Až ITER zapálí první plazma

Termínem „první plazma“ se ve výzkumu termojaderného plazmatu nazývá okamžik, kdy se vyčerpá vakuová komora, fungují potřebné pomocné systémy (magnetická pole, nezbytné diagnostiky, napouštění pracovního plynu atd.) a zapálí se výboj. Bezesporu významný okamžik v historii experimentálního zařízení. Pražský tokamak COMPASS měl první plazma v listopadu 2008, a druhé „první“ plazma pro veřejnost v únoru 2009. Tokamak ITER měl mít první plazma v roce 2016, druhé „první“ v roce 2016 a třetí první plazma mělo být v roce 2025. Zatím se tak nestalo, zpoždění je značné, ale jednou ten okamžik nastane. Je potřeba se na něj připravit.

Tokamak ITER je mimořádně veliké zařízení, v rodině tokamaků bezkonkurenčně dominuje vším, na co si vzpomenete: rozměry, elektrickým proudem v plazmatu, magnetickým polem, objemem plazmatu a především relativním uvolněným fúzním výkonem. Především je nesmírně komplikovaným zařízením. Ještě ani v době prvního plazmatu nebude vakuová komora, dějiště fúzních reakcí, vybavena vším plánovaným zařízením. V komoře kupříkladu nebude ještě divertor. Ovšem i „první plazma“, ač z něho nebude ještě proudit žádná fúzní energie, může poškodit místa připravená k montáži plánovaných komponent. Ta místa je třeba před prvním plazmatem ochránit!

Dočasná ochrana uvnitř vakuové komory

Vakuová nádoba, operační sál stroje ITER, musí být chráněna před možným poškozením horkým plazmatem v jakékoliv fázi činnosti. To platí i pro první fázi studia plazmatu, kdy se většina systémů ITER rozběhne a stává se funkční, ale některé součásti ve vakuové komoře dosud nejsou namontovány. Během prvního plazmatu bude ve vakuové nádobě instalován tzv. cenově/nákladově efektivní systém dočasné ochrany. První plazma bude jednoduché vodíkové plazma, to je bez příměsi deuteria. Bude mít prstencový, vertikálně protažený tvar vhodný pro řízenou fúzi. Očekává se, že tato počáteční plazmata budou spíše nepředvídatelná a operátoři se budou jejich pohyb teprve učit ovládat. Ryan Hunt, inženýr pracující na prvcích ochrany před prvním plazmatem, poznamenává, že během několika milisekund se startovací plazma může uvnitř vakuové nádoby pohybovat libovolným směrem. "V takových případech bychom rádi, aby vše probíhalo pod kontrolou jednoho z našich ochranných systémů raději než v kontaktu s jakýmkoli zařízením již instalovaným uvnitř vakuové komory," říká Hunt.

Tři části dočasné ochrany

Srdcem systému ochrany budou uvnitř vakuové komory dočasné limitery – ochranné prvky pro nízkoenergetické plazma, okopírované z již existujících tokamaků. Limitery – clony – vymezovaly „malý“ průměr plazmového prstence a držely plazma v „uctivé“ vzdálenosti od stěn vakuové komory. Limitery byly předchůdci divertoru. V projektu ITER se budou používat pouze šest měsíců provozu prvního plazmatu. Budou to čtyři poloidální smyčky ve tvaru písmene D mající stejný obrys jako základní linie obalu (blanketu). Jsou osazeny 18 segmenty, přičemž každý segment je tvarován jinak, aby se přizpůsobil obrysu vakuové nádoby. Toto uspořádání bude držet plazma ve vzdálenosti asi půl metru od stěny komory bez ohledu na to, kam se plazma může v daném okamžiku pohybovat.

Druhým prvkem bude na spodní části komory náhradní struktura zatím nepřítomného divertoru. Zařízení vypadá jako podivně tvarovaná tenisová raketa a tvoří ho ocelová tyč sahající napříč vakuovou komorou s drátěnou mřížkou uzavírající přístup do prostoru na dně komory. Funguje jako fyzické přerušení jakéhokoli potenciálního pohybu plazmatu směrem dolů.

Třetí prvek chrání vakuovou nádobu proti možnému poškození elektronovým cyklotronovým rezonančním ohřevem (ECRH), který dodává mikrovlnnou energii do plazmatu z horního portu, čímž plazma ionizuje a ohřívá. Tři měděná ocelová zrcadla namontovaná na vnitřní stěně nádoby odrážejí paprsek do vnějšího rovníku, kde tzv. "pohlcovač" absorbuje přebytečnou energii.

Podle inženýra Hunta jsou tyto tři komponenty ochrany proti prvnímu plazmatu - dočasný limiter, náhradní konstrukce divertoru a ECRH zrcadla a pohlcovač paprsku - jednoduchá a ekonomická řešení pro ochranu vakuové nádoby a již nainstalovaných součástek před poškozením během činnosti prvního plazmatu. "Tyto prvky jsou vyrobené pouze pro ITER a vyhovují potřebě jednoduchého a cenově snesitelného systému ochrany," říká Hunt. Všechny prvky se snadno instalují a odstraňují, protože nejsou svařovány, ale připevňují se k vnitřním stěnám nádoby mechanicky, s minimálním dopadem na pozdější provoz stroje. Komponenty jsou vyrobeny z oceli bez použití drahého materiálu nebo náročných technologií.

Najíždění na plný výkon

Operace s prvním plazmatem je v jistém smyslu analogická s počátečním testováním funkčního prototypu libovolného zařízení jinde v průmyslu. Například při vývoji nového automobilového motoru jej inženýři nebudou zřejmě v prvních testech túrovat na nejvyšší výkon. Začnou tím, že opatrně pracují s funkčním prototypem a ověří, zda všechny okolní systémy pracují správně. Teprve pak zvýší výkon a pomalu míří k maximu. Totéž platí pro tokamak ITER. První plazma - milníková fáze, která podle nového harmonogramu začne v prosinci 2025 - bude první v řadě provozních fází. Postupný přístup umožní zkontrolovat klíčové tokamakové systémy a doladit je před zprovozněním zbývajících vnitřních součástí vakuové komory. A podobně jako při testování nového automobilového motoru, i první plazma se zkouší při nižších výkonových úrovních, než se předpokládají pro fázi plné fúze. Během prvního plazmatu je cílem projektu ITER dosažení elektrického proudu v plazmatu nejméně 100 kA po dobu nejméně 100 ms (srovnej s projektovaným proudem v plazmatu až 15 MA po dobu trvání asi 450 s za plné fúze deuteria a tritia).

Volně podle Kirsten Hauptové