Ventil - ochrana stability

Padesát šest cyklotronových vlnovodů bude vstupovat do budovy tokamaku, aby dodalo 20 MW ohřevového výkonu do plazmatu ITER. Je nutné počítat s tím, že každý z průchodů by mohl působit jako porucha stability budovy během katastrofální události jako je zemětřesení nebo požár. Průmysl proto vyvíjí speciální ventily, které zlepší stabilitu objektu v „místě vstupu“ každého vlnovodu.

Elektron-cyklotronová frekvence ohřívá elektrony plazmatu paprskem elektromagnetického záření vysoké intenzity. Paprsky vyrobené 24 výkonnými vysokofrekvenčními (170 GHz) gyrotrony v Budově vysokých frekvencí putují přibližně 100 metrů dlouhým vlnovodem do tokamaku, kde elektron-cyklotronové antény vyzáří výkon do plazmatu. Elektronovou cyklotronovou frekvencí rotují elektrony kolem silokřivek magnetického pole. Je to jedna ze dvou  frekvencí, kterou se plazma v tokamaku ohřívá mikrovlnami. Druhou frekvencí je iontová cyklotronová frekvence o výkonu desítek megawattů.

Vrásčité vlnovody

Přenosové vedení je tvořeno vícenásobnými linkami hliníkových vlnovodů s vnitřním vrásněním, které mohou přenášet výkon do 2 MW jednou linkou po dobu 3 000 sekund, se špičkovou hustotou výkonu ve středu vlnovodu větší než 3GW/m². Přenosové vedení má kruhový průřez (ø 63,5 mm) a má malé vrypy vyfrézované do vnitřní plochy, které snižují přenosové ztráty na hodnotu ≤ 10 %.

Dohromady přibližně 4 km přenosového vedení budou spojovat 24 gyrotronů z Budovy vysokých frekvencí pomocí 56 koncovek a deseti typů vlnovodných komponent. Hlavní mezičleny včetně zdrojů, antén, konstrukcí, vstupních přírub, vodních chlazení a pomocných vakuových systémů by mohly působit jako poruchy stability budov během katastrofální události, jako je zemětřesení nebo požár. Za 88 % elektron-cyklotronového přenosového vedení (včetně výzkumu a vývoje) odpovídá USA,  instalaci zbývajících 12 % zajistí ITER Organization.

Nové ventily nebudou vakuovou překážkou

Aby se riziko zmenšilo, bylo potřeba vyvinout zcela nové ventily. Instalují se v každém místě vstupu vlnovodů: jak do Budovy tokamaku, tak ve vstupních přírubách vakuové nádoby. Ventil nebude působit jako vakuová překážka, ale vytvoří bariéru omezující tok tritiového plynu (o tlaku menším než 1 mbar, tj. 100 Pa)  na litr za sekundu. Do vakuové komory jsou totiž v místech antén otevřené otvory. Jednoduše řečeno, z Budovy vysoké frekvence do vakuové komory tokamaku proudí žádoucí mikrovlnný výkon na elektron-cyklotronové frekvenci a opačným směrem nežádoucí plyn  deuteria s tritiem. Záklopka ventilu se zavře, když parametry unikajícího plynu překročí hraniční hodnoty litr za sekundu při 1 mbaru. Pro ventily je k dispozici omezený prostor, neboť do jedné průchodky je soustředěno až 24 vlnovodů.

Dvakrát měř...

Elektron-cyklotronová sekce v ITER a  Domácí agentura USA spolupracují s externím kontraktorem, švýcarskou společností vyrábějící ventily VAT, na vývoji nových mikrovlnných komponent s cílem zlepšit stabilitu okolí průniků vlnovodných vedení. Před začátkem práce na návrhu Sekce elektrono-cyklotronové frekvence ITER Organization a  Domácí agentury USA shromáždily zvláštní požadavky na ventily během různých podmínek zátěže (např. požár, zemětřesení, zvětšení tlaku v komoře, únik chladiva…) a specifikovaly požadavky na ventil pro každý jednotlivý případ. Požadavky pak firma VAT pečlivě analyzovala, aby zjistila, zda se na novou komponentu mohou použít známé technologie. Plán činnosti spočívá v návrhu prototypu izolačního záklopkového ventilu, výrobního postupu, harmonogramu zkoušek a posléze před „říznutím do živého“ – kontrolou bezpečnostními techniky ITER. Potom bude prototyp vyzkoušen pro vedení mikrovln, na vakuovou těsnost a nejpečlivěji z hlediska bezpečnosti. Pokud ventil projde všemi zkouškami, pak to znamená, že předepsané výrobní a zkušební operace jsou ověřené a lze přikročit ke konečnému schválení návrhu a k výrobě.

Nedávno členové týmů USA a ITER navštívili firmu VAT nedaleko města Buchs ve Švýcarsku, aby prověřili různé požadavky, odsouhlasili kroky vedoucí k finalizaci návrhu výroby prvního prototypu a zkontrolovaly kvalifikační procedury včetně svařování, zkoušení a odpovídající analýzy FEM (Finite Element Method, metoda konečných prvků, numerická metoda pro počítačovou simulaci, která dovoluje zobrazit šíření sil).

Volně podle Marka Hendersona, vedoucího Elektron-cyklotronové sekce.