Az ITER kezdetei

Az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor) megépítése egy régen eltervezett nagyszabású projekt, amelynek története a nyolcvanas évekbe nyúlik vissza: 1985-ben a Genfi Csúcstalálkozón vetette fel Gorbacsov és Ronald Reagan az ötletet, miszerint létre kellene hozni egy békés célokat szolgáló, nemzetközi fúziós energia programot, amellyel lehetséges lenne megújítani az energiatermelés hagyományait. Az energia tiszta és fenntartható forrásához szükséges létesítmény, vagyis egy hatalmas kísérleti reaktor végül számos más nemzet bevonásával épül meg - 1986-ban az Euratom (Európai Unió), Japán, a Szovjetunió és az Egyesült Államok írták alá a projektről szóló szerződést, de a későbbi években Kína, Dél-Korea és India is beszállt a programba.

A terveket 2001-ben fogadták el hivatalosan és az építkezés a franciaországi Cadarache-ban 2010-ben kezdődött el az ITER "szívének", a tokamak alapjainak letételével. Magát a tokamak épületet 2014-től építik és jelenleg már több mint 85%-ban készen áll a komplexum, valamint a belső térben található elemek, a leendő vákuumkamra egyes szektorai is megérkeztek és a számukra kialakított üreg felett várják, hogy a helyükre kerüljenek.

A kísérleti reaktor a legnagyobb lesz az eddigi fúziós létesítmények között: a Culhamben lévő JET-nek (Joint European Torus) a kétszerese, majdnem harminc méter magas és 23 000 tonna tömegű. A tokamak vákuumkamrája önmagában 8000 tonnát fog nyomni, divertorral és más kiegészítőkkel együtt és millió komponensből áll össze, amelyek mind fontos szerepet játszanak a fúziós folyamatok létrehozásában.

Az ITER-ben még a legkisebb csavarok is speciálisan a reaktor igényeihez szabva lettek elkészítve

és minden alkatrészt más-más ország szakemberei fejlesztenek és gyártanak, köztük oroszországi cégek is. A projekt fontosságát jelzi, hogy az orosz-ukrán háború indulása óta az ITER egyike azoknak az elenyésző számú tudományos programoknak, amelyekben az európaiak nem vetettek véget az orosz féllel való együttműködésnek, ennek köszönhetően például a hat részből álló mágnesrendszer egyik, 200 tonnás tagját november elején le is szállították Franciaországba Szentpétervárról.

Komplex részletek

De nem csak az óriási méretű hozzávalók kulcsfontosságúak a reaktor működése szempontjából, az ITER komplex szerkezetének belseje olyan rejtett és apró összetevőket tartalmaz, amelyek nélkül nem lenne lehetséges elérni az áhított célt és megvalósítani a fúziós reakciók működésének próbáját. A vákuumkamra belső falán egy bonyolult elektromos rendszert és diagnosztikai eszközök hálózatát alakítják ki, amelyek egészen közel helyezkednek majd el rendkívül magas hőmérsékletű plazmához, ezért egészen speciális megoldásokat igényel a kialakításuk. Ahhoz, hogy a gyártócégek a megfelelő módon tudják elkészíteni ezeket a berendezéseket, előzetes tesztekre van szükség, amelyek a szimulációknál pontosabban mutatják meg az eszközök viselkedését extrém körülmények között. És van még egy fontos aspektusa a tesztelésnek:

a beszerelés után bizonyos alkatrészek esetében az ITER működésének 20 éve alatt nem lesz lehetőség a cserére vagy javításra.

Magyar fejlesztések

A diagnosztikai eszközök és ezek elektromos rendszereinek fejlesztésében több magyar vállalat is részt vesz (C3D, Optimal Optik, AEMI Kft), de tesztelési munkákat (és egyúttal fejlesztési feladatokat is) egyetlen magyar cég, a GEMS Engineering Kft. végez és számos olyan gépészmérnöki szolgáltatással járul hozzá az ITER építéséhez, amelyek eredményei nagy szerepet fognak játszani a reaktor optimális működésében. A 2016-ban megalakult cég jelenleg nyolc munkatársat alkalmaz, de az elmúlt években máris számos projektet nyert közvetlen szerződésekkel az ITER Szervezettől. Veres Gábornak, a GEMS Engineering alapítójának elmondása szerint mikrovállalkozásként is sokat tudnak nyújtani a hatalmas létesítmény építésének folyamatához, mivel egyfajta arany középutat képviselnek a kutatóközpontok és az ipari vállalatok között, vagyis, ahogy a cég jelmondata is szól ("bridging science and technology") hidat képeznek a tudományos alapokon nyugvó kutatás és a high-tech gépészeti fejlesztés között.

