Rok gyrotronů

Počátkem devadesátých let věřilo jen málo lidí tomu, že elektronový cyklotronový rezonanční ohřev (ECRH) by mohl dosáhnout parametrů vysokofrekvenčních výkonů potřebných pro ohřev plazmatu v tokamaku ITER. Mark Henderson si přesně pamatuje slova vedoucího své doktorské disertace, který ho varoval, aby se "zajímal o cokoli, ale ne o gyrotrony." První jednotka ohřívající plazma tokamaku ITER metodou elektronového cyklotronového rezonančního ohřevu bude dokončena letos, v roce 2018. Je výsledkem víceletého vývojového programu.

Technologický pokrok projevil na řadě klíčových součástí gyrotronu - zařízení generujícího mikrovlny v jádru systému ECRH. Vedl k neustálému zvyšování jeho výkonu a dnes je ECRH vedle dalších tří externích systémů ohřevu na projektu ITER považován za jeden z životaschopných kandidátů na součást mixu vnějších/dodatečných ohřevových technik uvažovaných pro větší a výkonnější reaktory budoucích fúzních zařízení.

"Ze zařízení schopných výkonů měřených v kilowattech v prvních letech vývoje máme nyní zařízení běžně pracující s výkonem 1 MW (1 milion wattů) po dobu 1 000 sekund," říká Henderson, který vede sekci Electron Cyclotron na ITER. "Tento vývoj byl do značné míry ovlivněn potřebami komunity v oblasti jaderné syntézy, ačkoli gyrotrony mají také využití jako topná zařízení v průmyslu nebo jako mikrovlnné zdroje ve spektroskopii a diagnostice."

Jak funguje gyrotron

Schematický nákres generátoru elektromagnetického pole elektronové cyklotronové frekvence – gyrotronu - najdete v galerii obrázků. Rozžhavené vlákno na dně gyrotronu emituje elektrony, jejichž dráha je ovlivněna dvěma faktory - rozdílem potenciálu mezi katodou (-55 kV) a anodou (+ 35 kV) a supravodivým magnetem (SCM). Elektrony oscilují podél silokřivek magnetického pole až do oblasti dutiny. Rozměry dutiny a průměr elektronového svazku jsou pečlivě nastaveny tak, aby generovaly mikrovlnný paprsek rezonující na frekvenci 170 GHz. Padesát procent energie elektronů se přemění na energii mikrovlnného paprsku, který je zaveden zrcadly skrze diamantové okno gyrotronu do vlnovodů a posléze anténou vyzářen do plazmatu.

Při dlouhých pulzech gyrotronů se spojitou vlnou vyvíjených pro tokamak ITER se generuje svazek elektronů a urychluje se do velké dutiny. Silné magnetické pole vytvářené mimo dutinu modifikuje kruhový pohyb elektronů, což vede ke vzniku vysokofrekvenčních vln, které se chovají jako laserový paprsek a které pak mohou být zavedeny pomocí zrcadel do vybraných oblastí plazmatu tokamaku ITER.

Záření bude putovat vlnovody

Z Budovy rádiových frekvencí, kde se mikrovlnné paprsky generují, musejí paprsky překonat asi 160 metrů ve vlnovodech až k anténám na rovníkových a horních patrech věnců portů vakuové nádoby. Elektronový cyklotronový ohřev plazmatu tokamaku ITERu bude vyžadovat 12 sad vysokonapěťových napájecích zdrojů, 24 gyrotronů, 24 přenosových vedení a 5 antén.

"Požadavky na výkon a frekvenci pro ohřev plazmatu tokamaku ITER (1 MW na 170 GHz) byly stanoveny koncem 90. let," připomíná Henderson, "ale rozdíly ve velikosti znamenaly, že jsme se museli zabývat novými technologiemi. Zcela jsme přepracovali anténu, vyvinuli velmi kvalitní vlnovody pro přenos s nízkými ztrátami a zvýšili výkon řady klíčových součástek gyrotronů, jako jsou například okna z umělého diamantu."

Mezinárodní spolupráce

V tomto období "zjišťování, co funguje a co ne," byli všichni výzkumní pracovníci v Evropě, Japonsku, Rusku a Spojených státech neustále ve spojení. Stejní lidé (plus kolegové z Indie) dnes zajišťují elektronový cyklotronový systém pro tokamak ITER Na dodávce elektronového cyklotronového systému tokamaku ITER se podílí pět členů: Evropa (6 gyrotronů, 12 napájecích zdrojů, 4 horní antény), Indie (2 gyrotrony, 4 napájecí zdroje), Japonsko (8 gyrotronů), Rusko (8 gyrotronů) a Spojené státy (všechny přenosové linky).

První dohody se podepisovaly 2012

Následovalo zdlouhavé období prototypových, přezkumných a zkušebních fází. První jednotky gyrotronu byly dokončeny v Japonsku a Rusku a finální testování právě probíhá. Do konce roku 2018 budou hotové vstupní testy na dvou gyrotronových jednotkách v Japonsku, dvou jednotkách v Rusku a napájecích zdrojích v Evropě. Instalace osmigyrotronových jednotek potřebných pro první plazma ITER by měla být zahájena v roce 2020, dalších 16 zařízení bude nainstalováno v pozdější montážní fázi.

"Elektronový cyklotronový systém bude spolupracovat s ostatními systémy dodatečného ohřevu se vstřikem neutrálních částic (NBI, neutral beam injection) do tokamaku ITER a iontovým cyklotronovým ohřevem - k zajištění" „ohřevového servisu“ plazmatu," uzavírá Henderson. "Každý má svou funkci a výhody, které byly inženýrsky maximalizovány, abychom získali největší možný výkon. Experimenty nám brzy ukážou, jaká kombinace bude nejlepší pro výkon plazmatu v budoucích zařízeních. "