Měření fúzního výkonu počítáním neutronů

Obrovský fúzní reaktor ITER, který se právě staví v jižní Francii, má být prvním fúzním zařízením na světě, které dosáhne pozitivní energetický výtěžek. To znamená, že nám vydá více energie, než kolik jí musíme do uskutečnění fúzní reakce vložit. Nebude však ještě elektrárnou, ale stále jen experimentálním zařízením. Jak tedy poznáme, že fúzní výkon je dostatečný? Pomohou nám malé štěpné komory, či spíše komůrky o rozměru tužky, které budou umístěné blízko plazmatu, aby „počítaly“ neutrony – produkty fúzní reakce. Mohou se zdát titěrně malé v porovnání s 23 500 tunovým tokamakem ITER,  hrají však veledůležitou roli. Měřením neutronového toku z plazmatu budou tato vysoce přesná zařízení pomáhat vědcům sledovat výstupní fúzní výkon.

V tokamaku se snažíme napodobit Slunce. Slučujeme jádra deuteria s jádry tritia, vznikají jádra helia, známá také jako alfa-částice, která se budou pohybovat velkou rychlostí a protože mají kladný elektrický náboj, budou okamžitě zachycena magnetickým polem a zůstanou v plazmatu. Při reakcích dále vznikají neutrony - ty nemají elektrický náboj, magnetické pole je nezachytí a neutrony tedy opustí plazma směrem ke stěně vakuové komory a za ni. Energie alfa-částic se využije k ohřevu plazmatu, neutron je hlavním výstupem fúzního reaktoru a nositelem energie, která se ve výsledku přemění na teplo a v budoucí fúzní elektrárně termodynamickým cyklem na elektřinu. Čím více neutronů, tím vyšší fúzní výkon.

Měření fúzního výkonu štěpnými komorami

Diagnostika v ITER se kromě jiného zabývá zpracováním dat získaných měřením toků neutronů, neboť tak dokáže určit celkový výkon fúzní reakce v tokamaku. Měřením počtu neutronů mohou diagnostici zjistit důležité informace pro operátory řídící výkon reaktoru a profily jeho činnosti. Jistý počet monitorů neutronových toků bude umístěn kolem zařízení v diagnostických portech jak uvnitř tak vně vakuové komory, kde budou měřit celkovou neutronovou emisivitu v očekávaném rozsahu 10¹⁴ n/s (neutronů za sekundu) v čistém deuteriovém (DD) plazmatu a o mnoho řádů vyšší 10²¹ n/s v deuterio-tritiovém (DT) plazmatu.

Štěpná komora

Hlavní částí detektoru pro měření neutronového toku je štěpná komora. Je to nádobka naplněná plynným argonem, jejíž stěny jsou pokryty tenkou vrstvou uranu 235 (²³⁵U) nebo uranu 238 (²³⁸U). Jakmile neutron narazí do atomu uranu, jádro rozštěpí a uvolní se značná energie. Části rozbitého jádra prolétávají skrze vnitřek komory naplněný plynem a  plyn ionizují. Díky vysokému napětí přiloženému na elektrody se uvnitř komory objeví elektrický proud, který lze změřit. Posledním krokem je výpočet fúzního výkonu z naměřené velikosti proudu.

Štěpné mikro-komůrky dodá Japonsko

V roce 2012 podepsala ITER Organization objednávku s Japonskou Domestic Agency na návrh, výrobu a dodání diagnostiky pomocí štěpných mikro-komůrek. Čtyři jednotky obsahující každá tři štěpné mikro-komůrky budou umístěné v mezeře mezi stíněním modulů obalu a stěnou vakuové komory ITER. Neutronové toky v tomto prostoru jsou mimořádně veliké a dovolující tak extrémně zmenšit rozměry štěpných mikro-komůrek s malým obsahem uranu – odtud jejich název „mikro“. Umístění štěpných mikro-komůrek blízko plazmatu také pomáhá zmenšit „rozptylový efekt“ a měřit neutronové toky co možná nejpřesněji. Když totiž neutrony prolétávají materiálem, ztrácejí část své energie. Citlivost detektorů neutronů je závislá na jejich energii; pokud jsou detektory umístěny daleko od plazmatu, jsou exponovány širokým spektrem energie neutronů, což vede ke snížení přesnosti měření a potřebě sofistikovaných „neutronových“ výpočtů nezbytných pro správnou interpretaci naměřených údajů.

Spolehlivost především

Kvůli umístění na vnitřní stěně vakuové nádoby bude muset být čidlo detektoru připraveno včas pro první etapu montáže, kdy se budou svařovat segmenty vakuové nádoby. Je nesmírně důležité, aby instalace těchto komponent byla dokončena bezchybně, protože jakmile bude na vnitřní stěnu vakuové komory připevněn obal, štěpné mikro-komůrky budou mnoho let nepřístupné. Prototyp štěpné mikro-komůrky se v současné době v Japonsku pečlivě testuje, neboť musí být zajištěna vysoká spolehlivost všech částí této diagnostiky.

Testování komůrek

Nedávno byla dokončena výroba izolovaných kabelů, které budou předávat signály z detektorů do předzesilovačů. Tyto kabely se testují mnoha teplotními cykly až do 360 °C, vibracemi a jsou zkoušeny heliovými hledači netěsností. Všemi testy prošly i mikro-komůrky. "Jsme spokojeni, že jsme dosáhli tento milník výzkumu a vývoje včas, a že jsme připraveni dodržet stejné tempo až do konečné expedice systému mikro-komůrek,“ prohlásil odpovědný úředník japonského dodavatele diagnostického systému Kiyoshi Itami. Štěpné mikro-komůrky z Japonska budou mezi prvními diagnostikami instalovanými na tokamaku ITER.

(Podle ITER Newsline)