Divertorové kopule pro ITER

Největší tokamak na světě ITER staví sedm partnerů v Cadarache na jihu Francie: EU, Rusko, Čína, USA, Japonsko, Jižní Korea a Indie. Palivem bude směs deuteria a tritia. Jediné místo ve vakuové komoře termojaderného reaktoru ITER, kde se silokřivky udržujícího magnetického pole dotýkají stěny, je tzv. divertor. Na něj podél silokřivek dopadají nečistoty, které deionizovány opouštějí díky výkonným vývěvám prostor kolem divertoru, a tím i vakuovou komoru. Nečistoty dopadají na terče a kopuli divertoru – nejvíce tepelně namáhanou část celé vakuové komory. Divertor tvoří 54 částí – kazet divertoru. Kopule všech 54 kazet dodá Ruská domácí agentura ITER.

Víceletý kvalifikační program v Rusku skončil úspěšnou výrobou a testováním prototypu kopule divertoru v měřítku 1:1 v Jefremovově ústavu v Petrohradě – v jednom z hlavních dodavatelů Ruské domácí agentury ITER. Na staveništi tokamaku ITER nastoupí do prvních zkoušek integrace divertoru, kdy budou poprvé smontovány prototypy všech komponent divertoru vyrobených v Evropě, Japonsku a Rusku.

Jednotunový prototyp kopule divertoru prošel před odesláním na staveniště všemi továrními přijímacími testy v Rusku, včetně přísného testu těsnosti horkým heliem (tři opakování ohřevu na 250°C  při tlaku  4 MPa). Wolframové dlaždice vyvinuté v Rusku prokázaly tepelnou odolnost při cyklickém vysokém tepelném zatížení, typicky tisících cyklů při výkonu plazmatu 5 MW/m² a 10 MW/m².

Konstrukce divertoru

Jak se ionty a elektrony v plazmatu pohybují podél silokřivek vytvořených supravodivými magnety tokamaku, narážejí nečistoty na divertor umístěný na dně vakuové nádoby, kde se nečistoty odčerpávají a pak recyklují. Pro výkon divertoru je rozhodující přesné naklopení a tvarování dlaždic a jednotlivých monobloků.

V tokamaku je divertor součástí, která má hodně funkcí: odvádí teplo, odstraňuje odpad produkovaný fúzní reakcí, který se u divertoru hromadí, minimalizuje znečištění plazmatu a chrání okolní stěny před tepelnou a neutronovou zátěží. Divertor je pečlivě zkonstruován tak, aby vydržel velké toky tepla a částic na své povrchy namířené do plazmatu – vnitřních a vnějších vertikálních terče a kopule – a zároveň nabídl únikové kanály pro odpadový materiál.

Divertor má tvar prstence a skládá se z 54 „kazetových sestav“ – každá z nich je tvořena aktivně chlazenou strukturální páteří (tělem kazety) z austenitické oceli a slitiny mědi, s částmi namířenými k plazmatu krytými wolframovými dlaždicemi a u některých kazet také s diagnostickými systémy. Vertikální terče přímo protínají magnetické siločáry a jsou navrženy tak, aby vydržely tepelné toky až 20 MW/m². Kopule umístěná mezi dvěma divertorovými kanály může čelit tepelným tokům až 10 MW/m².

Výroba prototypu

Při výrobě prototypu kopule v plném měřítku se inženýři z Jefremova elektrofyzikálního institutu (JSC NIIEFA) museli naučit zvládnout řadu unikátních technických operací (svařování, obrábění, pájení wolframových dlaždic) při plném respektování extrémně přísných rozměrových tolerancí a požadavků na těsnost. Dodržení tolerancí je zvláště náročné u plazmových povrchů „vidících“ plazma a na spodní straně součásti, kde bude kopule připevněna k divertorové kazetě.

První zkušební  montáž

Prototyp kopule dorazil na staveniště ITER v prosinci 2021. Dalším kvalifikačním krokem bude vytvoření celé první sestavy divertoru spojením prototypu kopule a prototypů vnitřních (vyrábí je Evropská domácí agentura, Fusion for Energy F4E) a vnějších vertikálních terčů (vyrábí ITER Japonsko) na plnohodnotný prototyp celé jedné divertorové kazety (zodpovídá Fusion for Energy).

Podle plánu montáže se očekává, že 58 divertorových kopulových jednotek bude na místě v letech 2023 až 2027. Přitom s prvním plazmatem se počítá již v prosinci 2025.