↑ Return to Tanulmányok

A plazma fűtése

(Tál Balázs)

Ohmikus fűtés

A plazma felmelegítésének első fázisa általában ohmikus módon történik. Ez a módszer a szoba-hőmérsékletű ionizált gázt körülbelül 10 millió °C hőmérsékletig tudja felfűteni, amely habár magasnak hangzik, egy nagyságrenddel kisebb, mint a fúziós égéshez optimális hőmérséklet. A módszer fizikája nagyon egyszerű: ha egy vezetékben áramot folyatunk, akkor az melegedni fog. Ilyen elven működő egyszerű háztartási gépek például a merülőforraló, a kerámia főzőlap, a hősugárzó és az izzólámpa is.

1. ábra: Ohmikus fűtés a háztartásokban.
Bal fent: merülőforraló, jobb fent: kerámia főzőlap,
bal lent: 
hősugárzó, jobb lent: izzólámpa

Lényeges különbség azonban a háztartási gépek és egy fúziós berendezés ohmikus fűtése között, hogy a tokamakban a vezeték nem fémből van, hanem maga a plazma. Természetesen ezen „vezetéket” nem lehet közvetlenül a hálózati konnektorba dugni, mert egyrészt a plazma-kábel kontaktus fizikailag megvalósíthatatlan, másrészt a plazmában folyó több száz kA áram bevezetése sem oldható meg háztartási eszközökkel. Ezért az áramot indukálni kell: az elektormágnesség Faraday-törvénye kimondja, hogy változó mágneses mező maga körül önmagába záródó elektromos mezőt hoz létre, amely önmagába záródó áramot tud hajtani. A változó mágneses mezőt egy központi fémtekerccsel lehet létrehozni, amely körül akkor indukálódik elektromos mező és ezáltal állandó nagyságú plazmaáram, ha a központi tekercs áramát folyamatosan növeljük. Az ohmikus fűtés ideje alatt ezen tekercsben folyó áram akár 50 kA-ig is felnőhet. Összehasonlításként egy 60 W-os izzólámpában 0.3 A áram folyik.

Meg kell jegyezni, hogy míg a háztartási gépeknél az eszköz célja, hogy a megtermelt hőt továbbítsa a környezetének hőátadással vagy hősugárzással, a plazma fűtése során a jelenlegi berendezésekben ennek elkerülése a cél. Az energia kivétele a fúziós reaktorból akkor lesz fontos kérdés, amikor már elérjük a 100 millió fokos hőmérsékletet és jelentős mennyiségű energiát termelnek a fúziós reakciók.

2. ábra: Bal: Induktív áramhajtás egy tekercs körül,
jobb fent: az 
ITER központi tekercse még a tóruszba (alatta) helyezés előtt

A hőmérséklet növekedésével a plazma ellenállása és így ohmikus fűthetősége csökken. Ez a fémek viselkedésével ellentétes tendencia, ugyanis egy fém minél melegebb, annál jelentősebbek benne a rácsrezgések, amelyek gátolják az elektronok szabad áramlását, így növelve ellenállásukat. Plazmákban viszont az áramló elektronok magasabb hőmérsékleteken egyre kevésbé lépnek kölcsönhatásba a plazma ionjaival, mondhatni elsuhannak mellettük. Mivel mozgásuk egyre kevésbé akadályozott, a plazma ellenállása csökken, 1 millió °C hőmérséklet környékén gyakorlatilag meg is szűnik, maga után vonva az ohmikus fűtés megszűnését. Innen a hőmérséklet további emeléséhez már kiegészítő fűtésre van szükség. Tipikus kiegészítő fűtési megoldások a semleges nyaláb fűtés (az ASDEX Upgrade tokamak plazmáját döntőrészt evvel fűtik), a mikrohullámú elektron ciklotron rezonancia fűtés (a TCV tokamakon meghatározó), és a rádiófrekvenciás ion ciklotron rezonancia fűtés (az Alcator C-Mod tokamakon meghatározó). Az ITER-en mindhárom fűtéstípus alkalmazva lesz, egyenként körülbelül 20-30 MW energiát juttatva a plazmába.

 

3. ábra: A tokamak-plazma fűtési módjai

Semleges atomnyaláb fűtés (NBI)

A semleges nyaláb belövés lényege, hogy nagy sebességre gyorsított semleges részecskéket juttatunk a plazma belsejébe. Ezen részecskék a plazma részecskéivel ütköznek, melynek hatására ionizálódnak. Az így keletkezett gyors töltött részecskéket a mágneses tér hosszú ideig a plazmában tartja, ahol további ütközések révén átadják energiájukat a közeg elektronjainak, ionjainak. Így ők lelassulnak, míg a plazma felmelegszik.

