Tokamak COMPASS v Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd České republiky

Vskutku si Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i. nemohl přát lepší dárek k 50. narozeninám. Dne 19. února za účastí představitelů EURATOM, Ministerstva školsví, tělovýchovy a mládeže i akademické obce se v jeho pražském areálu uváděl do fyzikálního provozu tokamak COMPASS, který za symbolickou jednu libru dostal z anglického Výzkumného střediska Culham. V roce 2007 získal Ústav fyziky plazmatu v rámci evropské spolupráce se souhlasem EURATOM od anglické UKAEA (United Kingdom Atomic Energy Authority) tokamak COMPASS, jistě s přihlédnutím k výborným výsledkům při studiu vysokoteplotního plazmatu. Dne 1. dubna 2008 byl pak COMPASS, umístěný v nově postavené budově v areálu AV ČR Mazanka v Praze, slavnostně inaugurován a tedy 19. února 2009 uveden do fyzikálního provozu. Výstavbu nové budovy a potřebných nových systémů tokamaku finančně podpořila vláda České republiky, EURATOM, Akademie věd ČR a nemalými vlastními prostředky i ústav. V prosinci 2008 byly komplexní technické zkoušky tokamaku úspěšně završeny generováním výboje horkého plazmatu. Začíná tak nová, a věříme že neméně úspěšná, etapa práce ústavu v oblasti vysokoteplotního plazmatu a jaderného slučování. COMPASS (COMpact ASSembly) byl spuštěn v Culham Science Centre roku 1989 původně s kruhovým průřezem výbojové komory. Posláním programově přizpůsobivého tokamaku střední velikosti byly studie MHD nestabilit. Obecně lze v magnetohydrodynamickém přiblížení doložit, že z hlediska doby udržení energie je výhodnější trojúhelníkový průřez a tvar je vhodný pro montáž divertoru, což je zařízení sloužící k čistění plazmatu a regulaci jeho výkonu. Především poslední skutečnost, to je instalace divertoru, vedla k přestavbě a COMPASS s komorou protáhlého trojúhelníkového průřezu byl spuštěn v roce 1992. Nekruhové průřezy začaly studovat v laboratoři General Atomic již v roce 1978 v sérii Doublet a mají je prakticky všechny velké tokamaky včetně mezinárodního tokamaku ITER, který se staví v Cadarache. Po několika letech vynikajících výsledků na zařízení COMPASS dokázal britský tým obhájit stavbu a provoz většího, ambicióznějšího tokamaku MAST, který byl v Culhamu spuštěn v roce 1999. Vzhledem k omezeným finančním i personálním prostředkům bylo nakonec nutné provoz COMPASSu přerušit. UKAEA Fusion nejprve hledala zájemce, který by chtěl COMPASS provozovat přímo v Culham Science Centre. Protože se žádný takový zájemce nenašel, začalo jednání o možném převozu nejprve s Polskem – jako největším novým státem Evropské unie. Polsko ovšem nemá žádné zkušenosti s provozem tokamaků (má tradici v oboru velkého zařízení plasma focus, což je zcela odlišný experiment) a zřejmě proto jeho odborníci nedokázali pro projekt zajistit dostačující finanční a lidské zdroje. Mezitím jsme již na potenciální nabídku byli poměrně dobře připraveni v našem Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd a v roce 2005 jsme přijali oficiální nabídku UKAEA na převzetí tokamaku COMPASS. V každém případě to bylo rozhodnutí na hranicích našich možností. Bylo třeba v šibeničním termínu zajistit potřebné finanční prostředky a postavit novou budovu. ÚFP si bylo vědomo, že rozebrat, přestěhovat, složit a uvést do provozu tokamak COMPASS nebude snadné. Nejen zprovoznit původní zařízení, ale vybavit ho zcela novými energetickými systémy, novou logistikou, vším co nebylo možné dovést z Anglie spolu s vlastním tokamakem, neboť tyto systémy byly využívany pro tokamak MAST. To vše a ještě něco přidat navrch. Tím vylepšením bude „výkonnější“ diagnostika a systém dodatečného ohřevu pomocí dvou injektorů energetických neutrálních