Stav tokamaku ITER na Silvestra 2025

Jaký je stav na staveništi tokamaku ITER na přelomu let 2025 a 2026? „Museli jsme se vypořádat s harmonogramem, který se v tomto projektu téměř nikdy nedodržoval.“ (Pietro Barabashi, Cheng, 2025)

Vakuová komora

Začněme vakuovou komorou, budoucím jevištěm termojaderné reakce, místem uvolňování termojaderné energie ve 150 milionů stupňů horkém plazmatu deuteria a tritia. Vakuová komora toroidálního tvaru bude tvořena devíti nonanty, z nichž každý má po obou stranách připevněné dvě toroidální supravodivé Nb₃Sn cívky. Mezi první stěnou a cívkami je potrubí protékané vodou, které chladí stínění. Čtyři nonanty vyrobila Korea a pět nonantů dodává Evropa. Když se před dvěma roky usadil do tokamakové jámy první sektorový modul, ukázalo se, že sousední nebude těsně přiléhat a bylo nutné vymyslet, jak tuto závadu odstranit. Když se přidaly praskliny pod přivařenými chladicími trubkami a byl zjištěn únik z potrubí tepelného štítu (důsledek koroze pod napětím způsobené chloridy v materiálu), bylo nutné panely o tloušťce 2 mm opracovat pro eliminaci potenciálního rizika jejich koroze, vyměnit zkorodované trubky za nové, leštěním zbavit jejich povrch povlaku tak, aby drsnost povrchu nepřesáhla 0,1 μm. Již usazený první modul bylo třeba opatrně z tokamakové jámy vyjmout, částečně rozebrat a doplnit tam, kde bylo třeba, dalším materiálem a odfrézovat naopak na přesnost zlomku milimetru přebytečný a poté 350tunový sektor znovu spustit do tokamakové jámy. Dnes jsou v jámě tři sektorové moduly. V Montážní hale, která bez mezery přilehá k Tokamakové hale, čekají připraveny dva sektorové moduly z Evropy a jeden z Koreje. Zbývající tři moduly dodá Evropa v roce 2026.

První sektorový modul ITERu vyžadoval po instalaci demontáž a geometrické korekce, včetně lokálního obrábění svarových návarů na setiny milimetru. Jeho instalace trvala přibližně 18 měsíců, zatímco následné moduly již bylo možné instalovat v čase 6–7 měsíců díky stabilizovaným postupům a upraveným tolerancím. Pro 5 000 každodenních zaměstnanců připravily manipulace se sektorovými moduly nezapomenutelné divadlo.

Stav instalace sektorových modulů ke konci roku 2025

Problémy prvních dvou sektorů ITER jsou dány tím, že nikdo na světě by neuměl napoprvé vyrobit bez chyb něco tak unikátního.

Centrální solenoid

Parametry: supravodivý materiál: Nb₃Sn, magnetická indukce 13,5 T (tesla), proud 42 kA, 6 modulů, hmotnost 1 000 tun, výška 13 m.

Centrální solenoid (CS), čili primární vinutí tokamakového transformátoru (nic jiného v podstatě tokamak není) je cívka s nejsilnějším magnetickým polem celého zařízení. Aby se mohlo magnetické pole měnit v prostoru a v čase, je celý sloupec „primáru“ rozdělen na 6 autonomně napájených cívek. Celý centrální solenoid sestavil a dodal na staveniště ITER americký General Atomic, který zkušenosti s centrálním solenoidem vtělil do výroby elektromagnetického katapultu – vystřelovacího mechanizmu největší letadlové lodi na světě Gerald Ford (viz poznámka pod článkem). Jaký je aktuální stav jednotlivých modulů 13 metrů vysokého primárního vinutí tokamaku ITER?

• K prvním třem modulům byl čtvrtý modul CS usazený v lednu 2025.
• Pátý modul usazený v září 2025.
• Šestý modul – poslední – dorazil rovněž v září 2025.
• Sedmý (náhradní) modul dokončen, čeká na transport do Marseille.

