Celosvětově unikátní senzory ustáleného magnetického pole v blízké budoucnosti budou instalovány na termojaderném reaktoru ITER, který se staví ve Francii. Senzory byly vyvinuty v ÚFP za široké mezinárodní spolupráce s dalšími vědeckými institucemi a průmyslovými podniky.
Na vývoji se podílely ITER Organization (Francie), Fyzikální ústav AV ČR, Ústav jaderné fyziky AV ČR, Centrum výzkumu Řež, firma Petr Sládek, HVM Plasma s.r.o., Plasma Technologic s.r.o., PragoBoard s.r.o., AVS Added Value Industrial Engineering Solutions s. l. (Španělsko) a L.T.Calcoli s.r.l. (Itálie). Do výroby senzorů se dále zapojí firmy AXON CABLE s. a. s. z Francie a Axon' Kábelgyártó Kft. z Maďarska a další. Celý výrobní proces bude řídit a koordinovat ÚFP.
Základem senzorů OVSS jsou bismutové Hallovy senzory. Na rozdíl od obvykle používaných
polovodičových Hallových senzorů umožňují měřit magnetické pole v prostředí s ionizujícím zářením
a při teplotách do 250 °C. Tuzemský výzkum radiačně a teplotně odolných Hallových senzorů byl zahájen v roce
2000 postupným nasazováním polovodičových Hallových senzorů v evropských fúzních reaktorech TEXTOR
(Německo), CASTOR (ČR), TJ-II (Španělsko), TORE SUPRA (Francie) a JET (Velká Británie). Paralelně
také probíhaly ozařovací testy polovodičových senzorů v jaderném reaktoru LVR-15 v Centru výzkumu
Řež a na cyklotronu U-120M v Ústavu jaderné fyziky v Řeži u Prahy. Nejlepší výsledky pro středně
náročné radiační prostředí dosáhly senzory na bázi dopovaných heterogenních polovodičů.
V dalším kroku byl zahájen vývoj kovových Hallových senzorů umožňujících stabilní měření
magnetického pole i při vysokých radiačních dávkách.
Foto: Ing. Slavomír Entler, ÚFP.
V roce 2010 bylo zahájeno testování Hallových senzorů s měděnou detekční vrstvou. Měděné
senzory prokázaly očekávanou radiační a tepelnou stabilitu. Projevila se ale také nízká citlivost
měděné vrstvy na magnetické pole způsobující velmi nízký výstupní signál v řádu µV. Nízký výstupní
signál v kombinaci s vysokým napájecím proudem způsoboval vysoký poměr šumu vůči užitečnému signálu
a komplikoval měření i v laboratorních podmínkách. Na základě této skutečnosti bylo přistoupeno k
vývoji senzorů s bismutovou detekční vrstvou a v roce 2014 byla vyrobena první série bismutových
senzorů o rozměrech 9,6 x 9,6 mm a tloušťce detekční vrstvy ~4,5 μm. Citlivost bismutových
senzorů byla v souladu s očekáváním o několik řádů vyšší než citlivost měděných senzorů. Dalším
krokem bylo ověření radiační odolnosti bismutových senzorů v experimentálním reaktoru LVR-15 v Řeži
u Prahy. Senzory také úspěšně prošly prvotními teplotními testy. Na základě ověření funkčnosti
bismutové detekční vrstvy byl v roce 2015 zahájen vývoj bismutových Hallových senzorů pro fúzní
reaktor ITER.
Projekt
ITER spočívá ve vybudování a provozování
termojaderného reaktoru s cílem prokázat technickou realizovatelnost využití jaderné fúzní reakce
jako zdroje energie. Reaktor ITER bude testovat řízení termojaderného plazmatu a řadu reaktorových
technologií potřebných pro budoucí fúzní elektrárny, jako jsou supravodivé magnety, systémy ohřevu
plazmatu, vakuový systém nebo palivové hospodářství. Fúzní výkon reaktoru dosáhne 500 MW. Výstavba
reaktoru byla zahájena v roce 2007 v jižní Francii ve výzkumném středisku CEA Cadarache nedaleko
Aix-en-Provence. Spuštění reaktoru je naplánováno na rok 2025.
Obrázek: ITER Organization.
Pro provoz termojaderného reaktoru je nezbytné v reálném čase monitorovat parametry plazmatu.
Měření a sledování parametrů plazmatu komplikuje jeho vysoká teplota, která až na výjimky vylučuje
použití kontaktních metod měření. Proto je diagnostika plazmatu postavena především na
bezkontaktních metodách. Pasivní metody analyzují elektrická a magnetická pole a záření emitovaná
plazmatem – rentgenové záření, rádiové záření, viditelné a infračervené záření nebo vylétávající
neutrální částice a ionty. Aktivní metody analyzují záření, které je emitováno při interakci
plazmatu s laserovými, mikrovlnnými nebo částicovými svazky. Magnetická diagnostika je jednou z
hlavních diagnostik. Měřením magnetického pole lze určit množství důležitých parametrů plazmatu a
odvodit např. polohu plazmatu.
Hallovy senzory budou v reaktoru ITER instalovány ve třech sektorech vakuové komory. V každém
sektoru bude rozmístěno 20 senzorových jednotek, obsahujících dvojici senzorů umístěných kolmo k
sobě tak, aby měřily tangenciální a normálovou složku magnetického pole. Pracovní teplota senzorů
bude 90 - 100 °C, v průběhu vypékání vakuové komory může teplota senzorů dosáhnout až 220 °C.
Celková neutronová fluence za dobu životnosti senzoru dosáhne přibližně 1,3x10
22 n/m
2.
Foto: Ing. Slavomír Entler, ÚFP.
Vyvinuté Hallovy senzory mají velikost 6,4 mm x 6,4 mm a jsou tvořeny tenkou keramickou
destičkou o tloušťce 0,63 mm. Na keramické destičce je technologií Direct Bonded Copper nanesena
měděná vrstva o tloušťce 127 µm. Bismutová detekční vrstva je deponována magnetronovým naprašováním
a má tloušťku 1 µm. Senzory budou po dvojicích umístěny do senzorových jednotek z nerezové oceli.
Součástí senzorové sestavy je také vyhodnocovací jednotka, která zpracovává signál senzorů. Chyba
měření senzorové sestavy v měřícím rozsahu ±2,5 T je 0.1 %.
Obrázek: ITER Organization.
Instalace senzorů OVSS na reaktoru ITER znamená velké uznání mezinárodního společenství
českému výzkumu. Bismutové senzory představují důležitý krok ve vývoji magnetických senzorů pro
fúzní energetické reaktory, avšak pracovní teploty v energetických fúzních reaktorech budou
vyžadovat tepelnou odolnost senzorů, kterou bismutové senzory nenabízejí. Do budoucna je proto
plánován vývoj Hallových senzorů s pracovními teplotami až 400 °C určených pro první fúzní
elektrárnu DEMO.
7. 2. 2018
