Niewłaściwe okablowanie przyczyną wstrzymania budowy reaktora termojądrowego

fot. ITER

Usunięto największą przeszkodę konstrukcyjną w budowie reaktora ITER

W największym europejskim projekcie naukowo-badawczym – reaktorze fuzyjnym ITER usunięto ostatnią poważną przeszkodę konstrukcyjną, na nowo opracowując całe okablowanie magnesów nadprzewodzących utrzymujących plazmę. Będzie można kontynuować budowę reaktora, wstrzymywaną od jesieni 2011.

Okablowanie magnesów było największą jak dotąd przeszkodą konstrukcyjną w budowie reaktora fuzyjnego czyli tokamaka ITER. Testy i porównania z planem reaktora wykazały, że przy obecnej konstrukcji program dysponuje zaledwie 10 proc. potrzebnych kabli. Inne mają niewłaściwą długość bądź wytrzymałość.

Badania kabli nadprzewodzących przeprowadzono w ub. r. w Szwajcarii, w laboratorium SULTAN, należącym do Paul Scherrer Institute w Villingen. W czasie testów. polegających na oddziaływaniu silnym polem magnetycznym i prądem o wysokim natężeniu, okazało się, że materiał kabli ulegał degradacji już po 6 tys. cykli, podczas gdy według specyfikacji technicznej minimalna ilość cykli bez degradacji miała wynosić 60 tys.

Konieczne było więc opracowanie na nowo całego okablowania najważniejszego elementu reaktora – cewek. Cewki te generują silne pole magnetyczne utrzymujące w komorze reaktora zawieszoną plazmę o temp. 150 mln st.C. Są wytwarzane z nadprzewodzących przewodów, wykonanymi głównie z niobku cyny (Nb3Sn).

Brakujące przewody przeznaczone było dla głównego solenoidu – cewki, znajdującej się w centrum urządzenia, generującej strunie plazmy w komorze o kształcie torusa. Dla solenoidu niezbędne jest około 36 km kabli nadprzewodzących, ważących łącznie ok. 1 tys. ton.

Dotychczasowa konstrukcja przewodów opracowana w Japonii, składała się z pojedynczych włókien nadprzewodnika i przekroju mniejszym niż milimetr. Trzy takie włókna, złożone razem, tworzyły triplet, zaś 192 triplety powiązane razem w metalowej koszulce tworzyły właściwy kabel. W japońskim triplecie dwa włókna składały się z Nb3Sn, zaś jedno – z czystej miedzi.

Miało to chronić przed utratą nadprzewodnictwa, w momencie utraty własności przez włókna z niobku cyny. Wtedy prąd przepływałby głównie przez włókna z miedzi nie powodując zniszczeń. Japońska konstrukcja oznaczała jednak, że w każdym triplecie w normalnym reżimie pracy działają tylko dwa włókna wykonane z Nb3Sn. Muszą one przenosić całe natężenie prądu konieczne do wytworzenia pola magnetycznego niezbędnego do prawidłowego działania cewek.

Jak zaproponował międzynarodowy zespół naukowy inżynierów i fizyków, uczestniczących w projekcie ITER, pracujący pod kierownictwem prof. Neila Mitchella nowe przewody skonstruowano z trzech włókien wykonanych z kombinacji Nb3Sn z czystą miedzią. Próbną partię nowych włókien wykonała brytyjska firma Oxford Instruments razem z dwoma firmami – francuską i niemiecką. Testy, wykonane w laboratorium SULTAN wykazały, że po przejściu 10 tys. cykli okablowanie nie uległo degradacji.

Jednak nowe okablowanie będzie o wiele droższe w produkcji niż pierwowzór, stąd rozpoczęły się już rozmowy z Japonią, który to kraj w ramach projektu jest odpowiedzialny za budowę głównego solenoidu. Innym problemem jest, spowodowane koniecznością okablowania całego solenoidu na nowo, opóźnienie w budowie reaktora. Jak jednak powiedział Science prof. Neil Mitchell opóźnienia spowodowane trzęsieniem ziemi i tsunami w Japonii w 2011 roku, spowodowały iż uruchomienie reaktora już wcześniej przesunięto na koniec 2020 roku.

Projekt ITER od początku istnienia trapiony jest awariami i problemami konstrukcyjnymi oraz wynikającymi z nich przekroczeniami budżetu. Budowa najważniejszych elementów ITER rozpoczęła się w Cadarache w południowej Francji w roku 2010, z początkowym terminem uruchomienia reaktora w roku 2019. Celem ITER jest wykazanie, że fuzja nuklearna, energia Słońca, może być wykorzystywana jako źródło energii na Ziemi.

Siedmiu partnerów konsorcjum budującego reaktor: Chiny, USA, Unia Europejska, Rosja, Indie, Korea Południowa i Japonia – zaakceptowało projekt w 2005 roku. Unia Europejska, jako gospodarz projektu jest odpowiedzialna za 45 proc. jego kosztów i wykonania. Od 2005 roku koszty ITER podwoiły się osiągając 16 mld euro, stąd tokamak jest jak dotąd największym i najdroższym jednostkowym programem naukowo-badawczym na świecie.

PAP - Nauka w Polsce