Materiály a výroba výbojové komory tokamaku iter

Vakuová komora pro experimentální fuzní zařízení ITER, které 6 vědecky a průmyslově nejvyspělejších států světa včetně EU staví ve Francii, přesáhne hmotnost 5000 t. Spolu s přírubami, to je spojovacími „tunely“ mezi prostorem pro horké plazma a vnějším prostorem a stíněním supravodivých elektromagnetů před produktem fúze izotopů vodíku: deuteria a tritia – vysokoenergetickými neutrony. Komoru tvoří devět segmentů, z nichž dva vyrobí Jižní Korea a zbývajících sedm Evropská unie. Segment s otvorem ve tvaru písmene D má rozměry: vnější průměr 19,4 m, vnitřní průměr 6,5 m; po sestavení bude komora 11,3 m vysoká a výroba celé nádoby předpokládá toleranci 20 mm. Hmotnost jednoho segmentu bude 450 t. Reaktorová nádoba pro ITER bude 16krát hmotnější než nádoba největšího tokamaku na světě – evropského tokamaku JET z Vědeckého centra v Culhamu. Není v silách jediné firmy výrobu 7 „evropských“ segmentů zvládnout. V současné době pracuje konsorcium čtyř společností na nabídce, kterou předloží evropské agentuře pro ITER – F4E (Fusion for Energy). S podpisem smlouvy se počítá v průběhu letošního nebo příštího roku. Konsorcium tvoří firmy Davy Markham, Metalcraft, AMEC, The Welding Institute. Davy Markham, Sheffield, je specialista na výrobu a obrábění velkých kusů, Metalcraft, Cambridge, se zabývá inženýrskými konzultacemi, AMEC segmenty navrhne a bude zajišťovat programové služby a konečně The Welding Institute umí svařovat elektronovým paprskem. Metalcraft a Davy Markham již spolupracovaly na zařízeních pro zobrazování pomocí magnetické rezonance (MRI – Magnetic Resonance Imaging) v Rutherfordově laboratoři v Appletonu. Metalcraft má zkušenosti s výrobou vakuových a ultravakuových komor pro urychlovač se vstřícnými svazky Large Hydron Collider již postavený v CERN. 44 přírub bude umístěno ve třech patrech. Horní patro má 18, rovníkové 17 a dolní patro má 9 přírub. Na výrobu přírub podepsal s ITER Organization smlouvu Kurčatovův ústav v Moskvě. Obal (blanket) vakuové nádoby tokamaku ITER bude plnit tři úkoly: má plodit tritium, extrahovat tepelnou energii uloženou fúzními neutrony a konečně má přispívat ke stínění supravodivých magnetů před těmito neutrony. Jako základní materiál pro výrobu obalu vakuové komory (blanket) se zřejmě použije nízkoaktivovatelná feriticko-martensitická ocel EUROFER, což je slitina železa a chromu. Její vlastnosti studuje tým v UKAEA vedený prof. Sergejem Dudarevem. Skupina se zaměřila na odstranění nepříjemné vlastnosti oceli, která v okolí 500 °C měkne, čili ztrácí pevnost. Čisté železo teče ovšem až při 1538 °C. Vyvinout ocel odolávající vysokým teplotám vyžaduje porozumět mikroprocesům při měknutí oceli. K tomu slouží metoda Magnetic Cluster Expansions (MCE) vyvinutá v UKAEA během projektu Radiation Effects Modelling and Experimental Validation (MAT-REMEV). Supravodivé cívky bude nutno stínit před neutronovým tokem fúzního plazmatu. Sto kusů stínicích modulů, každý o hmotnosti cca 3 až 4 t, včetně tvarování a otvorů má zajistit US ITER Office, což je americká domácí agentura pro ITER. Oak Ridge National Laboratory (ORNL) a US ITER Project Office (USIPO) spolupracují na vývoji oceli, která by se nechala odlévat do tvaru vyžadujícího minimum obrábění, a to beze ztráty pevnosti. Při obrábění se zničí až 30 % materiálu a kvazipřesné odlévání by mělo zmenšit náklady o 20 až 40 %. Nízkoaktivovatelnou feritickomartensitickou ocel pro ITER začala vyvíjet i indická společnost Mishra Dahtu Nigam Ltd. (MIDHANI). Při stavbě ITER reprezentuje Indii Department.of Atomic Energy. Obal tvoří 440 segmentů 1 x 1,5 m o hmotnosti 4,6 t. Stěna obalu „vidící“ plazma, tak zvaná odmotovatelná první stěna pokrytá beryliem bude muset odolávat značnému tepelnému namáhání. Neutronový stínicí štít bude z mědi a nerezové oceli. Testování kvalifikačního modelu komponent obalu vyrobených v Koreji a Rusku probíhá v Ústavu jaderného výzkumu Řež. Úspěšně proběhla více jak polovina z požadovaných 12 000 cyklů o výkonové hustotě ? 0,62 MW/ m2. Vzorky z USA a EU jsou již otestovány. Podobné testy probíhají v Národní laboratoři Sandia v Albuquerke. Není vyloučené, že Ústav jaderného výzkumu Řež, a.s. bude koordinátorem výroby komponent obalu. ÚJV Řež je členem asociace České republiky k EURATOM, v rámci které se Česká republika účastní evropského fúzního programu včetně projektu mezinárodního tokamaku ITER. Koordinátorem asociace je Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i. Dalším a konečným krokem zkoušek bude výroba a tepelné testy prototypu panelů první stěny téměř skutečné velikosti. Prototypy se všemi podstatnými rysy opravdového panelu první stěny se začnou vyrábět začátkem příštího roku. Dne 9. června 2009 podepsali akademik E. Velichov, ředitel Kurčatovova ústavu v Moskvě a Kanamo Ikeda, generální ředitel ITER organization dohodu o dodávce horního věnce průchodů a tak zvané kupole divertoru tokamaku ITER – viz obrázek. Tokamak ITER bude opásán třemi věnci celkem 44 průchodů: horní věnec, rovníkový a dolní věnec. Celkem 18 průchodu horního věnce vyrobí Rusko. Každý průchod měří 2,5 x 5 m v průřezu na vnější straně tokamaku a 1,5 x 1,5 m na vnitřní straně. Průchod je 6 m dlouhý. K čemu průchody slouží? Spojují vnější prostor a prostor uvnitř výbojové komory. Umožňují kupříkladu montáž diagnostiky a vysokofrekvenčního ohřevového systému. Skrze průchody prochází trubky s chladicím médiem a cívky elektromagnetů pro potlačení nestabilit plazmatu. Smlouvu na dodávku průchodů rovníkového a dolního věnce podepsala minulého listopadu Jižní Korea. Kupole je část divertoru – zařízení, které zbavuje plazma nečistot včetně „spalin“, to je helia. Divertor je tepelně nejvíce namáhaná část „první stěny“ výbojové komory tokamaku. „První stěna“ divertoru je vyrobena z wolframu a uhlíkového kompozitu. Chlazena je tlakovou vodou.