280 000× silnější než magnetické pole Země

Nejúspěšnějším zařízením pro studium řízené termojaderné fúze je tokamak. Na stránkách Třípolu jsme se s ním setkali již mnohokrát. Principem tokamaku je transformátor, tak jak ho známe z kurzů základní fyziky – primární a sekundární vinutí, jho, transformace nahoru, dolů, na proud, na napětí…

Transformátor‑tokamak zvyšuje elektrický proud. Sekundární vinutí tvoří jediný závit – provazec plazmatu. Moderní tokamaky nemají jho, takže výkon vzduchového transformátoru není omezen nasycením kovového jádra. Jednou ze slabin tokamaku je skutečnost, že transformátorový režim je pulzní. Vědci věnují značné úsilí, aby tento nedostatek odstranili. Jinými slovy, hledají způsob, jak udržet elektrický proud v plazmatu co nejdéle, nejlépetrvale.

Čeští vědci jsou kmotry neinduktivní metody buzení proudu

Dnes známe nejméně dvě metody jak „poškádlit“ přírodu. Jejich společný název je na rozdíl od transformátorového (induktivního) způsobu neinduktivní metoda buzení proudu. V rodném listě jedné z nich jsou jako kmotři zapsáni vědci z Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd ČR, v.v.i. – Richard Klíma a Václav Petržílka. Elektrický proud v plazmatu budí vhodně nasměrované elektromagnetické vlny vybrané frekvence. Druhá metoda si pro název dokonce došla za pohádkovou postavou Barona Prášila, který sám sebe vytáhl z bažiny za přezky svých jezdeckých bot. Ani mikrovlny, ani bootstrap však transformátorový efekt plně nenahradí. Vědci tedy musí bádat dál. A největší tokamak na světě ITER si musí zatím poradit sám.

Centrální solenoid obří síly

Primární vinutí tokamaku ITER leží uprostřed sekundárního závitu. Tomu také odpovídá jeho název – centrální solenoid. Má‑li v sekundárním vinutí téci 15 MA (15 miliónů ampérů), nemůže být primární cívka žádný drobeček. A ani není – je 18 metrů vysoká, má průměr 4,3 metru a hmotnost 1000 tun. Na ose solenoidu bude působit magnetické pole o velikosti 13 T, což je 280 000× více než má magnetické pole Země na zemském povrchu. Ve vakuové komoře dosáhne magnetické pole hodnoty 5,3 T. Energie ukrytá v magnetickém poli je 6,4 GJ. Jde o největší pulsní elektromagnet, který byl kdy na světě vyroben.

Současný největší tokamak na světě – evropský JET – dokáže produkovat elektrický proud v plazmatu o velikosti 5 MA po dobu 60 sekund, ITER se chystá na 15 MA po dobu 500 sekund.

Na velikost elektrického proudu indukovaného v plazmatu, respektive na tok magnetického pole, mají vliv dva parametry – magnetická intenzita a plocha primární cívky. Proto je vzdálenost mezi centrálním solenoidem a věncem osmnácti sousedních třináct metrů vysokých cívek toroidálního pole (každá z nich váží 360 tun) pouhých 10 mm.

Balet napájecích proudů

K čemu slouží elektrický proud v plazmatu? Zaprvé vytvoří poloidální magnetické pole, které se sečte s toroidálním magnetickým polem vnějších cívek (poloidální a toroidální roviny jsou na sebe kolmé) a vytvořit tak šroubovicové magnetické pole, které dokáže potlačit nebezpečnou toroidální nestabilitu plazmatu. Zadruhé elektrický proud procházející vodičem vodič ohřívá, v našem případě je ohříván vodič, tj. plazma.

V tokamaku ITER se centrální solenoid skládá z šesti autonomně napájených sekcí – modulů. Vhodným rozložením proudu v modulech lze tvarovat plazma, respektive jeho příčný průřez, do požadovaného tvaru písmene D – protáhlého, původně kruhového průřezu.