Veres Gábor fizikussal és a cég vezetőmérnökével, Palánkai Miklóssal beszélgettünk az ITER projektről és, mint kiderült, a fejlesztések során néha a legapróbb részletek játsszák a legnagyobb szerepet a rendszer működtetésében.

Acélbevonatú elektromos kábelek és különleges csavarok

A GEMS Engineering Kft. teszteli azokat a kábeleket és csavarokat, amelyek a reaktor belső falán található elektromos hálózatnak alapvető részét képezik, ez a hálózat pedig a vákuumkamrában lévő diagnosztikai eszközökből érkező jelek továbbítását oldja meg. Ha a diagnosztikákat tekintjük az ITER szemeinek, akkor az elektromos hálózat az ITER idegrendszere és ez az egyik legfontosabb része a reaktornak:

ha a kábelrendszerek nem működnek, akkor az ITER sem lesz működőképes.

A cég munkatársai végzik a loomoknak nevezett kábelkötegek mechanikai, elektromos, termikus és összeszerelhetőségi tesztjeit, amelyhez saját gyártású vagy más gyártók által elküldött prototípusokat használnak. Az óriásmágneseknél és hatalmas vákuumkamra-szektoroknál kevésbé látványos és nagyközönség számára talán nem olyan érdekesnek tűnő kábelek nem tartoznak a legnépszerűbb alkatrészek közé az ITER egyes elemeit tekintve, a kábelrendszer kifejlesztésére kiírt pályázatra nem sokan jelentkeztek - mondta el Veres Gábor, pedig pont ezek a rejtett részletek adják a reaktor működésének alapját. A tesztelési folyamat hangsúlyos mivoltát jelzi, hogy a vákuumkamra belső falára szerelt loomokat elsőként helyezik be az összeszerelési folyamat során, majd további berendezések kerülnek rájuk, így a hibátlan működésük és megfelelő rögzítésük létfontosságú.

Palánkai Miklós elmondása szerint a kábeleket nem úgy kell elképzelni, mint a hagyományos elektromos kábeleket, amelyeket nap mint nap használunk, ezek az eszközök egészen speciális struktúrával rendelkeznek: a belső réz elektromos vezető szálat egy ásványi anyag (alumínium-oxid) szigetelő por veszi körbe, amit egy külső, többnyire 4 mm átmérőjű rozsdamentes acélköpeny foglal magában. Vagyis a kábel leginkább egy merev acélcsőre hasonlít. Az ITER belső falán 99 ilyen loom fog elhelyezkedni, amelyek 1588 darab kábelt tartalmaznak, ez összesen 16 kilométernyi kábelt jelent.

A tesztelések eredményei alapján a gyártócégek jobb rálátást kapnak az eszközök "viselkedésére" és adott esetben komolyabb változtatásokra is sor kerülhet a fejlesztések során. A kábeleket azonban meg is kell tartania valaminek és az ehhez szükséges csavarokat is a GEMS tesztelte. Ahhoz, hogy a rögzítőelemek meg tudják őrizni kezdeti előfeszítettségüket a kamrában uralkodó extrém körülmények, a neutronsugárzás, ciklikus hőterhelés és vibráció hatása alatt is, amelyek a csavarok és anyák meglazulásához vezethetnek, valamilyen mechanizmussal rögzíteni kell őket, ráadásul némelyik rögzítést távkarbantartás során oldani kell tudni.

