Diamantová okna pro tokamak ITER

Ohřev plazmatu v tokamacích na základní úrovní zajišťuje elektrický proud tekoucí plazmatem. Při vyšších teplotách díky rostoucí vodivosti plazmatu je ohmický ohřev neúčinný a je třeba použít tak zvaný dodatečný ohřev. Dnes se používá vstřik energetických neutrálních částic, které svoji usměrněnou energii předávají částicím plazmatu srážkami. Tím plazma ohřívají a ohřev pomocí vysokofrekvenčního elektromagnetického pole s frekvencemi v oblasti rezonančních frekvencí plazmatu, ať už to je ohřev rádiovými vlnami v oblasti rezonanční frekvence (nebo jejich násobku) cyklotronového pohybu elektronů v magnetickém poli (typicky 60 až 170 GHz v závislosti na intenzitě magnetického pole v zařízení), nebo ohřev pomocí rezonance s ionto-cyklotronovou frekvencí, kdy se do plazmatu vstřikují elektromagnetické vlny s frekvencí v oblasti ionto-cyklotronové (typicky několik desítek MHz). Ohřev je možný i na smíšené frekvenci dolně hybridní, což jsou vlny v plazmatu s frekvencí mezi iontovou a elektronovou cyklotronovou frekvencí. Pro největší tokamak ITER, který 7 států EU, Rusko, USA, Japonsko, Čína, Jižní Korea a Japonsko staví na jihu Francie v oblasti Cadarache se počítá s dodatečným ohřevem na všech jmenovaných frekvencích. Iontocyklotronový ohřev na frekvenci 50 MW/ (40 až 55 MHz), dolněhybridní ohřev na frekvenci 48 MW / 5 GHz a konečně ohřev na elektronové cyklotronové (EC) frekvenci 170 GHz s výkonem vstupujícím do plazmatu čtyřmi přírubami po 20 MW. EC frekvenci, to je nejvyšší ohřevovou frekvenci, budou generovat v Japonsku vyrobené gyrotrony. Gyrotrony budou umístěny 100 m od vstupního okna do výbojové komory ITER, aby se vyloučily poruchy magnetickým polem. Jak gyrotron, tak výbojová komora jsou evakuovány, takže EC výkon přechází z vakua gyrotronu do atmosféry 100 m dlouhého vlnovodu a konečně z atmosféry vlnovodu do vakua výbojové komory. Vakuové přechody tvoří diamatová okna! Okna nemohou být z „normálního“ skla, neboť jako špatný vodič by část vf výkonu vyděleného na okně ve formě tepla, nedokázalo odvést a roztavilo by se. Diamant je po optické, tepelné a strukturní stránce pro tato okna ideální materiál. Ovšem materiál poněkud drahý. Plazma v ITER bude ohřívat 24 gyrotronů a bude zapotřebí 80 diamantových oken – 56 pro výbojovou komoru a 24 pro gyrotrony. Diamantové okno je 1,1 mm silné a průměr má mezi 67 a 106 mm. Cena jednoho okna se pohybuje mezi 30 a 100 000 eur. Výroba okna ze syntetického diamantu je pomalá – vyrábí se z uhlíkového plazmatu ohřívaného podobně jako plazma ITER pomocí EC vln. Krystal tloušťtky 1,1 mm roste dva týdny. Diamantová okna jsou nyní testována společně v Foschungzentrum Karlsruhe (FZK) v Německu a v Japan Atomic Energy Agency (JAEA). Ing. Milan Řípa