Bublinky v tokamaku

Protože diagnostika plazmatu v tokamaku, v zařízení pro jadernou fúzi, je velmi náročná fyzikální disciplína – a čtenářům by se pasáž o ní mohla zdát nestravitelná – navrhl autor článku pro publikaci Řízená termojaderná fúze pro každého odlehčovací kresbu pana doktora, jak zkoumá zdravotní stav zařízení fonendoskopem. Zdaleka tenkrát netušil, jak blízko je skutečnosti.

Největší tepelné zátěži ve vakuové komoře tokamaku ITER musí odolat divertor. Je to příkop, ve kterém byste přistáli, kdybyste se spustili na samé dno vakuové komory tokamaku. Odvádějí se odtud z komory zplodiny fúzní reakce a reguluje se výkon plazmatu.
Divertor má 54 segmentů a útočícímu plazmatu o teplotě miliónů stupňů vzdoruje povrchem z obtížně tavitelného wolframu. Zatímco stěny vakuové komory jsou připraveny na 0,5 MW/m², musí terče divertoru zvítězit nad zátěží 40krát větší, tj. 20 MW/m². (Divertor je konstruovaný na 30 MW/m², ale o tom se plazma „nesmí dozvědět“.) Proč divertor musí ve srovnání s běžnými stěnami vakuové komory odolat tolika wattům navíc? Zatímco v komoře tokamaku musíme zajistit, aby se plazma stěn vakuové komory dotýkalo co nejméně (nejlépe vůbec ne), divertor je naopak na přímý kontakt s plazmatem připraven. V obou případech přání výzkumníků zajišťuje vhodná konfigurace magnetického pole. Stěny vakuové komory jsou na rozdíl od wolframového divertoru pokryty beryliem.

Jako přistávající raketoplán

Tepelná zátěž povrchu divertoru je srovnatelná se zátěží raketoplánu nořícího se do atmosféry. Raketoplán však operuje s tepelnou zátěží několik minut a divertor tokamaku ITER to bude muset vydržet okolo hodiny! Raketoplán nebezpečné teplo vyzáří do svého okolí, ale divertor obklopený vakuovou komorou plnou plazmatu musí teplo odvést násilím. Slouží k tomu chladicí potrubí, do něhož vstupuje voda pod tlakem 4 atmosfér teplá 70 ^oC a vystupuje o 50 ^oC teplejší.

Mikrobublinky

Existuje režim, který inženýři zodpovědní za správné chlazení milují. Nazývá se diphasic, tedy dvojfáze. Současně při něm existuje skupenství plynné i kapalné – mikrobublinky páry obklopené vodou. Diphasic má úžasnou transportní kapacitu tepla. Chladí opravdu neúnavně. Ovšem něco za něco. Diphasic je režim po výtce nestabilní. Což může vyústit v opravdovou katastrofu! Pokud chladicí medium náhle opustí režim diphasic, může v kritickém místě vzrůst teplota natolik, že se nenávratně poškodí místo inkriminované komponenty. Což může znamenat odstavení celého tokamaku na dlouhou dobu! Důvodem fázové změny může být pokles tlaku v chladicím potrubí, závada na pumpách, náhlá změna režimu plazmatu na podstatně vyšší tepelné zatížení plazmatu, tzv. „reattachment“. „Při našich 10 000 výstřelech očekáváme během první deuterium-tritiové kampaně asi 300 znovupřipojení, která budou mít na svědomí tepelnou zátěž povrchu divertoru 20 MW/m² trvající až 10 sekund“, říká šéf sekce „Wolframový divertor“ Frederic Escourbiac. (Všimněte si, že „Jeho Veličenstvo divertor“ má vlastní sekci vědců a techniků!)

Zpěv potrubí

Diagnostika, která by včas odhalila chystající se fázové skoky, je tedy nanejvýš žádoucí. I když ITER ještě nestojí, taková diagnostika již existuje a testuje se na maketách chladicího potrubí. Spočívá v rozboru frekvence zvuku, který vydávají mikrobublinky dvoufáze – diphasic. Porozumění „zpěvu“ potrubí může zachránit nemalé hodnoty i čas při provozu tokamaku.
Odborníci z ITER a CEA Fusion Research Institute (IRFM) pracují na tomto včasném výstražném systému od roku 2010. K simulaci tepelné zátěže divertoru (až do kritického tepelného toku) používá Areva Technical Research Centre v Le Creusotu ve Francii elektronový svazek. A k diagnostice jemňoučkých zvuků z chladicího potrubí používají citlivé akustické měřicí aparatury. Takže pan doktor poslouchající fonendoskopem tokamak až tak velkou nadsázkou není!

ITER je mezinárodní projekt výstavby prvního fúzního reaktoru s větším fúzním výkonem, než je příkon potřebný k ohřevu plazmatu. Projekt by měl ověřit především technologickou proveditelnost takového reaktoru. Staví jej v Cadarache v jižní Francii konsorcium Evropské unie a šesti zemí od roku 2007. V Třípólu jsme o něm již několikrát psali: 
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/448-iter-je-cesta
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/463-280-000-silnejsi-nez-magneticke-pole-zeme
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/464-termoska-pro-tokamak
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/467-zkusebni-konvoj-pro-iter
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/470-cinsky-cesnek-nechci
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/498-umele-slunce-ziskava-svou-tvar
www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/506-jak-udrzet-slunce-v-hrsti