částic. Naštěstí nám nechyběly dlouholeté zkušenosti s převozem a provozem menšího tokamaku CASTOR, ani s převozem velkého a komplikovaného laserového zařízení PALS. COMPASS je menší variantou tokamaku ITER, zejména konfigurace silného magnetického pole je v obou zařízeních shodná v měřítku 1:10. Není to termonukleární reaktor, slouží pouze k fyzikálnímu výzkumu. Při své velikosti ještě nemůže uvolňovat termonukleární energii, je zato jedinečným experimentálním nástrojem k podobnostním studiím. V rámci těchto studií dodává menší, tedy levnější a přizpůsobivé, zařízení řadu dat nutných k lepšímu pochopení chování plazmatu ve velkých tokamacích a často jako první ověřuje nové vědecké a technické myšlenky. Studium okrajového plazmatu probíhalo již na menším tokamaku CASTOR, který v ÚFP pracoval do loňského roku. COMPASS nabízí něco, co CASTOR nebyl schopen poskytnout a co je dnes základem pro každého moderního fúzního fyzika: generaci vnější transportní bariéry, to je přechod do H-módu – do režimu s vysokým udržením energie plazmatu. Nové výsledky oproti Anglii se v Česku očekávají zejména díky instalaci vzájemně nastavitelných injektorů neutrálních částic. Bude se zkoumat možnost ovlivnění nestabilit okrajového plazmatu ELM (Edge Localized Modes) pomocí unikátního plně konfigurovatelného čtyřkvadrantového souboru sedlových cívek pro vytváření rezonantních helikálních polí, které tvoří příslušenství COMPASS. Praha se bude podílet i na počítačovém modelování turbulence doprovázející ELM. Rozměry tokamaku COMPASS jsou navíc zárukou pružnosti a ekonomičnosti co se týče neplánovaných zásahů do výzkumného programu. Tokamak COMPASS v UKAEA vyžadoval elektrický příkon 50 MW po dobu 2 až 3 s. Takový výkon je v Culham Science Centre dostupný přímo z vysokonapěťové rozvodné sítě, která napájí i tokamak JET. Avšak v areálu Akademie věd v Praze, kde se nachází ÚFP, je ze sítě 22 kV dostupný pouze výkon 1 MW. Z toho důvodů je jasné, že se bude muset energie pro experiment nějakým způsobem akumulovat. Zvažovalo se několik řešení, která by požadovaný příkon zabezpečila. Nakonec zvítězila varianta akumulovat energii více než 40 MJ (90 MJ pro plný výkon) z existující veřejné sítě tzv. setrvačníkovým (rázovým) generátorem (podobný systém jako na tokamacích JET, ASDEX-U, JT-60U, TCV atd.). Instalovaly se celkem dva setrvačníky – rázové generátory: jeden pro napájení cívek toroidálního magnetického pole a druhý pro cívky poloidálního magnetického pole, generátory svazků neutrálních částic a generátor elektromagnetického pole na dolněhybridní frekvenci. Druhý setrvačník může zároveň sloužit jako záložní a tím zvýšit spolehlivost provozu. Nejvíce energie spotřebují cívky toroidálního a poloidálního pole. Plazma je vytvořeno a ohříváno standardním ohmickým ohřevem při průchodu výbojového elektrického proudu plazmatem a případně dodatečným ohřevem a neinduktivně generovaným proudem. Proudy v cívkách TF a PF jsou nastaveny podle předem požadovaného profilu elektrického proudu v plazmatu. Pomalé (cca 100 Hz) zpětnovazební signály řídí výstupní proud AC/DC konvertorů. Rychlé (5 kHz) zesilovače výkonu řídí polohu plazmatu. Činnost všech částí výkonového systému je řízena a monitorována počítačem. Výkonový systém bude uveden do provozu ve dvou krocích. V první etapě bude proud v cívkách TF omezen na 52 kA s plochou fází trvající 1 s. V druhé etapě vzroste proud v cívkách TF až na 92 kA s plochou fází trvající 0,5 s. Kompletní elektrotechnické zařízení tokamaku COMPASS vyrobily společnosti ČKD GROUP. Areál Akademie věd v Praze 8 tím dále rozvíjí svůj vědeckovýzkumný potenciál, který dává české vědě reálnou šanci zařadit se mezi špičky fúzního výzkumu. Milan Řípa