Tokamak TM-1 MH

Liner je samotné jádro tokamaku toroidáního tvaru, kde se uskutečňuje zážeh plazmatu a všechny reakce. Pro TM-1 MH je liner vytvořen z nerezového plechu o síle několika milimetrů. Vysokoteplotní plazma se nesmí dotknout stěn nádoby, aby nenastalo tavení konstrukčních materiálů.

Plášť obepínající liner a má hned několik funkcí. Zpočátku udržoval mezi sebou a linerem silné vakuum, neboť se předpokládalo, že to zajistí vyšší stabilitu plazmatu. Povrch pláště má také ochraňovat proudy plazmatu v lineru před vnějšími elektromagnetickými poli, svou indukcí pomáhá stabilizovat fluktuace plazmatu a nacházejí se na něm cívky toroidálního pole, stabilizační cívky a jejich senzory a chladicí měděné trubky. Samotný plášť je vyroben z toroidálně tvarovaného měděného plechu o síle 20 mm.

Pro čerpání kvalitnějšího vakua je potřeba, před spuštěním silnějších vývěv, nejdříve utvořit předvakuum. V lineru se tak děje pomocí rotační vývěvy RV1, která vytvoří předvakuum lepší než 10⁻² Torr. Přes elektromagnetický průchozí ventil P1 bylo vakuum rozváděno ke dvěma difuzním vývěvám DV1 a DV2. Difuzní vývěvy byly posléze nahrazeny turbomolekulárními pumpami, které nechávaly v komoře méně nečistot. Napouštěcí ventil N1 rotační vývěvy RV1 se zavírá automaticky při spuštění vývěvy. Předčerpávané difuzní vývěvy DV1 a DV2 jsou spojeny s linerem přes kovové vypékatelné mechanické ventily K1 a K2. Pro odstranění vlivu nečistot jsou použity dvojice vymrazovaček. Pro přímé předčerpávání lineru pomocí RV1 je zapojena odbočka s kovovým ventilem a vymrazovačkou. Měření úrovně předvakua se provádí termočlánky a měření úrovně vysokého vakua vývěv DV1 a DV2 se provádí triodami. Napouštění pracovním plynem je prováděno z rezervoáru R po otevření ventilu NV. Přímo v rezervoáru je také zabudováno ovládání rychlosti napouštěného plynu. V případě vodíku (běžný pracovní plyn) se používá niklový filtr.

Princip a uspořádání systému je stejný jako u čerpacího systému lineru. Předvakuum je vytvářeno rotační vývěvou RV2, přes průchozí elektromagnetický ventil P2. Difuzní vývěva DV3 je od předvakua oddělována elektromagnetickým ventilem. Úroveň předvakua je měřena termočlánkem. Úroveň vakua v plášti je měřena triodou. Pro umožnění přímého předčerpání pláště pouze rotační vývěvou RV2 je zařazena spojka s mechanickým ventilem a izolátorem.

Pro případ že poslední čerpání bylo provedeno před týdnem nebo později, uplatňoval se následující postup čerpání vakua. Ten předpokládal, že vakuum v plášti nebylo horší než 10⁻¹ Torr a v lineru než 10⁻² Torr.

• Kromě napouštěcích ventilů N1 a N2 byly všechny ventily zavřené.
• Motory rotaček RV1 a RV2 se zapnuly, přičemž se ventily N1 a N2 automaticky zavřely.
• Ventily P1 a P2 se otevřely a na měrkách se sledovalo dosažení alespoň 10⁻¹ Torr.
• Otevřely se ventily B1 až B3 a po dosažení předvakua alespoň 10⁻¹ Torr se otevřel také deskový ventil pláště VD.
• Zapojilo se vytápění difuzních vývěv DV1, DV2, DV3. To bylo možné pouze po otevření vodního chladicího okruhu vývěv.
• Vymrazovačky se zalily tekutým dusíkem.
• Až měrky indikovaly dosažení vakua lepšího než 10⁻⁵ Torr otevřely se kovové ventily K1 a K2.

Pro dosažení nejlepšího vakua a dobré čistoty lineru je vysokovakuová část čerpacího systému opatřena soustavou pro ohřev stěn. Ohřátí stěn vakuové komory způsobí uvolnění jak zbytkových absorbovaných plynů, tak pevných částeček. Při soustavném odčerpávání vývěvou se může úroveň vakua zlepšit až o řád. Nejvyšší teplota závisí jenom na použitých konstrukčních materiálech. Pro daný případ je to:

• Komora lineru max. 350°C norm. 300°C
• Vakuové stojany max. 300°C norm. 200-250°C
• Přívody a spoje max. 300°C norm. 150°C
• Teploty jsou měřeny termočlánky.

Ohřev komory lineru je prováděn indukčně, tj. pomocí transformátoru tokamaku. Do primárního vinutí je přiváděn proud cca 300 A a sekundární vinutí je samotná komora lineru. Příslušná místa na plášti jsou při tom chlazena průtokem vody. Ohřev vakuových stojanů je prováděn soustavou odporových spirál navinutých na povrchu stěn. Příruby lze ohřát až na cca 400°C. Ohřev přívodných trubic a ventilů je prováděn rovněž odporovými spirálami. Normální úroveň proudu jednotlivých spirál je kolem 5–6 A.

