Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 569

23. května 2014

Termoska pro tokamak

Víte, jak odlišit celosupravodivý tokamak od tokamaku s vinutím z mědi? Zeptat se obsluhy! Ale dost humoru, před námi je budoucnost lidstva… Vypadá‑li tokamak jako hrnec s okénky, můžete si být jistí, že se jedná o celosupravodivý tokamak. Pokud se vám podaří hrnec odstranit, objeví se před vámi zařízení, které určitě znáte z obrázků. Tokamak s vinutím z mědi.

Fotogalerie (6)

Tokamak s kryostatem = celosupravodivý tokamak (foto autor)

Tokamak je nejúspěšnější zařízení pro výzkum termojaderného plazmatu, ve kterém je médium pro fúzi (200 milionů °C horké plazma) od stěn vakuové nádoby izolováno magnetickým polem. V prvních, málo výkonných zařízeních stačilo na tvorbu pole měděné vinutí. S prodlužováním doby výboje však stoupaly nároky na chlazení měděných cívek. Jediným řešením bylo nahradit je cívkami se supravodivým vinutím, jinak by se ve skutečném reaktoru s měděným vinutím velká část uvolněné fúzní energie spotřebovala na chlazení. Jinými slovy, do drátů elektrorozvodné sítě by fúzní reaktor neměl co posílat.

Dva typy supravodičů v Cadarache

Největší tokamak na světě, který Evropská unie a šest dalších států staví na jihu Francie v Cadarache, bude pracovat se dvěma typy supravodičů. Sn₃Nb je supravodivý materiál, který si zachovává supravodivost až do 14 T (tesla – jednotka magnetické indukce v soustavě SI). Bude z něho navinut centrální solenoid a cívky toroidálního pole. Daní za jeho nenahraditelnou vlastnost je oproti supravodivému materiálu SnTi křehkost, nutnost tepelného zpracování a tím i vyšší cena.

Jak navinout tokamak

Ze supravodivých vláken se navinou provazce ovíjející šroubovici protékanou tekutým heliem. To vše se ukryje v ocelovém plášti a v několika závitech upevní v nosné konstrukci. Nejde přitom o žádného „drobečka“ – jedna z osmnácti cívek toroidálního pole dosáhne hmotnosti 360 tun! Ke každému souboru cívek tokamaku ITER by se dal odvyprávět poutavý rodokmen, vysvětleme si však především účel kryostatu (na obrázku je to onen „hrnec s okénky“).

Termoska složitější než raketa

Mnohé možná překvapí, že „hrnec“ je složitější než raketa vyslaná na Mars, i když je to v principu pouze větší termoska. Tu používáme k uchování teploty nápoje – nejen horkého, ale i studeného. Zde termoska izoluje „zmrzlé“ supravodivé cívky, aby se kontaktem s atmosférou neohřívaly.

Pro výrobu kryostatu vybrala organizace ITER indickou firmu Larsen & Toubro Ltd. Prototyp zařízení se už dnes vyrábí v divizi těžkého inženýrství v Hazire, nedaleko Suratu ve státu Gujarat v Západní Indii. Firma má zkušenosti s výrobou slunečních a jaderných elektráren, námořních i vzdušných přístavů, tankerů a ponorek. A kromě jiného i s raketou Mangalyaan směřující na Mars.

Jak bude „hrnec“ vypadat

Průměr 29,3 metrů vysokého kryostatu pro ITER bude 28,6 metrů, hmotnost 3 800 tun. Prostor pod kryostatem o objemu 8 500 m³ z něj učiní největší prostor na světě, který lze vyčerpat až na technické vakuum 1 × 10^‑4 Pa. Stěny z nerezové oceli o síle od 50 do 250 mm budou vyztuženy žebry. Zatímco k údržbě kryostatu poslouží dvacet tři otvorů, více než dvěma sty otvory bude do vakuové nádoby proudit životadárná směs deuteria a tritia. A naopak – skrze kryostat se budou odčerpávat zplodiny termojaderné reakce (helium a nečistoty). Některé z otvorů budou mít průměr až čtyři metry. Kryostat musí uvolnit cestu chladicím systémům cívek, dodatečnému ohřevu, napájení magnetů, diagnostice, dálkové výměně segmentů obalu a divertoru.

Kvůli kompenzaci teplotních změn rozměrů spojnic budou okna kryostatu s okny vakuové komory spojovat mohutné vlnovce. Celý kryostat kryje betonová hradba (biologické stínění, které je nad kryostatem tlusté dva metry).

„Velkou výzvou je vzájemná komunikace konstruktérů a výrobců,“ říká M. V. Kotwal, prezident Inženýrské divize firmy Larsen & Toubro Ltd. A dodává: „Některé části kryostatu jsou chlazené, jiné nikoli. Máme obrovské zkušenosti, ale s něčím podobným jsme se dosud nesetkali.“

Kryostat si vyžádá nové technologie

Larsen & Toubro Ltd. vyvinula během své existence na 6 000 technologií svařování, pro kryostat ITER však musí vyvinout další. Firma zvládla bezpečnostní předpisy platné v USA, ale pro Francii se musí podřídit jiným standardům. Nově vyvíjí například speciální metrologii či ultrazvukové vyšetřovací techniky.

