Magnetická páteř – centrální solenoid

Říkají mu páteř tokamaku. Centrální solenoid. Fyzikálně vzato jde o primární vinutí transformátoru. Má ho každý tokamak, bude ho mít i ten největší - ITER na jihu Francie poblíž střediska výzkumu atomové energie CEA Cadarache. Proměnný elektrický proud v primárním vinutí vybudí elektromagnetickou indukcí elektrický proud v sekundárním vinutí. Tím je však jediný závit – provazec plazmatu ve vakuové komoře. Elektrický proud ohřívá plazma a jeho magnetické pole spoluvytváří magnetickou nádobu izolující plazma od stěn vakuové komory. Centrální solenoid patří pochopitelně mezi nejvýkonnější elektromagnety, které byly kdy vyrobeny.

Několik čísel

Centrální solenoid (CS) tokamaku ITER tvoří šest nezávisle napájených modulů. Scénář jejich napájení byl zvolen kromě jiného tak, aby se elektrický proud v CS měnil co nejdéle. Při neměnném proudu v primárním vinutí se v plazmatu elektrický proud neindukuje a výboj zhasne. Magnetické pole vytvářené komplikovaným scénářem proudů v jednotlivých modulech fyzikové nazývají přiléhavě „magnetickým baletem“.

Každý z modulů má hmotnost 120 tun, výšku 4,1 metru a průměr 3 metry. Modul je navinut ze šesti kilometrů supravodivého drátu Nb₃Sn v ocelovém plášti.

CS vysoký 18 metrů o průměru 4,13 metrů je navinut ze 42 kilometrů nízkoteplotního supravodivého drátu ze slitiny Nb₃Sn. Na rozdíl od lacinější a odolnější nízkoteplotní supravodivé slitiny NbTi zůstává slitina Nb₃Sn supravodivá až do 14 T (tesla). Slitina NbTi ztrácí supravodivost již při magnetickém poli 6,5 T.

Magnetické pole, které CS vyrobí, má hodnotu až 13,1 T a je asi 300 000krát sinější než magnetické pole na povrchu Země. V okamžiku zapnutí bude v CS obsaženo 6 GJ, tj. síla, která by zvedla letadlovou loď třídy Gerald R. Ford o hmotnosti 100 000 tun do výšky 60 m.

Hmotnost CS dosahuje 1 000 tun. Je po vakuové nádobě nejtěžší komponentou tokamaku ITER a stejně jako vakuová nádoba se bude montovat z jednotlivých modulů až na místě stavby.

Centrální solenoid se rodí v General Atomic

Zárodek CS dnes spočívá v hale General Atomics v San Diegu v Kalifornii. Hala disponuje přesným strojem schopným manipulovat s předměty o hmotnosti 200 tun a dvoupodlažní pecí dosahující teploty 600 °C. Stroj pro izolaci má připravených 200 kilometrů sklolaminátového pásu. General Atomic vyrábí sedm modulů. Navíjení bylo slavnostně zahájeno v pátek 11. dubna a potrvá do roku 2017. Na stavbu v Cadarache doputuje CS kolem roku 2019.

Magnetické udržení potřebuje elektromagnety

Tokamak ITER je zástupcem směru tzv. magnetického udržení plazmatu, takže nepřekvapí značné množství souborů cívek elektromagnetů, zdrojů magnetických polí nejrůznějšího určení: centrální solenoid, cívky toroidálního pole, cívky poloidálního pole, korekční cívky, cívky pro magnetickou rezonanci atd. Na výrobě všech souborů cívek se podílí kromě Indie všichni ostatní partneři ITER, tj. Rusko, USA, Jižní Korea, Čína a Japonsko plus Evropská unie. Mimochodem: do začátku stavby tokamaku ITER se na celém světě vyrábělo 15 tun Nb₃Sn za rok. Nyní potřebuje jediný soubor cívek tokamaku 30krát větší množství. To znamená, že dosavadní výrobci museli razantně zvětšit výrobu a především se museli najít i výrobci noví, což není při tak náročné výrobě úplně jednoduché. Rusko vyrábí supravodivý drát z NbTi, který není tak náročný na zacházení jako Nb₃Sn, je lacinější a bude použit ve slabším magnetickém poli na nejmenší (krajní) cívky poloidálního pole PF1 a PF6.

I „jednotková“ délka může být různá

Kabely se měří na tzv. jednotkové délky, což je vždy porce kabelu vyrobená v jednom kuse. Záleží na poloze kabelu uvnitř cívky i na funkci samotné cívky. Typický vodič jednotkové délky cívky toroidálního pole je 760 m což vyžaduje 3,3 t supravodivého drátu ze slitiny Nb₃Sn a 1,6 t pláště z nerezové trubice. Typický vodič jednotkové délky cívky centrálního solenoidu je 905 m, což vyžaduje 2,6 t supravodivého drátu ze slitiny Nb₃Sn a 11,3 t pláště z nerezové trubice. Japonsko a Korea pro centrální solenoid vyrobily 28 % drátu Nb₃Sn. Čína vyrobila pro korekční cívky a sběrnice celkem 22 t drátu z NbTi, pro korekční cívky přes polovinu vodičů jednotkové délky, oba vodiče jednotkové délky pro sběrnice korekčních cívek a dva ze tří vodičů jednotkové délky pro hlavní sběrnice.

Pozn.: K uveřejnění všech obrázků v článku dala laskavé svolení ITER Organization. Schémata jsou zveřejněna s laskavým svolením Arnauda Devreda, ITER Organization.