Čínský česnek nechci…

…ale čínské cívky pro tokamak ano

Je s podivem, jak i v lidské mysli funguje inerce, neboli setrvačnost. Novodobá Čína byla synonymem laciných značek čehokoli (nejčastěji kopií). Donedávna. Přesto se stále najdou lidé, pro které je čínský česnek synonymem podřadné kvality, šmejdu a šetření za každou cenu. Myslíte ale, že partnerství ITER organization by mezi sebe přijalo rozvojovou zemi? Odvěký sen lidské společnost – vyrábět energii z ničeho, pardon z vody – se totiž pokouší splnit sedm nejvyspělejších státu na světě!

Čínský Ústav fyziky plazmatu ohlásil zahájení výroby dvou elektromagnetických cívek pro mezinárodní projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Mezinárodní termonukleární experimentální reaktor). A co na tom stojí za pozornost? Elektromagnetických cívek bude mít ITER přece celou řadu – většinou ze supravodivého materiálu – nezřídka aspirující na zápis do knihy rekordů: největší průměr, největší hmotnost, největší…

Cívky eliminují zhoubné nestability typu „vertikální posun“

Čínské cívky nemají ani rekordní poloměr, ani hmotnost a dokonce ani nejsou ze supravodivého materiálu! Tak zvané „in-vessel coils“ jsou nicméně pověřeny důležitou funkcí! Tu splní, pokud eliminují zhoubné nestability typu VD (vertical displacement = vertikální posun – rozumí se plazmového provazce). Tyto cívky proto nesou název VS (vertical stabilization = vertikální stabilizace) a pro jiny typ nestabilit jsou připraveny cívky ELMs. (Edge Localised Modes – mody/nestability vyskytující se na okraji plazmatu). Nestability plazmatu vedou ke ztrátě jeho energie, někdy k úplnému zániku plazmatu. K tomu se připojuje větší či menší poškození první stěny vakuové komory.

Dvě prstencovité cívky potlačující nestabilitu VD jsou umístěny v horní a dolní části vakuové komory. Ano, uvnitř. Podobně najdeme uvnitř komory, dokonce ve třech řadách, 27 cívek ELM potlačujících nestabilitu okrajového plazmatu (nad a pod rovníkem, a na největším průměru vakuové komory, tj. po obvodu rovníku). Cívky ELM vnášejí řízené poruchy na okraj magnetického pole a minimalizují výtrysky energie končící svoji pouť na komponentách „vidících“ plazma. Pokud objem ELM uvolní jistou velikost proudu, lze tyto cívky využít k potlačení dalších nestabilit, tak zvaných Resistive Wall Mode (RWM).

Druhý systém cívek zabezpečuje rychlou vertikální stabilizaci plazmatu ve spolupráci s vnějšími cívkami poloidálního pole číslo 2 až 5 (cívek poloidálního pole je celkem šest), a to použitím zdroje pro vertikální stabilizaci VS-1 a s dvěma cívkami centrálního solenoidu CS2U a CS2L. Centrální solenoid = primární vinutí tokamakového transformátoru má rovněž šest autonomně napájených částí. Zde se uplatní zdroj VS-2.

Montáž všech cívek představuje tvrdý oříšek. Hlavními problémy jsou nedostatek prostoru, za provozu pak tepelné a neutronové namáhání.

Vývoj od roku 2008

Cívky začala v roce 2008 vyvíjet „fúzně-úspěšná“ laboratoř PPPL – Princeton Plasma Physics Laboratory z USA. Čína, USA a jméno inženýrky Anny Eečevové, odpovědné za vývoj cívek v PPPL, jen dokresluje mezinárodní charakter rodících se originálních technologií pro tokamak ITER – internacionálního projektu tisíciletí. Poslední slovo má ITER organization, pečující o integraci, komunikaci, montáž a instalaci, stejně jako o harmonogram a logistiku výroby vnitřních cívek.

Cívka hmostnosti Boeingu 747-300

Žádné elektromagnety, ve fúzní terminologii žádné cívky, nemá ITER jednoduché. Jedna z osmnácti cívek toroidálního pole má hmotnost plně naloženého Boeingu 747-300, tj. 360 tun. Cívka číslo 4 sestavy poloidálního pole má průměr 26 metrů, nelze ji transportovat a bude se proto navíjet přímo na místě, kde bude reaktor umístěn.

Cívky uvnitř vakuové komory se musejí na jedné straně vyrovnat se stísněným prostorem a na straně druhé s přísnou tolerancí. Proto závity cívek VS potřebují velký rádius mnoha závitů, závity cívek ELM však naopak rádius malý. Po svaření devíti segmentů vakuové komory bude jednou z prvních akcí připevnění cívek dovnitř vakuové komory. Cívky tam nebudou samy – svářeči se budou muset vyrovnat s přítomností testovacích modulů obalu či čidel diagnostik. Výroba těchto cívek, stejně tak jako většiny ostatních komponent, vyžaduje nové technologie a nové postupy. úspěch výroby tedy spočívá na bedrech výzkumných institucí, nezřídka se zabývajících tzv. základním výzkumem.