A megoldást speciális alátétek vagy különleges menetprofilok jelentik,

amelyek lehetővé teszik, hogy akár a beszerelés utáni 20 év alatt végig megfelelően tartsanak az elemek és ne okozzanak váratlan problémákat. Egy elmozdult csavar ugyanis komoly következményekkel járhat: ezen a ponton nem lesz optimális a hőátvitel a kábelek és a hűtött fal között, ami miatt a kelleténél magasabb hőmérséklet alakul ki, ez feszültséget indukál a kábelben, ami végül hibás mérési eredményekhez vezet. A loomokat tartó M8-as csavarok mellett M16-os csavarokat is tesztelnek a mérnökök, amelyek az ITER első falában lesznek elhelyezve és közvetlenül a plazmát fogják "nézni" működés közben. A csavarok a rajtuk kialakított üregben speciális anyagot tartalmaznak, amelynek a roncsolódásából lehet majd következtetni az első fal elemeinek állapotára.

A GEMS munkafolyamatai közül a csavarok tesztelése bizonyult a legtöbb kitartást igénylő feladatnak, a csavarokat ugyanis olyan hőteszteknek (majd később rázóteszteknek) tették ki, aminek során 30 000 felmelegítési/lehűtési ciklust kellett végigcsinálni. Az eszközöket 100 Celsius-fokról 200 Celsius-fokra melegített nagy sebességgel, majd vissza, ezalatt fél éven át folyamatosan működött a tesztelést szolgáló berendezés. A csavarok cseréje az ITER működése alatt nehezen lesz kivitelezhető, legfeljebb valamilyen robotikai segítséggel tudják majd megoldani az esetleg felmerülő problémákat, de a tesztek minimalizálják a problémák kialakulásának esélyét.

Hard X-Ray Monitor

A fúziós folyamat során időnként úgynevezett elfutó elektronok jöhetek létre, amelyek megfelelő időben való detektálása rendkívül fontos, mivel a vákuumkamra falába csapódva jelentősen károsíthatják, ki is lyukaszthatják azt. A diagnosztikát a Hard X-Ray Monitor végzi, amelynek első plazma diagnosztika lévén már az indításkor a helyén kell lennie az ITER-ben, a GEMS Engineering Kft pedig az elmúlt öt évben a rendszer egyes mechanikai részeinek fejlesztésében vett részt és jelenleg a vákuumkamrán belüli komponenseket tervezik, tesztelik, valamint a gyártási jogokat is elnyerték.

Bizonyos optikai összetevők kivételével a rendszer ezen részét a magyar szakemberek fejlesztik és ez lesz az első olyan magyar berendezés, amit a vákuumkamrában alkalmaznak. A berendezést a tervek szerint 2023 első félévében szállítják le, egyelőre a tervek végletesítése és egyéb adminisztratív folyamatok zajlanak

Az alkatrész a Diagnostic Shield Module részét képezi majd, amelynek a prototípusát szintén a GEMS Engineering Kft készítette el és tesztelte - az egységet átlátszó burkolattal építették meg, hogy nyomon követhetőek legyenek a benne elvégzett műveletek. A rendszer egyik tartozékát, a két méter hosszú optikai szálat Amerikában gyártották le és a tesztek során derült fény arra, hogy a beszerelést nem lehetséges megoldani az előre elképzelt módon, így bizonyos egységeket újra kellett tervezni és átalakítani a megfelelő működéshez. A Diagnostic Shield Module szerepe a diagnosztikai műszerek védelme lesz a plazmaközeli környezetben.

Eróziós üledékmonitor

Ha az elektromos rendszert az ITER idegrendszerének és a Hard X-Ray Monitort az ITER poroltóját (a korábban bemutatott pellet belövő rendszert) beindító ravasznak tekintjük, akkor a divertort lehet, Veres Gábor megfogalmazásával, a reaktor kipufogójának nevezni, ami a plazma tisztaságáért felel majd. A divertor a fúziós folyamatok alatt keletkező hőt és részecske melléktermékeket vezeti el és összesen 54 kazettából áll, amelyek némelyike szintén tartalmaz diagnosztikai műszereket. A kazetták eróziójának mértékét az úgynevezett Erosion Deposition Monitor, vagyis az eróziós üledékmonitor segítségével ellenőrzik és az ehhez tartozó optikai diagnosztikai elemeket a GEMS által vezetett hazai konzorcium építi, amelynek három másik tagja a C3D Műszaki Tanácsadó Kft., az Optimal Optik Kft. és az Atomenergia Mérnökiroda Kft.