Gyors semleges részecskenyaláb előállításához három eszköz szükséges: részecskeforrás, részecskegyorsító és semlegesítő. Az első kettővel már valószínűleg mindenki találkozott a katódsugárcsöves televíziókban, illetve hallott róluk a CERN-nel kapcsolatos hírekben. Nagyon fontos tudni azonban, hogy a CERN részecskefizikai kutatóközpont, semmi köze a energiatermelési célu fúziós kutatásokhoz. A legközelebbi tokamak-berendezés onnan 70 km-re található.

 

4. ábra: Közismert részecskegyorsítók. Bal fent: a katódsugárcső felépítése, jobb fent: katódsugárcsöves televízió, bal lent: a CERN körülbelül 10 km átmérőjű gyűrűjének helye a svájci-francia határon (a gyűrű a föld alatt 175 méterrel helyezkedik el), jobb lent: a részecskegyorsító a föld alatti alagútban.

Nagy sebességű semleges részecskéket a következő módon tudunk kelteni: szabad állapotban lévő töltött részecskéket hozunk létre, ezeket elektromos tér segítségével felgyorsítjuk, majd semlegesítjük őket. Az első lépésre azért van szükség, mert a semleges részecskék nem lépnének kölcsönhatásba az elektromágneses térrel, így nem lehetne őket gyorsítani. A katódsugárcsőben a töltött részecskék elektronok, amelyek egy izzó fémszálból lépnek ki feszültség hatására. (Hasonló módon működik a forró mágneses plazmák diagnosztikája során gyakran használt lítium-nyalábforrás is, habár ott nem elektronok lépnek ki egy fémszálból, hanem lítium-ionok egy lítium-folyadékal átitatott kerámiából.) A semleges nyaláb fűtés során azonban nem elektronokat, hanem a fúziós reaktor üzemanyagával megegyező hidrogénatomokat lövünk a plazmába. Az ehhez szükséges hidrogénionok keltése lényegesen összetettebb folyamat. Izzószál helyett például a vödör-típusú ionforrásban egy edényt töltenek fel semleges hidrogénnel, majd ionizálják rádiofrekvenciás tekercsek segítségével, azaz létrehoznak egy vödörnyi hideg plazmát. Ezt állandó mágnesek terével tartják össze, majd feszültséget kapcsolva rá kihúzzák belőle az ionokat. A nyaláb előállításának következő fázisa a gyorsítás, ahol az ionokat 100 keV energiáig gyorstják. Ez százszor akkora, mint a televízióban az elektronok gyorsítás utáni néhány keV-es energiája, de csak százmilliomod része a CERN-ben felgyorsított részecskék energiájának. Ha elektromosan töltve, ionként próbálnánk belőni a részecskéket a tokamakba, a berendezés mágneses tere eltérítené őket, és még a kamra faláig sem jutnának el. Ezért kell az ionokat semlegesíteni, amelynek folyamata viszonylag egyszerű: a hidrogénionoknak keresztül kell menniük egy hidrogénnel töltött kamrán, ahol a hidrogénatomokkal ütközve töltéscserével elektronokat vesznek fel (vagy adnak le attól függően, hogy pozitív vagy negatív ionforrást használunk). A semlegesítő hidrogéngáz tokamakba történő beáramlását viszont meg kell akadályozni, ezért különleges vákuumpumpákra van szükség, amelyek a gázok felületen történő kicsapatása és megfagyasztása elvén működnek (kriopumpák).

5. ábra: Bal: A JET semleges nyaláb fűtőrendszerének sémája, jobb: az ITER semleges nyaláb fűtőrendszerének látványterve

Jelenleg a legnagyobb telejesítményű semleges nyaláb fűtéssel a JET tokamak rendelkezik, ahol 33 MW-nyi teljesítményt tudnak leadni a plazmának a 140 keV energiájú részecskék. Ezen részecskeenergia elég ahhoz, hogy a körülbelül 1 méter sugarú plazma belsejébe elérjen a részecskenyaláb. Az ITER-re két, egyenként 25 MW-os fűtőnyaláb lesz felszerelve (és egy kis teljesítményű, de hasonló működési elvű diagnoztikai nyaláb). Habár ez elsőre nem hangzik túl nagy teljesítménynövekedésnek, ne felejtsük el, hogy a semleges nyaláb fűtési teljesítmény így is egy paksi blokk teljesítményének hét százaléka lesz. A körülbelül 2 méter sugarú ITER plazma belsejébe viszont a JET-en alkalmazott nyaláb már nem tudna behatolni. Az egyetlen lehetőség a gyors részecskék bejuttatására, ha körülbelül 3-szor akkora sebességgel lőjük be őket, ez pedig energiában egy tízszeres növekedést jelent. Megaelektronvolt környéki energiákon viszont a protonokat (pozitív hidrogénionok) nem lehet semlegesíteni. A megoldás az lehet, hogy a hidrogénatomtól nem elvesszük az elektronját, hanem adunk neki még egyet, azaz negatív ionokat alkalmazunk. Ennek a módszernek az alkalmazása viszont  lényegesen meghaladja a jelenlegi tudászintünket, jelenleg az ITER felépítésének egyik legkritikusabb pontja a fűtőnyalábok fejlesztési üteme.