Průběhy napájecích proudů jednotlivých modulů centrálního solenoidu připomínají spíše balet (elektrický) než spořádaný pochod vojenské jednotky. Dovolují dosáhnout požadovaný elektrický proud 15 MA v prstenci plazmatu s rovnou částí pulzu (platem) plazmatu trvajícím 400 sekund. Maximální proud v každé ze šesti cívek centrálního solenoidu dosahuje 46 kA. Počet pulsů během celého života tokamaku ITER se odhaduje na 30 000.

Čtvercové kabely

Cívky jsou vyrobeny ze supravodiče Sn₃Nb, který zůstává supravodivý i v silných magnetických polích. V průřezu supravodiče napočítáme 576 supravodivých drátů promíchaných se 288 dráty měděnými. Měď odvede v případě havárie – náhlé ztráty supravodivosti (quench) – elektrický proud původně tekoucí supravodičem. Sn₃Nb dráty jsou sdruženy do pěti svazků okolo šroubovice protékané chladicím tekutým heliem o teplotě 4 K. Kabel je pak uložen do pláště ze speciální manganové austenitické oceli čtvercového průřezu.

Modul váží 110 tun.

Mezinárodní spolupráce

Centrální solenoid pro ITER navrhla Oak Ridge National Laboratory US ITER, výroby se ujal General Atomic, supravodivý drát dodá Japonsko.

V roce 2012 odhalily zkoušky na zařízení SULTAN ve Švýcarsku určité známky degradace supravodivosti. Problém vyřešila nové technologie vinutí „short‑twist pitch“, za jejíž návrh US ITER Domestic Agency a Oxford Superconducting Technology (US) utratily 1,1 milionů euro.

V současné době se staví prototyp solenoidu. Bude poněkud menší než skutečný centrální solenoid (40 % originálu) a dokonce nebude ani supravodivý. Prototyp, který by měl být dokončen v létě 2015, poslouží k ověření pracovních postupů, které se později použijí při výrobě skutečného centrálního solenoidu.

K podpisu smlouvy (Procurement Arrangement – PA) č. 35 mezi ITER Organization zastoupenou generálním ředitelem Kaname Ikedou a ITER US vedeným prezidentem Nedem Sauthoffem na dodání centrálního solenoidu v hodnotě 88 miliónů euro došlo v březnu 2010. Oponentura konečného návrhu proběhla v prosinci 2013. Autorizace od zadavatele ITER Organization se plánuje na květen 2014. 

Montáž solenoidu za dva roky, provoz o tři roky později

Dodávka speciálních zařízení pro smontování celého sloupce centrálního solenoidu se má uskutečnit v červnu 2016. Všech šest modulů se na staveništi ITER objeví postupně. Pomocí speciálních zařízení se smontují a 1 000 tun centrálního solenoidu se zasune do šachty tvořené cívkami toroidálního pole a vakuovou komorou. Se zprovozněním centrálního solenoidu se počítá v roce 2019.

Příklad výroby centrálního solenoidu pro tokamak ITER dokumentuje dlouhou a složitou cestu výroby jedné, i když velmi důležité složky z mnoha. Od podpisu smlouvy (Procurement Arangement) zadavatele ITER Organization s dodavatelem přes oponenturu konečného návrhu (Final Desing Review), výrobu modelu či prototypu, zkoušky na unikátním testovacím zařízení doprovázené řešením zjištěných problémů, výrobu pomocných montážních zařízení pro manipulaci se složkou, dopravu na místo a konečnou montáž až po instalaci složky v tokamaku uplyne v případě centrálního solenoidu téměř deset let.

Ilustrační obrázky uveřejňujeme s laskavým svolením ITER Organization.

http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/470-cinsky-cesnek-nechci
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/489-hleda-se-demo
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/498-umele-slunce-ziskava-svou-tvar
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/506-jak-udrzet-slunce-v-hrsti
http://www.www.www.3pol.cz/cz/rubriky/recenze/418-rizena-termojaderna-fuze-pro-kazdeho
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/552-iter-jako-zivy
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/467-zkusebni-konvoj-pro-iter
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/464-termoska-pro-tokamak