HELCZA

Jedním z lidských snů je kontrolované využití energie hvězd. Řeč je o jaderné fúzi, která je zdrojem energie naprosté většiny hvězd včetně našeho Slunce. Je to reakce, při níž se slučováním atomových jader lehkých prvků v jádra těžších prvků uvolňuje obrovské množství energie. Pro překonání odpudivých elektrických sil bránících slučování atomových jader je zapotřebí velmi vysokých teplot a tlaků. Po překonání Coulombovy bariéry již procesu slučování jader nic nebrání a přitažlivé jaderné síly převáží odpudivé elektromagnetické síly. Z fyzikálního hlediska je termojaderná fúze teoreticky zvládnutá a nejslibnějším řešením se zdá magnetické udržení plazmatu v zařízení zvaném tokamak (viz též Vesmír 92, 622, 2013/11 a 92, 242, 2013/4). Problém však představuje reálná konstrukce takového fúzního energetického zařízení. Velmi silné supravodivé magnety chlazené na teplotu –269 °C drží horké plazma o teplotě až 150 milionů °C v toroidálním magnetickém poli. Nejenže by se povrch vnitřních komponent tokamaku vystavený takto horkému plazmatu roztavil, ale znehodnotilo by se i plazma, do něhož by se dostala řada nežádoucích prvků.

Schéma experimentálního zařízení HELCZAzdroj: Centrum výzkumu Řež, www.helcza.cz

V současnosti je ve výstavbě jedno z největších experimentálních zařízení pro studium termojaderné fúze ITER. Představuje první fúzní zařízení, které by mělo vygenerovat více tepelné energie, než je třeba k zažehnutí a udržování fúzní reakce. Jeho hlavním úkolem je ověřit, že lze udržet horké plazma po dobu alespoň 7 minut a vygenerovat zhruba desetkrát více energie v podobě tepla, než bylo využito k nastartování fúzní reakce. Tokamak, jehož vakuová komora bude mít výšku 11,4 metru a vnější průměr 19,4 metru, bude schopen udržet horké plazma o objemu až 840 m³. Na výstavbě tohoto mezinárodního fúzního reaktoru se společnými silami podílejí členové mezivládní organizace ITER, tj. Evropská unie, Čína, Japonsko, Indie, USA, Rusko a Jižní Korea.

Jednou z nejdůležitějších komponent tokamaku ITER je tzv. první stěna, která je nejblíže k horkému plazmatu. Ta je poskládána z jednotlivých panelů tak, aby tvořily rovnoměrné stínění proti tepelnému a neutronovému záření z plazmatu. Panely mohou být při nestabilitách plazmatu vystaveny velmi vysokým tepelným tokům v řádu desítek MW/m2, a je tedy nezbytné, aby byly vyrobeny s mimořádnou inženýrskou přesností. Fyzikální a mechanické podmínky, kterým budou panely první stěny vystaveny, jsou natolik extrémní, že je nutné je před použitím v jaderném zařízení pro takovou zátěž kvalifikovat. A právě pro tyto účely bylo v Plzni postaveno experimentální zařízení nazvané HELCZA (High Energy Load Czech Assembly). HELCZA je experimentální zařízení Centra výzkumu Řež pro cyklické tepelné testování komponent vysokým tepelným tokem a je primárně zaměřeno na testování komponent přímo vystavených horkému plazmatu (tzv. plasma-facing komponent) a určených pro experimentální fúzní reaktor ITER. Mezi tyto komponenty patří právě panely první stěny.

Schéma fúzního reaktoru ITER zdroj: Fusion for Energy, www.fusionforenergy.europa.eu/the-device/

Zařízení HELCZA se skládá z velké vakuové nádoby, elektronového děla směřujícího do vakuové nádoby, výkonného vakuového systému, elektromagnetických cívek umožňujících usměrňování elektronového svazku, sofistikovaného diagnostického vybavení, 3D kinematického systému pro naklápění a rotaci testované komponenty a z řady další podpůrných systémů.

Elektronové dělo s maximálním výkonem 800 kW je schopno produkovat intenzivní svazek elektronů, který simuluje tok energie na testovanou plochu (například právě panel první stěny) o velikosti až 40 MW/m². Elektronový svazek děla je navíc směrovaný cívkami, což umožňuje v rychlých cyklech rovnoměrně ozařovat celý testovaný vzorek. Skenovací frekvence elektronového paprsku 20 kHz v horizontálním i vertikálním směru a rozptylový úhel ±40° od osy děla navíc zaručují rovnoměrné zahřívání povrchu vzorku o ploše až 4 m².