 6. ábra: Bal: a KSTAR tokamak semleges nyaláb fűtőrendszere, jobb: semleges nyaláb belövése a tokamak kamrájába (plazma nélkül). Felvétel a nyaláb felkapcsolásáról egy plazmakisülés alatt itt látható.

Mikrohullámú – elektron ciklotron rezonancia fűtés (ECRH)

A tokamak plazma fűtésének bevett módszere a mikrohullámú fűtés. Tudva, hogy a háztartásban a mikrohullámokat főként ételek melegítésére használjuk, ez talán nem is hangzik annyira meglepőnek.

Mikrohullámoknak nevükkel ellentétben azokat az elektromágneses hullámokat hívjuk, amelyek hullámhossza vákuumban (levegőben) 1 métertől 1 milliméterig terjed. A mikrohullámú sütőben alkalmazott hullám hossza körülbelül 12 cm (frekvenciája 2.5 GHz), míg a plazma fűtéséhez alkalmazott hullám hossza 2 és 6 mm közé esik (frekvenciatartomány: 50 – 170 GHz). A fűtés során ezen hullámokat elő kell állítani, el kell juttatni arra a helyre, ahol fűteni szeretnénk velük, és ott aközegnek el kell nyelnie őket. Az utóbbi azt jelenti, hogy a hullám energiáját a közeg termikus mozgási energiájává alakítjuk. Mivel a mikrohullámú sütő és a a forró mágneses plazmák fűtésére szolgáló elektron ciklotron rezonancia fűtés jelentősen eltérő hullámhosszon (frekvencián) működik, ezért az előállítás módja, és az elnyelődés fizikai effektusa is különbözik a két esetben. A mikrohullámot a sütőkben magnetron generálja.

 

7. ábra: Bal fent: mikrohullámú sütő, jobb fent: fénykép egy magnetron csőröl,
amelynek harmada ki van vágva a könnyebb áttekinthetőség kedvéért,
lent: a magnetron cső metszetének sematikus 
rajza

Ez egy egyszerű elektronikai elem, tulajdonképpen egy vákumcső, amelyben van egy fémvezeték (katód), ekörül egy több üreget tartalmazó rézdarab (anód), amelynek két végét egy-egy állandómágnes zárja le. Talán elsőre meglepő módon a mikrohullámok keltéséhez egyenfeszültséget kell kapcsolni a katód és az anód közé, amelynek hatására a katódból elektronok lépnek ki, amelyek a mágneses térben köríveken mozognak. Az anód közelében elhaladva az anód üregei körül áramot indukálnak, amely egyrészt visszahat az elektronok mozgására, másrészt az üregekben mikrohullámokat gerjeszt – üregrezonátorként működik. Az ezekben keletkező mikrohullámokat egyszerű fémcsöveken keresztül lehet a sütő főzőterébe vezetni, mivel a fémek fala a mikrohullámok számára tükörként funkcionál. A főzőtérben elektromágneses állóhullámok alakulnak ki, amelyekben az elektromos tér oszcillál. Az itt elhelyezkedő étel poláris molekuláit (például a vízmolekulákat) az elektromos tér forgatja, a hullám energiáját forgási energiává alakítva. A többi molekulával való ütközés miatt rendezett forgási állapot nem jön létre, hanem a forgási energia termikus energiává alakul, azaz az étel felmelegszik. A folyamat nem rezonáns abszorpció, mivel a vízmolekulák a mikrohullámú sütő frekvenciájától 1-2 GHz-zel eltérő frekvenciákra is hasonlóan reagálnának. A mikrohullámú sütők 2.5 GHz frekvenciája azért lett szabványosítva, mert az ekörüli frekvenciaablak a távközlésben nincs használva. A mikrohullámok elnyelési tartománya nem lokalizálódik az étel felületére (mint ahogy a hőátadás egy hagyományos tűzhelyen), a hullámok néhány centiméter mélyre is behatolnak és ott is elnyelődnek.

