Dvacet megawattů v jednom gramu plazmatu

Pro napájení systému ionto-cyklotronového rezonančního ohřevu navrhuje organizace ITER a její partneři nejen nové antény, které budou ústit přímo do tokamakové nádoby, ale také robustní přenosová vedení, která propojí antény s vysokofrekvenčními zdroji energie ve dvou různých budovách. Dodatečný ohřev plazmatu tokamaku ITER rezonanční elektromagnetickou energií na ionto-cyklotronové frekvenci je naplánován na rok 2028.

Výkon do plazmatu dodá systém iontového cyklotronového rezonančního ohřevu (ICRH) pomocí elektromagnetických vln o cyklotronové frekvenci vybraných iontů v plazmatu. ICRH bude dodávat 20 MW ohřevového výkonu prostřednictvím dvou 50 tunových antén na frekvencích mezi 40 MHz až 55 MHz (v závislosti na scénáři prováděného pokusu). Parametry systému, jako je frekvence, výkon nebo spektrum, budou v reálném čase řízeny centrálním řídicím systémem CODAC. (Poznámka red.: Cyklotronová frekvence je frekvence rotace nabité částice kolem siločar magnetického pole. Frekvence závisí na velikosti pole a hmotnosti částice, takže lze zvolit, jaké ionty budeme pomocí ICRH ohřívat. Buď vodíkové ionty, nebo deuteriové ionty. D ionty jsou 2× hmotnější než H ionty a jejich cyklotronová frekvence bude tedy 2× menší.)

Antény pro ohřev

Antény jsou obrovské objekty, mají průřez 2 m × 2 m a hmotnost mezi 45 a 50 tunami. V hloubce přibližně 3,5 metru zabírají dva z rovníkových portů (přístupových otvorů) vakuové nádoby. Každá anténa bude mít osm vstupních přenosových vedení napájejících „proudové lamely“ mířící do plazmatu. „Krátkým pulzem vyzáříme velmi veliký výkon do velmi malého množství hmoty,“ říká Bertrand Beaumont, vedoucí sekce Ion Cyclotron Lower Hybrid Section. „20 MW je něco jako výkon potřebný k vytápění 2 000 domů během evropské zimy. Jak si dokážete představit, tento veliký výkon dodaný do přibližně jednoho gramu hmoty způsobí, že plazma velmi rychle dosáhne velmi vysoké teploty.“ Pochopitelně se musí většina dodaného výkonu plazmatem pohltit. Ztráty nejsou žádoucí.

Z místní elektrické sítě do vakuové nádoby

Získání tak velkého výkonu pro antény není jednoduché. Počínaje místní rozvodnou sítí, pomocí transformátorů a usměrňovacích jednotek bude 22 kV střídavého napětí transformováno na 30 kV stejnosměrného napětí, aby mohlo napájet výkonové zesilovače. Výkon z osmi zesilovačů (každý má až 3 MW na výstupu), bude poté přenesen do antén prostřednictvím pevných koaxiálních vedení.

Koaxiální vedení směřuje z Budovy vysokých frekvencí (Radio Frequency Building), kde budou umístěny vysílače a vysokonapěťové napájecí zdroje, skrze Montážní halu do Budovy tokamaku. Systém impedančního přizpůsobení bude umístěn v bodě těsně před tím, než transmise proniknou do Budovy tokamaku, a přizpůsobí zatížení antén výstupní zátěži výkonových zesilovačů.

„Výkonové zesilovače jsou založeny na technologii vysílání, která byla použita pro krátkovlnnou komunikaci velmi výkonných rádiových systémů, jako je třeba Voice of America,“ říká Beaumont. „To, co děláme, je „pouze“ pokračování této standardní technologie. To, čím se oba systémy liší, je to, že naše úroveň pracovního výkonu je mnohem vyšší. Takže musíme kombinovat výkon z několika zesilovačů, abychom získali jednotkový výkon, který potřebujeme v každém z přenosových vedení.“

Pro připojení zdrojů generujících elektromagnetické vlnění o iontové cyklotronové frekvenci k napáječům antén bude zapotřebí přibližně 1,5 km přenosových vedení skrze tři budovy. Dva další externí ohřevové systémy - elektromagnetické vlnění o elektronové cyklotronové frekvenci a vstřik neutrálních svazků - se k iontovým cyklotronovým systémům ještě přidají, aby se teplota plazmatu ITER zvýšila na potřebných 150 milionů stupňů Celsia. „Na jedné přenosové lince chceme přenášet výkon 3 MW. K tomu používáme pevné koaxiální linky, které mají průměr asi 300 mm (třetina metru). Linky používají přímé vedení i ohyby a jsou také vybaveny spínači a měřicími body. Vnitřní vodiče jsou upevněny v keramických objímkách a uvnitř teče řízeně izolační dielektrický plyn pod tlakem.“

Metamorfóza osvědčené technologie na vyšší úroveň

Ohřev ICRH se nevyžaduje pro první plazma (cca rok 2025), ale nejdříve pro první kampaň před fúzní operací (začátek prosince 2028). „Je to stále za mnoho let, ale možná jen zdánlivě,“ říká Beaumont. „I když pracujeme s osvědčenou technologií, posouváme ji na nové limity. Zabere to spoustu času, než všechno společně s našimi partnery zprovozníme."

Organizace ITER již dnes na tomto úkolu pracuje - stejně jako tři přispívající domácí agentury: Evropa, Indie a Spojené státy americké. Zatímco organizace ITER vyvíjí komplexní návrh antény, za objednávky odpovídá Evropská domácí agentura. Předběžný návrh antény by měl být dokončen do konce roku 2020 a konečný návrh do konce roku 2022.

Evropa očekává dokončení stavby Budovy rádiových frekvencí do poloviny roku 2020. Organizace ITER vyvíjí rozhraní s Budovou tokamak a zajišťuje jak upevnění, tak hranice požárního úseku v místech, kde do Budovy tokamaku vstupují koaxiální kabely.

Indická domácí agentura dodá vysokofrekvenční vysílače a zhruba polovinu vysokonapěťových napájecích zdrojů a přizpůsobuje stávající technologii. Organizace ITER zajistí další polovinu vysokonapěťových napájecích zdrojů.

Americká domácí agentura má na starosti přenosovou linku a nastavuje systém pomocí simulačních nástrojů a testů vysokého výkonu ve specializované laboratoři. Agentura očekává, že brzy zahájí výrobu, aby včas zajistila dodávku přenosových linek pro integraci s vysílačem a vysokonapěťovými zdroji energie již během montážní fáze směřující k prvnímu plazmatu.

„Čerpáme z velké základny znalostí od evropského tokamaku JET a dalších experimentálních reaktorů, které používaly iontové cyklotronové systémy,“ říká Beaumont. „Pomocí podobnostních (scaling) zákonů jsme převzali to, co se osvědčilo, a extrapolovali jsme na naše požadované úrovně výkonu a délky pulsu. Naším cílem je poskytnout energii na puls trvající 1 hodinu se zesilovacím koeficientem (Q) rovným 5. Navrhujeme celý systém tak, abychom tohoto cíle dosáhli. „

(Volně podle Pata Branse)