitu.

Tým inženýrů se nevzdal. Od srpna do září prováděli Paschenovy testy, které spočívají v buzení všech magnetických obvodů pod řízeným vakuem. Tato operace byla sice logisticky úspěšná, ale odhalila nízké napětí v inovovaných částech stroje. Aby se vypořádal s touto další výzvou, začal tým odborníků zvažovat náhradní řešení a změnu strategie. Rozhodl se pro systém včasné detekce netěsností v kryostatu, aby se zajistilo, že veškerá energie obsažená v magnetech bude rozptýlena dříve, než tlak dosáhne pro zařízení nebezpečných úrovní.

...ale i těsnější spolupráce

Tento nový systém byl tehdy ve vývoji, protože JT-60SA plánoval restartování provozu chlazení a uvedení do provozu v březnu 2023, s cílem uvést první plazma ještě v tomto roce. A podařilo se! Pro Enrica Di Pietra, vedoucího jednotky F4E/JT-60SA, byl původně technický neúspěch příležitostí přeskupit pracovní síly projektu a získat ze všech stran to nejlepší. Došlo k neuvěřitelně těsné spolupráci prostřednictvím technických diskusí; užšímu propojení personálu z F4E s Japonskou stranou včetně cenných příspěvků od IPP = Institue fur Plasma Physic, CEA = Commissariat a l’Énergie Atomique, KIT = Karlsruhe Institute of Technology, Wendelstein 7X a QST = Japan's National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology. Oprava zařízení a navržení pohotovostních plánů způsobů oprav si vyžádala soustředění a energii všech zúčastněných a připomněla všem, že nejdůležitější je hodnota a význam získaných zkušeností.

Právě ty jsou totiž relevantní nejen pro JT-60SA, ale zejména pro ITER – a konec konců i pro zbytek fúzní komunity. 

*) ITER, mezinárodní termonukleární experimentální reaktor, navrhuje využít technologii elektronového cyklotronu v bezprecedentním měřítku. Radiofrekvenční vlny v rozsahu ECRF (electron cyclotron range of frequencies) se budou používat pro spouštění, ohřev, neindukční proudový pohon na i mimo osu a úpravu stěn. Pro splnění jedinečných požadavků kladených těmito aplikacemi budou zapotřebí pokročilé gyrotrony. V důsledku toho byl zahájen v roce 1996 mezinárodní program výzkumu a vývoje s cílem vyvinout elektronky 170 GHz, CW (CW continual wave – nepřetržitého provozu), 1 MW, 50% účinnosti.