V současné době se vyrábějí prototypy, na kterých se budou zkoušet speciální svařovací techniky. Padesát čtyři modulů pak vytvoří čtyři hlavní části kryostatu – vrchní víko, horní a dolní válec a základnu.

První modul přivezou do Saint‑Paul‑ lès ‑Durance už za dva roky. Jako hangár pro Airbus je veliká dočasná dílna o výšce dvacet sedm metrů na staveništi ITER, kde se budou na ploše 110 m x 44 m moduly předběžně montovány a posléze dopravovat do „jámy“. Tam na ně bude čekat tokamak ITER, aby spojeny speciální obloukovou technikou svařování skryly jeho standardní obraz.

Přehled supravodivých tokamaků

Přehled je skvělou ilustrací účelu supravodivých vinutí použitých u tokamaků. V popisech jednotlivých zařízení najdete většinou přívlastky „rekordní“. Co nedokázali jejich předchůdci s měděnými dráty (tj. dlouhodobé pulzy), předurčilo právem k rekordním výkonům tato zařízení.

1. První tokamak na světě se supravodivým vinutím fungoval v letech 1979 až 1985. Byl jím tokamak T‑7 v Kurčatově Ústavu atomové fyziky v Moskvě. Díky supravodivým cívkám mohl tokamak poháněný českým grilem (koncovou částí vysílače) vykázat rekordních 200 kA elektrického proudu vybuzeného neinduktivním způsobem. Tehdy Rusové nabídli tokamak T‑7 pražským vědcům, ale ti se na tak obrovské zařízení necítili a tak se stal základem čínského supravodivého programu.

2. V roce 1988 zahájil činnost francouzský tokamak ToreSupra. V roce 2003 udržel 100 miliónů stupňů rekordních 6 minut 30 sekund. Přitom musel uchladit rekordních 1,1 GJ energie. Elektrický proud v plazmatu se budil neinduktivním způsobem. Uvažuje se o tom, že magnetické pole ve vakuové komoře tokamaku Tore Supra bude hledat exotické částice, tj. důkaz temné hmoty vesmíru. Mimochodem – středisko CEA s Tore Supra se nachází nedaleko budoucího tokamaku ITER.

3. V letech 1990 a 2005 fungoval japonský tokamak Triam, který poprvé použil Sn₃Nb supravodivý i v silných magnetických polích. Nízkoteplotní plazma udržel pomocí dolně hybridní frekvence 5 hodin 16 minut. Pochopitelně, opět světový rekord.

4. V roce 2006 poprvé zapálil plazma první celosupravodivý tokamak (s kryostatem) na světě. EAST je čínský stroj celým jménem Experimental Advanced Superconducting Tokamak. Číňani postavili zařízení vlastními silami za zlomek nákladů varianty předpokládající zahraniční pomoc, např. z USA. Režim vysokého udržení H‑módu sice dosáhli v prosinci 2010 krátce po tom, co stejný úspěch ohlásil druhý celosupravodivý tokamak – korejský KSTAR. Nicméně v roce 2014 oznámili světu neuvěřitelných 30 sekund trvání H‑modu. K potlačení nestabilit okrajového plazmatu ELM, které režim H‑modu likvidují, použili elektromagnetické vlnění na frekvenci dolního hybridu.

5. Dva roky po prvním plazmatu v čínském celosupravodivém tokamaku EAST zažehli Korejci první plazma ve druhém celosupravodivém tokamaku na světě – v tokamaku KSTAR (Korean Superconducting Tokamak Advanced Research). Korejci stavěli za pomocí amerických firem a vědců a režimu vysokého udržení dosáhli měsíc před čínským tokamakem EAST.

6. O místo pro mezinárodní tokamak ITER tvrdě bojovala Evropa s Japonskem. Když Japonci ustoupili od kandidatury na jeho stavbu, nastal čas kompenzací. Jedna z nich byly evropské peníze na stavbu nového celosupravodivého tokamaku JT‑60 SA (Japan Tokamak – Superconducting Advanced). Dodatečný ohřev čtrnácti svazky vysokoenergetických neutrálních atomů nemá ve světě obdoby. Vakuová komora bude větší než komora evropského tokamaku JET, dosud největší na světě. Třetí celosupravodivý tokamak ale nebude pracovat s tritiem, takže jediné tokamaky fungující na DT reakci budou JET a ITER.

7.. Mezinárodní tokamak ITER bude první tokamak na světě, který produkuje větší výkon než příkon (desetkrát). Půjde o první fúzní zařízení, které se soustředí hlavně na výzkum materiálů a technologií. Pro další rozvoj fúzní energetiky bude kritické zejména rozhodnutí, v jaké formě dodávat do přístroje tritium.