Unikátní zařízení HELCZA dále disponuje vakuovou nádobou a výkonným vakuovým systémem složeným z několika mechanických a kryogenních vývěv, který umožňuje dosažení vysokého vakua. To je nezbytné pro funkčnost zařízení – při narušení vakua svazek ztrácí svou energii kvůli zvýšené rekombinaci elektronů s prostředím. Paradoxně se však při vyšším vakuu svazek rozostřuje vlivem coulombovských sil. Proto je nutné udržovat ve vakuové nádobě malý tlak pracovního plynu (přibližně 10^–2 Pa), který slouží k tomu, že svazek elektronů má dostatečné množství částic na ionizování své cesty k testovanému vzorku – postup částečně připomíná princip blesku.

Instalace testované komponenty do vakuové nádoby zařízení HELCZA 

Snímek Centrum výzkumu Řež

Testované vzorky se velmi rychle ohřívají vysokým výkonem elektronového děla a je nutné je v průběhu testování chladit, aby se neroztavily. Proto je HELCZA vybavena velmi výkonným chladicím systémem. Maximální dosažitelné parametry chladicí vody představuje teplota 320 °C, tlak až 15 MPa a průtok 40 m³/h. Nicméně reálně se používá výrazně nižších parametrů – například pro testování panelu první stěny ITER stačí vstupní teplota chladicí vody 70 °C, tlak 3,16 MPa a průtok 21 m³/h. V souvislosti s propojením vysokotlakého chladicího systému s testovanými vzorky uvnitř vakuové nádoby bylo nutné vyřešit problém specifického spojení těchto komponent. Centru výzkumu Řež se podařilo vyvinout vlastní systém pro utěsnění vysokoteplotního chladicího okruhu uvnitř vakuové nádoby, aby během testování nedocházelo k narušení vhodného tlaku a k ztrátě toku energie dodávaného na povrch vzorku.

Celá technologie je monitorována a řízena centrálním diagnostickým a řídicím systémem. Diagnostika na zařízení HELCZA obsahuje infračervené kamery, kamery s vysokým rozlišením, rentgenovou kameru, jedno a dvoubarevné pyrometry, termočlánky, průtokoměry a tlakoměry. Rentgenová kamera umožňuje sledovat polohu elektronového svazku na povrchu vzorku pomocí zpětně odraženého rentgenového záření, a je tedy využívána jako hlavní diagnostický prvek pro monitorování homogenity aplikovaného tepelného toku. Infračervená kamera umožňuje sledovat vývoj povrchové teploty vzorku, k čemuž slouží také pyrometr, který nezávisle ověřuje teplotu testovaného vzorku. Řídicí systém může sledovat nejenom parametry vzorku, jako jsou např. povrchová teplota, kalorimetrické měření absorbovaného tepelného toku a další (např. homogenita aplikovaného tepelného toku), ale i parametry související s ochranou samotného zařízení (např. sleduje tlak, aby nedošlo k jeho prudkému nárůstu uvnitř vakuové komory, k poklesu tlaku chlazení, přehřátí vakuové komory apod.).

Pohled na víko vzorkuSnímek Centrum výzkumu Řež

Panely první stěny fúzního reaktoru ITER jsou specifické tím, že jejich povrch je z berylia, které se z hlediska materiálových vlastností ukazuje jako vhodný kandidát pro použití v tokamaku. Nicméně při tepelném namáhání panelů první stěny vysokým tepelným tokem se uvolňují prachové částice berylia, jež jsou karcinogenní. Aby se minimalizovalo jejich šíření jak při testování panelů první stěny v HELCZA, tak při manipulaci s nimi na pracovišti, bylo kolem zařízení HELCZA vybudováno speciální chemicky kontrolované pásmo, které se skládá z několika vzájemně propojených místností. Ty byly navrženy tak, aby se zabránilo jakékoliv kontaminaci okolního prostředí. Výkonný vzduchotechnický systém zachycuje s vysokou účinností mikročástice (HEPA filtrací) a zabezpečuje, aby kontaminace byla soustředěna v prostorách, kde se tyto částice hlavně uvolňují, tj. zejména v místnosti s vakuovou nádobou zařízení HELCZA. Zároveň byla pro zajištění bezpečnosti v chemicky kontrolovaném pásmu vybudována speciální analytická laboratoř. Ta je zapojena do mezinárodního programu BePAT (Beryllium Proficiency Analytical Testing), kde dosahuje vynikajících srovnávacích výsledků.

Na zařízení HELCZA se v současnosti testují prototypové panely první stěny. Naše výsledky přispějí k výběru technologie výroby a dodavatelů těchto panelů pro ITER. Přestože je zařízení HELCZA vyvinuto primárně pro potřeby projektu ITER, jeho unikátní parametry umožní vyvíjet a testovat i další vysoce tepelně namáhané komponenty pro jiné aplikace, například pro vesmír.