Při návrhu byly vzaty za základ parametry baterie používané v ústavu I. V. Kurčatova. Byla tvořena 1200 kusy olejových kondenzátorů s kapacitou 150 μF, takže výsledná kapacita byla 0,18 F. Baterie pro provoz byla nabíjena maximálně na napětí 2 kV takže výsledná energie baterie byla 360 kJ.

Připojením kondenzátorové baterie k induktivní zátěži (vinutí cívek) vznikne oscilační obvod, jehož základní parametry jsou určeny kapacitou kondenzátorové baterie C, indukčností vinutí L a sériovým odporem R (RLC obvod). Frekvence oscilačního obvodu pro použité parametry byla 7 Hz. Průběh proudového impulzu měl sinusový charakter. Vzhledem k tomu, že při provozu se používala pouze první půlperioda proudového impulzu, bylo žádoucí vzhledem k zahřívání vinutí, odpojit kondenzátorovou baterii od zátěže při průchodu proudu nulou.

Ovládací povely pro provoz LC linek jsou odvozeny automaticky od obvodů kondenzátorové baterie. Za účelem kontroly byl taky možný provoz samostatný. Jak jednotlivé sekce kondenzátorové baterie, tak LC linky jsou pro bezpečnost vybaveny mechanickými spínači, které zkratují baterii a LC linky, pokud nejsou právě v provozu.

Nedílnou částí energetického systému Tokamak jsou dva zdroje kompenzačního vinutí a jeden zdroj pro trysku. Tento provoz je automaticky svázán s provozem kondenzátorové baterie a LC linek. Jedná se pouze o jednosměrné zdroje.

Zpomalené vlny se v tokamaku měly budit pomocí šroubovicových zpomalovacích struktur vložených do lineru. V lineru byly uloženy dvě šroubovice. Šroubovice je tvořena bowdenem vloženým v křemenné šroubovici vytvořené z křemenné trubičky. Vložená šroubovice leží ve stínu clony a není tedy v přímém kontaktu s prstencem horkého plazmatu. Šroubovice jsou napájeny koaxiálně a vstupy jsou umístěny symetricky kolem vertikální osy. Konce obou šroubovic byly vakuově těsně zapojeny. Mikrovlnný ohřev se prováděl na frekvenci 1,25 GHz o výkonu 50–100 kW. Mikrovlnný výkon se do šroubovice přiváděl pomocí vlnovodné trasy zakončené na koaxiál.

Generátorem vysokofrekvenčního výkonu byl magnetron Tesla-VÚVET, který byl schopen v trvalém provozu generovat vysokofrekvenční výkon na kmitočtu 1250 MHz. V provozu s impulzy o délce cca 1 ms byl schopen dát 30–40 kW vysokofrekvenčního výkonu v impulzu. Magnetické pole magnetronu bylo generováno válcovou cívkou protékanou stejnosměrným proudem. Magnetron byl chlazen vzduchem a vodou. K ověření funkce magnetronu pro vyloučení rizika poškození vysokofrekvenční struktury tokamaku bylo možno použít koaxiální zátěže.

Bylo prováděno pomocí Rogowského pásku, obepínajícího celou výbojovou komoru a to vně měděného pláště (není v azimutálním směru elektricky uzavřen). Současně s proudem protékajícím plazmatickým prstencem byl měřen i proud tekoucí nerezovým linerem.

Snímáno pomocí jednoho závitu vodiče umístěného na výbojové komoře vně pláště.

Při provozu tokamaku je vhodné znát polohu plasmatického prstence uvnitř komory, pro vhodné nastavení kompenzačních polí indukovaných stabilizačními cívkami. Na sledování slouží polohové sondy – cívky umístěné na povrchu lineru. V zařízení TM-1MH je umístěno šest párů polohových sond, a to čtyři páry v horizontální rovině po obvodu toroidu a dva páry sond pro sledování vertikálního posuvu.

Lze provádět sondováním napříč plasmatického prstence. Z důvodu technického vybavení a dostupnosti mikrovlnných generátorů se na zařízení prováděly interferometrická měření elektronové hustoty na vlnové délce 8 mm, což znamenalo silné omezení co se týče maximálně měřitelných hustot.

Tato měření v toroidální konfiguraci tokamaku se silným podélným proudem představovaly značně komplikovanou záležitost. Magnetická sonda určená pro snímání diamagnetického efektu snímá totiž i parametrický efekt toroidálního proudu, který byl mnohem silnější.

K tomuto účelu byl připraven analyzátor energie neutrálů s plynným terčíkem. Měření s ním však prováděna nebyla.

Bylo možné provádět pomocí tří okének. Byly prováděny pomocí monochromátoru a mřížkového spektroskopu.

Pro sledování amplitudy, příp. šíření ohřevové vlny byly v lineru umístěny dvě Langmuirovy sondy. Byly vedeny těsně po povrchu lineru v jeho dolní části.

Ball-pen sonda

Pro přímé měření potenciálu plazmatu. Sonda umístěna na spodní vertikální manipulátor.

Pro nastavování tvaru pulsu proudu z LC linek byl zkonstruován měrný transformátor proudu se železným jádrem, dobrou elektrickou izolací a stínícím krytem proti rušivým signálům.