A külső mágneses tér előállítása

Stabil  forró  mágnesezett  plazmák  összetartása  csak  külső mágneses  tér segítségével lehetséges. A mai kísérleti berendezésekben (és a jövőbeli, hasonló elven működő reaktorokban is) ezen tér nagysága néhány Tesla. Érzékeltetésképp egy hűtőmágnes tere századekkora, a Földön folytonos üzemben elért legnagyobb tér pedig 50 Tesla nagyságú. A tokamakokban lévő mágneses térrel összemérhető nagyságú teret az orvosi képalkotó mágneses rezonancia készülékekben (MRI) és a vasemelő elektromágneses  darukban  alkalmaznak. Azonban  van  egy  lényegi különbség: már egy közepes méretű tokamakban is néhány m³-ben, az ITER-ben pedig majdnem 1000 m³-ben kell ezt a teret létehozni.

 

1. ábra: bal:elektromágneses daru, jobb: MRI készülék

 A tokamakban a tórusz menti, úgynevezett toroidális tér a legnagyobb, néhány Tesla nagyságú. Ezt a teret a toroidális tekercsek állítják elő, amelyekben akár 50 –100 kA áram is folyhat. Habár a poloidális-vertikális tekercsek mágneses tere ennél kisebb, mégis nélkülözhetetlenek a plazma egyensúlyának fenntartásához. Továbbá terük  határozza  meg  plazma  alakját,  illetve  stabilizálja  a  plazma  függőleges pozícióját. A központi tekercs szerepe ettől kissé eltérő, mivel nem a mágneses terét használjuk, hanem a változó mágneses tere által keltett elektromos teret, amely a plazma áramát hajtja. Ennek következtében egy kisülés alatt a tekercsben folyó áramot folyamatosan növelni kell, akár 10 kA-ig is.

 

2. ábra: bal: egy tokamak tekercsrendszere, jobb: a JET tokamak

Ezenkívűl még két tekercsrendszert érdemes megemlíteni: a korrekciós tekercseket, amelyek a tokamak mágneses terét tengelyesen szimmetrikussá teszik, illetve a rezonáns mágneses tekercseket, amelyek megtörik ezen szimmetriát.

Hagyományos tekercsek

 

A legtöbb ma üzemelő tokamakban a mágneses teret létrehozó tekercsek rézből készültek. Habár a réz alapanyag egy átlagos háztartásban, ahol a falban lévő vezetékekben néhány A áram folyik, a bevált megoldás, 100 kA-es áramerősségek mellett különös odafigyelést igényel.

A réz ellenállásával számolva a berendezések energiafogyasztása jelentős, még  egy  kisebb  tokamakon  is  100  MW  nagyságrendű lehet  a  kisülés  néhány másodperces ideje alatt. A 3. ábra a legnagyobb európai fúziós berendezés, a JET energiafogyasztását mutatja, összehasonlítva a paksi atomerőmű 1. blokkjának 500

MW-os áramtermelésével.

3. ábra: A JET tokamak energiafelvétele

A plazmakisülések egy átlagos tokamakban néhány másodpercig tartanak, a két kisülés között eltelt idő pedig fél órás nagysárendbe esik. Ilyen gyakori, több száz megawattos terhelésváltozást a lokális elektromos hálózatok általában nem tudnak elviselni. A lausanne-i TCV tokamak például, amely az EPFL-en, Svájc második legnagyobb műszaki egyetemén helyezkedik el, a város elektromos hálózatát tenné működésképtelenné, ha közvetlenül onnan venné fel az áramot. Ezért az energiabetáplálást lendkerekes generátorokból oldják meg: a hálózatból levett elektromos  energiát  a  lendkerék  mozgási  energiájává  konvertálják  a  két  mérés közötti 20 perces szünetben, majd ezen energiát a mérés rövid, 2 másodperces ideje alatt elektromágneses energiává alakítják. A világ legnagyobb tokamakja is fel van szerelve ehhez hasonló, de sokkal nagyobb lendkerekekkel, amelyek energiabetáplálása 50 %-át biztosítják. Az energiaszükséglet másik felét direkt kapcsolattal az Egyesült Királyság legnagyobb szénerőműve elégíti ki.


4
. ábra: bal: a TCV tokamak lendkerekes generátora, jobb: a generátorépület és a tokamak épülete

Az óriási felvett energiamennyiség mellett a réztekercsek másik problémája, hogy ezen energiát hő formájában el is kell disszipálni anélkül, hogy a tekercsek megolvadnának. Ezért a tekercsek belsejébe hűtőcsöveket építenek, amelyekben vizet   áramoltatnak    nagy,   akár   megawatt   teljesítményű pumpák   segítségével.

Helyenként hűtőtornyok alkalmazására is szükség lehet.

5. ábra: képek a JET tokamak hűtőrendszeréről

Szupravezető tekercsek

 

A JET tokamakban a plazma térfogata 140 m³, ez hatoda a leendő ITER-plazma térfogatának. A réztekercsek alkalmazásának technológiai határait már ezen méretek is feszegetik, gazdasági határait pedig messze túllépik. A tekercsek energiafogyasztását és ezáltal hőtermelését mindeképp csökkenteni kell.   A mágneses tér fenntartásához szükséges energia függ a tekercsben folyó áram erősségétől és a tekercs ellenállásától. Ekkora mágneses teret kisebb áramerősséggel nem lehetne fenntartani, a tekercsek ellenállásának csökkentése az egyedüli lehetőség. Ezt a gondolatmenetet követve született meg az az ötlet, hogy hűtsük le a mágneseket olyan alacsony hőmérsékletre, amelyen már szupravezetőként viselkednek.

