SPIDER a MITICA

Plazma v termojaderném tokamaku je nutné ohřát na 150 milionů stupňů. Pak je dostatečně veliká pravděpodobnost zapálení požadované fúzní reakce. Můžeme to udělat ohmickým ohřevem, mikrovlnami a vstřikováním neutrálních iontů. Určitě není účelem tohoto článku podat zevrubné informace o funkci NBI (Neutral Beam Injection) - vstřiku svazku neutrálních částic. Na to je běžný prostor popularizačního článku příliš skromný. NBI se používá vedle mikrovlnné energie k doohřevu tokamakového plazmatu na fúzní teploty. Základním ohřevem je ohmický ohřev elektrickým proudem, ten ale nestačí, neboť při vyšších teplotách jeho ohřevová účinnost klesá. Na tokamaku ITER, který se právě staví v jižní Francii, se právě instalují hlavní části dvou testovacích zařízení pro systémy vstřikování svazků neutrálních částic SPIDER a MITICA.

SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio Frequency plasma – Zdroj pro výrobu iontů deuteria z vysokofrekvenčního plazmatu) dokončil svou první testovací kampaň na konci listopadu 2021 a nyní vstupuje do fáze ladění. Během této doby bude testovací zařízení asi na jeden rok odstaveno, aby bylo možné provést změny, které doporučily výsledky kampaně.

Poznatky poskytnuté SPIDERem, zdrojem záporných iontů v měřítku 1:1

Nejvýkonnější zdroj záporných iontů na světě SPIDER je technologický zázrak. Experimenty s ním pomáhají vědcům a inženýrům ověřit návrhy systémů vstřikování vysokoenergetického svazku neutrálních částic v ITERu, na které se bude tokamak spoléhat při dodatečném ohřevu.

Od roku 2018 probíhají testy na zařízení SPIDER v Neutral Beam Test Facility (NBTF) v Padově v Itálii. NBTF má na starosti Consorzio RFX a financuje jej organizace ITER, Evropská domácí agentura, F4E a italská vláda. Přispívajícími složkami jsou evropské, japonské a indické domácí agentury.

SPIDER není sám

SPIDER je jedním ze dvou samostatných testovacích zařízení, která budou nakonec instalována na tokamaku  ITER. Druhý stroj, nazvaný MITICA (Megavolt ITER Injector and Concept Advancement – Megavoltový injektor pro ITER s pokročilou koncepcí), bude úplným prototypem ohřevového injektoru svazku neutrálních částic ve stejném měřítku jako skutečný NBI (Neutral Beam Injection), které budou doohřívat plazma v tokamaku ITER.

Jádrem obou testovacích platforem je iontový zdroj, kde jsou záporné ionty generovány v ionizovaném plynu (plazmatu) a extrahovány z plazmatu ve formě tisíců jednotlivých paprsků pomocí mnohaotvorových elektrod (nazývaných „mřížky“). Iontový zdroj je pro oba experimenty téměř stejný, ale MITICA bude mít dalších pět mřížek pro urychlení paprsků na 1 MeV – desetkrát větší energii, než poskytuje iontům SPIDER.

I když SPIDER postrádá hustotu výkonu MITICA, je to stále plnohodnotný zdroj záporných iontů, který umožňuje studovat produkci vysokoproudových svazků záporných iontů před montáží vysokonapěťového zařízení, které bude použito v MITICA, a umožňuje plánovat experimentální program. Ve skutečnosti se neočekává, že MITICA zahájí experimenty dříve než koncem roku 2024. (Tady mi dovolte připomenout, že za rok od tohoto okamžiku už by mělo ve vakuové komoře zasvítit „první plazma“ tokamaku ITER.) 