Az elhasználódás aktuális szintjére egyes felületek eróziójából lehet következtetni, azonban ezek a referenciafelületek a reaktor legzordabb részén vannak, így a vizsgálatuk nem egyszerű. Az optikai alkatrészek (például tükrök) egy részének olyan helyeken kell lenniük, ahol igen nagy neutronsugárzásnak, elektromágneses terhelésnek és hőhatásnak vannak kitéve - ezek ellen egy acéldoboz védi őket, amely a divertorkazetta hűtőrendszerére csatlakoztatva 300-400 Celsius-fokra csökkenti a hőmérsékletet. A kazettáktól a több mint 40 méterre található diagnosztikai épületbe egy optikai rendszeren át érkeznek be a jelek és ezt a hálózatot is a GEMS és partnercégeik fejlesztik. A rendszer még a tervezési fázisban tart, amelynek során különböző szimulációkon tesztelik a működését.

A legkisebb projekt, ami mégis az egyik legfontosabb

A cég talán legkisebb, de mégis egyik legjelentősebb projektjét a vákuumkamra szektorainak mágneses diagnosztikai eszközökkel való felszerelését segítő szerszámok fejlesztése jelenti, ez ugyanis már nem csak a tervezés vagy tesztelés fázisában tart, hanem az eszközök már elkészültek és használják is őket az ITER-ben. A kamra 9 szektora közül minden egyes modul több egységből áll: egy vákuumtartály szegmensből, két D-alakú mágnestekercsből és hővédő panelekből, valamint ezekhez tartozó kiegészítőelemekből. Ahhoz, hogy a modulokat a helyükre tudják illeszteni a számukra kialakított üregben és végül kialakulhasson belőlük a tórusz alakú tokamak, rendkívüli precizitással kell megoldani a hegesztési munkákat, valamint szintén hibátlan pontossággal kell elhelyezni rajtuk a később a plazmadiagnosztikában nagy szerepet játszó mágneses szenzorokat is. A szektorok közül a 2-es,az 5-ös és a 8-as számú tartalmazza majd a szenzorokat és a 8-as egységre a GEMS Engineering Kft által tervezett és gyártott készülékek segítségével szerelték fel a műszereket.

"A tíz darab készülékünk elősegíti hatvan olyan diagnosztika felszerelését, amik az ITER elsődleges céljának megvalósításához járulnak hozzá,

azaz, hogy a mérnökök és fizikusok meg tudják vizsgálni, hogy a fúziós plazma hogyan viselkedik ilyen nagy méretben. A készülékeinket arra használják, hogy ezeket a szenzorokat nagyon pontosan (<1°) beállítsák radiális és toroidális irányban, mielőtt véglegesen fel nem hegesztik őket a vákuumkamrán található menetes csonkokra, amiket „boss”-nak hívnak." - magyarázták a cég munkatársai.

Ezek az alkatrészek képviselik az első olyan magyar gyártmányú eszközöket, amelyek révén kézzelfogható módon járultak hozzá az ITER építéséhez.

Az ITER után

A Nemzetközi Termonukleáris Reaktor hatalmas projekt, amely még az építkezés befejezése után 20 évvel is munkát adhat a szakembereknek, a működési idejét ugyanis ennyi időre tervezik. Az utána következő lépést a DEMO (DEMOnstration power plant) építése jelenti, ami már a fúziós energia ipari és kereskedelmi felhasználása felé nyitja meg az utat. Ahogy azt az ITER Szervezet írja, a DEMO nem annyira egy konkrét létesítményt, hanem egy fázist jelöl, aminek különböző koncepcióit már több ország is fejleszti. Veres Gábor elmondása szerint a GEMS Engineering Kft ezekben az előkészítési feladatokban már most részt vesz, így a sok évtized múlva megvalósuló reaktor(ok) minden bizonnyal szintén magyar hozzájárulással és alkatrészekkel működhetnek majd.

(Fotó: GEMS Engineering Kft, Getty Images/Filipp Borshch)