Zkoušky již v březnu, instalace do roku 2019

Výroba obou prototypů v Ústavu fyziky plazmatu Čínské akademie věd skončí letos, zkoušky v PPPL mají termín v březnu 2014.

Na posledním zasedání Poradní komise pro vědu a technologii STAC (Science and Technology Advisory Committee), která „radí“ ITER organization, bylo doporučeno interní cívky zařadit do základního programu činnosti ITER.

Instalace systému vnitřních cívek do vakuové komory ITER musí proběhnout do roku 2019!

Režim vysokého udržení

„Čínský tokamak spoutal horké plazma po rekordní dobu 30 sekund,“ objevilo se 2. prosince 2014 na stránkách www.rozhlas.cz. Rekordní doba? Ano i ne. Před více než deseti roky dokázal japonský tokamak TRIAM horké plazma udržet po více než 1000 sekund. V čem byl tedy výsledek čínského tokamaku EAST výjimečný? To se v článku čs. rozhlasu nedozvíte.

Mazlíček – H-mód

Známkou kvality fúzního zařízení a vyspělosti vědeckého týmu je dosažení tak zvaného režimu vysokého udržení, jinak H-módu (pražský tokamak COMPASS dosáhl režimu H-módu již v roce 2012). A právě tento režim se podařilo čínským vědcům na jejich prvním celosupravodivém tokamaku na světě udržet oněch 30 sekund. Jak? Ohřáli plazma elektromagnetickými vlnami na frekvenci radiových vln, přesněji na dolně hybridní frekvenci. Plazma, zejména plazma v magnetickém poli, má řadu význačných, jak se říká rezonančních frekvencí. Dolně hybridní frekvence ω_d je kombinací ω_d = (ω_ci x ω_ce)^1/2 základních rezonančních frekvencí, zde iontové ω_ci a elektronové cyklotronové ω_ce frekvence.

Dosud vybuzený režim H-módu ztroskotal na zhoubných nestabilitách okraje plazmového provazce, které vystřelovaly chuchvalce plazmatu skrze „prázdný“ prostor mezi plazmatem a materiálem komory na její stěnu. Jde o jev podobný známým slunečním protuberancím, ovšem s 10¹⁹ krát menší energií. Nicméně i tak je to jev velmi nepříjemný, neboť odebíral plazmatu energii a poškozoval stěny vakuové nádoby. Což ve svém důsledku vedlo k zániku hýčkaného režimu H-módu. Dolní hybrid ale vybudil v okrajovém plazmatu elektrické proudy, které zvrásněly původně hladký magnetický povrch, do jisté míry módy ELMs potlačily a H-mód přežil mnohem déle než bez zásahu „dolního hybridu“.

Tokamak EAST pro tokamak ITER

Stejným tématem se zabývají američtí vědci laboratoře General Atomic na tokamaku D-III, kde používají k potlačení nestabilit ELM vnější, tzv. rezonanční cívky. Čínští vědci v Hefai s kolegy z Německa, Francie i USA úzce spolupracují. Objev je o to cennější, že tokamak EAST patří, stejně jako pražský tokamak COMPASS, do rodiny tokamaků podobných gigantu ITER, který buduje mezinárodní konsorcium ITER organization ve francouzském Cadarache. Jinými slovy, významný výsledek tokamaku EAST bude moci použít i tokamak ITER, který v budoucnu počítá s přítomností „dolního hybridu“! Pokud se výsledky čínského tokamaku EAST potvrdí, je možné, že dolně hybridní elektromagnetické vlny dostanou na tokamaku ITER při potlačování nestabilit ELM přednost před „neohrabanou“ montáží, resp. použitím vnějších rezonančních cívek.

Pozn. autora na závěr
Nevím, zda se v Hefai pěstuje česnek, ale vím, že se tam pěstuje fyzika, konkrétně fyzika plazmatu, na té nejvyšší úrovni. Na takové úrovni, že bych tamním zemědělcům, drobný prohřešek v souvislosti s kvalitou česneku rád odpustil. Naštěstí nemusím. Čínský česnek je kvalitnější a dvakrát lacinější než česnek od českých farmářů. Ti ostatně, chtějí-li uspět v konkurenci, postupným vývojem dospějí k metodám čínských fyziků, pardon pěstitelů česneku! Ostatně: nedávno jsem nakoupil český česnek na křižovatce před Bezděčínem na Mladoboleslavsku. Více než 50 % ho putovalo do popelnice. Takže: Číňani umí vyrobit jak VS tak ELM cívky a také udržet H-mód! Kupujte čínský česnek!