ITER se připravuje na wolframovou stěnu

Za materiál, který bude pokrývat vnitřní stěny vakuové komory tokamaku ITER, bylo standardně považováno beryllium, s výjimkou tepelně nejvíce namáhaného údolí komory – divertoru, kde beryllium bude nahrazeno wolframem. Wolfram je mimořádně tepelně odolný, ale je také relativně bohatým zdrojem nečistot, a proto měl být divertor ošetřen výkonnými vývěvami. Dnes vidíme vše jinak. Vakuová komora bude na celém povrchu ošetřená tak zvanou boronizací.

Když organizace ITER v roce 2023 učinila klíčové rozhodnutí o změně materiálu dlaždic v plazmové komoře z berylia na wolfram, nebylo to vůbec jednoduché rozhodnutí. Znamenalo ke stávající konstrukci reaktoru, kde se už pomalu rýsuje jeho vakuová komora, respektive k téměř hotovému 40-hektarovému příslušenství přidání zcela nového systému – systému pro úpravy stěn komory, který by ochránil plazma před nárůstem nečistot. Proces nazývaný boronizace nanese tenkou vrstvu (cca 10 až 100 nanometrů) bóru na všechny povrchy obrácené v komoře k plazmatu. Tato vrstva zachytí, respektive „vysaje“ kyslík, který by jinak mohl zvýšit radiační ztráty plazmatu, zejména během citlivé fáze iniciace výboje.

Příklad spolupráce

Několikrát jsme se zmínili o tom, jak dnes prakticky všechny tokamaky, co jich po světě dýchá, pracují pro ITER. Přiklad takové spolupráce je právě boronizace. Boronizace ITERu využívá zkušenosti hned několika tokamaků, čínského EASTu, německého ASDEXu, francouzského WESTu (bývalý ToreSupra, nyní se stěnami vakuové komory pokrytými právě wolframem) a amerického DIII-D. S vydatnou pomocí fúzní komunity probíhají konstrukční úpravy vakuové komory, aby se bór dostal do stroje a ze stroje ven.

Inženýři a vědci z ITERu nyní pracují na různých aspektech projektu – včetně návrhu systému vstřikování nosného plynu do různých míst v nádobě – a plány na boronizační systém rychle postupují, přičemž počáteční modelování a předběžné kontroly návrhu jsou téměř dokončeny a nyní se definuje dlouhodobá strategie.

„Včlenění boronizace do stávajícího systému úpravy stěn je zajímavou a náročnou výzvou,“ říká Tom Keenan, inženýr úpravy stěn ITERu, inženýr, který je technickým pracovníkem zodpovědným za vstřikovací systémy. „Pracujeme s osvědčenou technologií, která ale nikdy nebyla provedena v takovém měřítku a navíc ani v tritiovaném prostředí, takže určitě máme před sebou novou zajímavou oblast práce.“ (U stavby tokamaku ITER nic nového pod sluncem.)

Diboran

Když se začal kreslit návrh nového systému úpravy stěn, jedním z prvních rozhodnutí týmu bylo pro proces boronizace použit diboranu B₂H₆, i teoreticky velmi zajímavé sloučeniny vodíku a boru. V nosném plynu bude koncentrace diboranu 5 %, přičemž preferovanou volbou pro nosný plyn bude hélium. Nicméně významná komplikace tu přece jen byla. Diboran je totiž jednak toxický, jednak výbušný. Proto musí být před budovou diagnostiky postaveno dobře chráněné úložiště zvané „plynová kabina“.

Dalším požadavkem je systém vstřikování plynu, který fouká diboran do tokamaku. Předběžný návrh počítá s více než jedním kilometrem vstřikovacích potrubí uvnitř budovy tokamaku, dalších 400 m potrubí v komoře a 21 míst vstřikování plynu do vakuové komory. Bylo odsouhlaseno optimalizované rozložení míst – bodů pro dodávku plynu do komory, vyhovující velikosti výkonu boronizace. Mapa nových vstřikovacích míst se musí ve vakuové komoře vypořádat s nemalým omezením, neboť plynové průchody již jsou naplánované. Gabor Kiss, inženýr, který má na starosti plnění ITER palivem a pracuje na celkové intergrační studii všech průchodů, tvrdí, že tyto úpravy postup instalace elektrárny neovlivní.