Cívky toroidálního pole

Parametry: supravodivý materiál cívek Nb₃Sn, indukce 11,8 T, proud 68 kA, energie 41 GJ; Každá cívka váží 360 tun a měří 9 m × 17 m. Výroba všech 19 cívek dokončena (včetně náhradní). Všechny cívky dodány na místo v prosinci 2023.

Cívky poloidálního pole

Parametry: supravodivý materiál cívek NbTi, indukce 6 T, proud 45 kA, energie 4 GJ, celkem 6 cívek, průměr 9 m – 24 m, hmotnost 400 tun. Všechny cívky dokončeny a dodány na místo v březnu 2024.

Korekční cívky chybového pole tokamaku (Error Field Correction Coils, EFCC)

Parametry: měď, indukce 4 T, proud 10 kA, energie 10 MJ; každá cívka měří 8 m, celkem váží 60 tun. V tokamaku ITER slouží korekční cívky chybového pole k potlačení nežádoucích magnetických asymetrií, které vznikají v reálném zařízení kvůli konstrukčním tolerancím, deformacím a nesymetriím hlavních magnetických systémů.

• 6 spodních korekčních cívek nainstalováno.
• 6 horních korekčních cívek již dodáno.
• 6 bočních korekčních cívek: výroba dokončena.

Co jsou „chybová pole?“

Ideální tokamak má axiálně symetrické magnetické pole. V praxi ale vznikají malé 3D poruchy (error fields) způsobené např.:

• nepřesným umístěním toroidálních a poloidálních cívek,
• mechanickými deformacemi konstrukce při zatížení,
• elektrickými proudy ve vodivých strukturách,
• montážními tolerancemi v řádu milimetrů.

I velmi slabé chybové pole (řádově desetitisícina hlavního pole) může:

• uzamknout magnetické ostrovy,
• vyvolat nestability,
• zhoršit stabilitu plazmatu,
• snížit dosažitelný proud a výkon.

Korekční cívky zabraňují vzniku nestabilit a ztrátě plazmatu, umožňují dosažení vysokého proudu a dlouhých výbojů. Jsou nezbytné pro realistický provoz velkého tokamaku.

Divertor

Divertor je umístěn v údolí vakuové komory. Je sestaven z 54 kazet umístěných tak, aby snesly pokud možno co největší tepelný tok z plazmatu (až 20 MW/m²). Kazeta je složena z vertikálního vnitřního a vnějšího terče, respektive kupole – dómu. Nasazuje se jedna kazeta za druhou, tedy v sérii. Prototypy jsou vyrobeny a testovány. Povrch je pokrytý wolframem. Wolfram tu byl plánován od samého počátku na rozdíl od ostatního povrchu komory, kde se původně uvažovalo o berylliu. Místo beryllia tu však bude wolfram stejně jako u divertoru. Jen bude nutná boronizace (vysátí nečistot), aby se plazma nezašpinilo a neochladlo. Divertor odstraňuje nečistoty z plazmatu a do jisté míry reguluje jeho výkon. Sériová výroba kazet probíhá.

Je docela možné, že do konce roku 2026 bude vakuová komora kompletní, čili bude svařeno všech devět sektorových modulů! Přejme to ITERu do nového roku!

Doplněk:

Porovnání centrálního solenoidu a systému EMALS, katapultu na letadlové lodi USS Gerald Ford, pro nějž byl CS vzorem.

Sdílené principy a technologie

Infografika ukazuje, jak zkušenosti fabriky General Atomics s výrobou obrovských supravodivých magnetů pro centrální solenoid tokamaku ITER byly dobře využitelné při vývoji elektromagnetického katapultu EMALS na letadlové lodi Gerald Ford. Obě technologie sdílejí principy řízení vysokých proudů, pulzní magnetické energie a precizního řízení elektromagnetických sil, i když se liší účelem, materiály a délkou pulzu. O EMALS jsme psali zde: (Ne)očekávaná aplikace výzkumu fúze: katapult na letadlové lodi | 3 pól - Magazín plný pozitivní energie