 

A  szupravezetés  a  modern  tudomány  egyik  nagy  felfedezése,  amelyért Kamerlingh Onnes 1913-ban Nobel-díjat kapott: felfedezte, hogy az abszolút nulla fok (-273  °C)  köközelében  a  fémek  ellenállása  megszűnik.  Azóta  széles  körben  is elterjedt ipari alkalmazásai is vannak ennek a jelenségnek, a legismertebbek talán a már korábban is említett MRI, a maglev nagy sebességű mágneses lebegtetésű vasút és a CERN részecskegyorsító mágnesei.

 


6
. ábra: bal: a szupravezetők és fémek ellenállása alacsony hőmérsékleten, jobb: a shanghai maglev vasút

 

Az alacsonyhőmérsékletű szupravezető mágnesek (NbTi,  Nb3Sn) alkalmazásának nagy problémája, hogy a tekercseket alacsony, -250 °C körüli hőmérsékleten kell tartani. Ez egy orvosi berendezésben még könnyen kivitelezhető, de egy fúziós reaktorban, ahol nagy méretben de limitált helyen kell őket elhelyezni, ráadásul mellettük ott a 100 millió fokon égő, és jelentős radioaktív sugárzást kibocsátó plazma, komplikált. Ahhoz, hogy a tekercs a  megfelelően nagy mágneses teret is elviselje, jócskán a kritikus hőmérséklete alá kell hűteni, amely csak folyékony He segítségével lehetséges. Az amúgy sem olcsó He cseppfolyósítása pedig jelentősen  megnöveli  a  költségeket.  Távlati  elékpzelésként  meg  lehet  említeni  a magashőmérsékletű szupravezetők  (-  150 °C)  alkalmazását  is,  de  a  jelenlegi anyagtudomány ezt még nem teszi lehetővé, az ilyen anyagok nagy méretben történő előállítása elsősorban ezen anyagok mechanikai tulajdonságai, törékenysége miatt jelenleg nem lehetséges. A kisméretű árambevezetők esetében viszont már az ITER- ben is megjelenhetnek magashőmérsékletű szupravezetők. Szobahőmérsékleten is szupravezető anyagok viszont tényleg csak a filmeben léteznek, mint például az Avatar unobtainiumja.

Jelenleg egyre több közepes méretű berendezésben alkalmaznak szupravezető tekercseket. Az  úttörő ebben  a  Marseille  közelében  felépített  Tore Supra volt, amit 1988-ban adtak át. A világ jelenlegi két legmodernebb tokamakja, a kínai Heifei-ben található EAST és a dél-koreai Daejonba található KSTAR is szuravezető mágneseket használ. Ezekben a berendezésekben a tekercsekben folyó elektromos áramot és az általa létrehozott mágneses teret egy mérési nap elején kapcsolják fel, és a végén kapcsolják le. Ezáltal, és az Ohmikus veszteségek hiánya miatt a tekercsek elhanyagolható mennyiségű energiát fogyasztanak. Ugyanakkor a hűtőrendszerük jelentős mennyiségűt.

 

7. ábra: bal: a dél-koreai KSTAR tokamak, jobb: a kínai EAST tokamak

 A KSTAR tokamak mágnesrendszerét a következő számokkal lehet jellemezni: körülbelül 5000 kilométernyi szupravezető szál, amelyet 15 m³-nyi He-mal hűtenek. A hűtőrendszer működtetéséhez pedig 4 MW-nyi elektromos teljesítmény szükséges.

Az ITER paraméterei természetesen messze meghaladják ezen számokat, ugyanis  körülbelül  80000  km-nyi  (400  tonna),  0.8  mm-es  átmérőjű szupravezető szálból fognak felépülni tekecsei. Ezeknek a gyártási folyamatát a 8. ábra mutatja. Önmagában egyetlen országnak sincs olyan ipari kapacitása, amely segítségével a szükséges  szálakat  a  rendelkezésre  álló  idő alatt  el  tudná  készíteni,  ezért párhuzamosan az összes ITER-tagország részt vesz gyártásukban.

 


8
. ábra: A szupravezető szálak gyártási folyamata

 

A szupravezető kábeleket 5 lépcsőben tekerik körülbelül 1000 szupravezető szálból. A kábelek CICC elrendezésűek: az összetekert szálak egy acél vezetőcsatornában helyezkednek el, amelyet csak 70 %-ban töltenek ki, az üres részekben pedig a He hűtőfolyadék áramlik. Ezen kábelekből készül a 18 darab, egyenként több, mint 10 méter magas és 300 tonna súlyú toroidális tekercs. A poloidális tekrecsek is hasonló módon épülnek fel, de bennük a szupravezető anyag SbTi. Ezen anyag könnyebben előállítható, de csak kisebb mágneses térben alkalmazható, ami a legkülső tekercsek esetében nem jelent problémát. Azonban a tekercsek akár 24 méteres átmérője már annál inkább: szállításukra nincs lehetőség, helyben lesznek tekercselve.


9
. ábra: A szupravezető kábelek gyártási folyamata

10. ábra: Az ITER tekercsrendszere