Role systému doutnavého výboje

Po vstřiknutí do vakuové komory se diboran usazuje na stěnách pomocí vyzkoušené metody nanášení vrstev doutnavým výbojem. Při doutnavém výboji se podobně jako v neonové lampě, ve které se urychlují ionty proti stěně, na stěnách komory usazují molekuly diboranu. Tento proces zabezpečí chemickou vazbu bóru na povrch chráněného materiálu ve formě tenkého filmu.

ITER již dříve plánoval čistit během období údržby stěny vakuové komory doutnavým výbojem, ale nyní bude potřeba kvůli přidání boronizace přizpůsobit plán častějšímu použití. To s sebou přináší nové problémy. První otázkou je, zda je konstrukce anody doutnavého výboje – která dodává asi desetkrát více energie než podobné anody v současných tokamacích – kompatibilní s častými cykly boronizace. Na tuto otázku se snaží odpovědět nadcházející testy tokamaku EAST v Číně. Druhou otázkou je určení optimálního umístění anod tak, aby se zajistilo pokrytí bórem všech vnitřních povrchů komory. Aby se dosáhlo co nejefektivnějšího rozložení bóru, tak pomocí modelování a testování v tokamacích ASDEX Upgrade (Německo) a WEST (Francie) se tým rozhodl přidat do vakuové nádoby čtyři další anody. (Viz poslední obrázek.)

„Jednalo se o významný společný projekt s odborníky z Mezinárodního oboru fyziky tokamaku (International Tokamak Physics Activity),“ říká Tom Wauters, který se v ITERu specializuje na interakce plazmatu se stěnami. „Měli jsme velmi silnou podporu od mezinárodní vědecké a technické komunity, která nám pomohla s boronizačním systémem ITER a my jsme díky tomu dokázali nemalou měrou postoupit kupředu.“

Frekvence nanášení boru v ITER závisí na dvou faktorech

Zaprvé, kolik kyslíku může vrstva boru absorbovat, a za druhé, jak rychle plazma tyto vrstvy eroduje. Nedávné studie naznačují, že jednorázová aplikace bóru by mohla být účinná po dobu mezi 2,5 až 12,5 týdny, což by vedlo k plánovanému maximálnímu intervalu boronizace každé dva týdny. Nadcházející specializované testy na provozovaných tokamacích také přesně změří, kolik kyslíku může boronizovaný povrch zachytit. Tyto informace tedy povedou k určení optimální frekvence boronizace a objasní, kolik kyslíku – například kyslíku z drobného atmosférického úniku – může nádoba tolerovat.  

Použití diboranu

Při boronizaci doutnavým výbojem zůstane malé procento diboranu nerozložené. Všechen diboran, který se odčerpá z tokamaku, musí být bezpečně neutralizován kvůli své vysoké toxicitě. V současné době se vyhodnocují dvě metody jeho destrukce: jedna zahrnuje zahřátí diboranu na 700 °C a jeho tepelný rozklad na prvky, zatímco druhá využívá k absorpci a neutralizaci tohoto plynu patentovanou chemickou past používanou v polovodičovém průmyslu. „Jsme si velmi jisti oběma způsoby,“ říká Peter Speller, inženýr dohlížející na zpracování diboranu. „Tepelná destrukce již fungovala na tokamacích WEST (Francie) a DIII-D (USA), zatímco systém chemického zachycení byl úspěšný na ASDEX Upgrade (Německo), takže už jen zbývá určit, která ze jmenovaných metod je pro ITER vhodnější.“

Ať už bude zvolena jakákoli metoda, v budově Tritium se musí uvolnit místo pro systém odstraňování diboranu, který se tak stane během boronizace součástí výfukových plynů z tokamaku.

Závěr: místo beryllia s wolframem a místo vývěv přijde boronizace. Instalace boronizačního systému by měla začít v roce 2028.