„Naším úkolem je pozorovat, co se děje v testovacím zařízení svazku záporných iontů, abychom se naučili věci, které lze použít ke zlepšení návrhu systémů NBI pro tokamak ITER,“ vysvětluje Pierluigi Veltri, koordinační důstojník neutrálního svazku. „Už jsme to udělali pro některé podsystémy. Během testování byly například objeveny nedokonalosti v magnetickém poli aktivovaném uvnitř iontového zdroje. Abychom problém vyřešili, změnila se poloha některých vodičů a tím se topologie magnetického pole optimalizovala. Okamžitě jsme uchopili tento nový návrh a implementovali jej do diagnostického neutrálního svazku zdroje iontů, který stejně jako SPIDER pracuje při 100 kV, a který bude použit k diagnostice vlastností plazmatu ITER.“

Nové objevy

„SPIDER jsme začali testovat v roce 2018,“ říká Veltri. „Na začátku bylo myšlenkou provozovat pouze jeden rok a pak provádět vylepšení. Ale nakonec jsme kampaň prodloužili na tři roky.“

Protože SPIDER je největší zdroj záporných iontů na světě a zároveň jediný, který funguje ve vysokém vakuu, testování často přináší objevy, které vyžadují nečekané změny. Jedním z příkladů toho je, že po několika měsících testování se ukázalo, že bude zapotřebí vylepšený vakuový systém. Dlouhá doba pořízení nového vakuového systému byla jedním z důvodů prodloužení kampaně.

Vědci jsou hraví

Mezitím tým použil řešení, které vedlo k některým překvapivým pozorováním. Experimenty byly upraveny tak, že místo otevření všech 1 280 otvorů (každý o průměru 1,5 cm) na první mřížce byly některé zakryty. Paprsky procházely pouze redukovaným počtem otvorů. „Když otevřete všechny otvory, nemůžete jednotlivé paprsky od sebe rozlišit,“ vysvětluje James Zacks, vědecký pracovník pro testování NBI. „Ale samostatné paprsky nám umožnily vidět, jak málo nebo hodně se paprsky rozcházejí. Nyní se snažíme, abychom pochopili, jak získat paprsky s co nejmenší divergencí, abychom se vyhnuli zahřívání stran okraje svazků, čili zmenšili energetické ztráty. Chceme výkonový tok co nejvíce koncentrovat.“ Další velký úspěch slavila  testovací kampaň v květnu 2021, kdy se testoval provoz s cesiem. Cesium se používá jako katalyzátor k získávání záporných iontů z vodíku pomocí techniky, která je již dlouho známá, ale nikdy nebyla testována na tak rozměrném zdroji. „Prokázali jsme, že vstřik cesia byl účinný při sníženém výkonu zdroje,“ říká Veltri. „Pak jsme přešli  z extrahované proudové hustoty 20 až 30 ampérů na metr čtvereční až na 170 ampérů na metr čtvereční.“

Změny a upgrady

Iontový zdroj SPIDER byl vyjmut z vakuové nádoby a betonového bunkru v prosinci 2021 kvůli technické údržbě. „Jednou z velkých změn, které děláme, je nahrazení starých radiofrekvenčních tetrodových oscilátorů polovodičovými zesilovači,“ dodává Zacks. „Iontové zdroje jsou napájeny vysokofrekvenčním zdrojem energie. Když byla MITICA navrhována, tetrodové oscilátory byly standardem, ale nyní rozhodně existují lepší možnosti. Máme větší důvěru v pevné skupenství, což nám umožní vyřešit některé problémy spojené s tetrodami.“ „Nový polovodičový zdroj umožní dosáhnout plného výkonu iontového zdroje, který je 800 kW,“ dodává Veltri. „Až dosud jsme mohli pracovat pouze s polovičním výkonem.“ „Dodatečný čas nám také umožnil vylepšit některé z diagnostiky na SPIDER,“ říká Zacks. „Vzhledem k tomu, že ohřevové NBI budou v tokamaku puštěny; budeme velmi omezeni v tom, co můžeme s diagnostikou v ITERu ještě dělat. SPIDER však není omezen jaderným prostředím a složitým fyzickým přístupem. To nám dává příležitost přidat diagnostiku do testovacího zařízení, aby bylo možné ještě lépe porozumět fyzice SPIDERu.“ 

Očekává se, že modernizace, které budou instalovány během příštího roku, umožní testování v plné intenzitě a po požadovanou dobu – 1 000 sekund pro vodík a jednu hodinu pro deuterium.

Volně podle Petera Brance

Chování hustoty proudu H-svazku měřené na kalorimetru STRIKE pro prvních 1 000 pulzů experimentální kampaně s cesiem. Cílová hodnota pro proudovou hustotu zdroje neutrálního paprsku injektoru ITER je 350 A/m². (Více viz: https://www.iter.org/fr/newsline/-/3214.)