A plazma fűtésére használt mikrohullámok frekvenciája olyan magas, hogy keltésük magnetronokkal nem oldható meg, gyrotronokat kell alkalmazni. Ezen eszközökben a katódból kilépő elektronok ciklotron-mozgást végeznek, azaz a mágneses térre merőleges síkban a pályájuk körmozgást ír le. Az ilyen ciklotronpályákon mozgó elektronok kis köráramoknak tekinthetők, amelyek a klasszikus elektrodinamikai leírásban mágneses dipólsugárzók, azaz forgási frekvenciájukkal megegyező frekvenciájú elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. (Kvantummechanikai szemszögből nézve az energiakibocsátás Landau-nívók közti átmenet.) Azonban az ilyen spontán módon történő sugárzás túl lassú folyamat, ezért a gyrotronokban az energiakibocsátást stimulálni kell. Ehhez az elektronokat egy üregrezonátorral kell körbevenni, amelynek méretei a kibocsátott mikrohullám hosszának egész számú többszörösei. Hasonló módon működik a lézer is, ott is energiaállapotok közötti átmeneteket kell stimulálni egy üregrezonátorral, de ott az elektronok atompályákon ugrálnak, és nem a mágneses tér által létrehozott ciklotronpályákon. A ciklotronmozgást előidéző mágneses térnek a gyrotronokban akkorának kell lennie, mint a tokamakban (illetve 2 – 3 szorosának, ha a ciklotron- frekvencia felharmonikusaival fűtjük a plazmát). A néhány Teslás mágneses tér viszont már kis térfogatban sem állítható elő állandó mágnes segítségével, így a gyrotronok üzemeltetése lényegesen összetetteb feladat, mint a magnetronoké. Ráadásul az elrendezésből adódóan a mágneses teret létrehozó tekercsek megfelelő hűtése nem oldható meg hagyományos tekercsekkel, hélium-hűtésű szupravezető tekercsekre van szükség. Egy másik, szintén a gyrotronok alkalmazásával összefüggő probléma, hogy a nagy teljesítményű ,ikrohullám-nyalábot egy vákumzáró ablakon keresztül kell kicsatolni. Az egyedüli átlátszó anyag pedig, amely képes ezen megawattos teljesítményt kiengedni egy néhányszor 10 centiméter átmérőjű lyukon a gyémánt.

 

8. ábra: Bal: a gyrotron felépítése,
jobb: fénykép a TCV tokamak 
egy 83 GHz frekvenciájú, 0.5 MW-os gyrotronjáról

A mikrohullámok fémfalú, néhányszor 10 centiméteres átmérőjű csövekben szállíthatók akár több 10 méter távolságra is. Ez annyiban jelent előnyt a semleges nyaláb fűtéssel szemben, hogy a gyrotronokat nem kell a tokamak közvetlen közelében elhelyezni, a gyrotron-platformok akár egy másik épületben is lehetnek. A TCV tokamakot például 9 darab, egyenként fél megawattos gyrotron fűti, az ITER 40 MW-os ECRH fűtési teljesítményét pedig körülbelül 25 darab, egyenként 1-2 MW-os gyrotron fogja biztosítani.

A mikrohullámok a plazmában lokalizáltan nyelődnek el abban a rétegben, ahol a plazma elektronjainak ciklotron-frekvenciája megegyezik a mikrohullám frekvenciájával (vagy a frekvencia harmonikusával). Ez a fajta rezonancia-elnyelődés annak a következménye, hogy mivel a mikrohullám elektromos tere és az elektron helye azonos ritmusban változik, a váltakozó elektromos tér folyamatosan gyorsítja az elektront. Az abszorpciós réteg a tokamakban sugárirányban meghatározott helyen található, azonban a függőleges elnyelődési hely attól függ, hogy a mikrohullámokat hova lőjük be. Általában a plazma közepét szokás célba venni, de bizonyos instabilitások elkerülése végett van, hogy egy külsőbb helyen szeretnénk fűteni. Ezt a mikrohullámot irányzó tükör pozíciójának változtatásával lehet megtenni.

 

9. ábra: A TCV tokamak ECRH rendszere

A plazmában léteznek olyan instabilitások, amelyek ezredmásodperc alatt felnőnek. Ha ezeket mikrohullámú fűtéssel akarjuk csillapítani, akkor ezredmásodperc alatt fel kell őket ismerni, meg kell határozni pozíciójukat, ki kell számítani, hogy a tükröt a megfelelő célzáshoz hogyan kell beállítani. Olyan szintű számítógépek, amelyek ezt a folyamatot ilyen sebességgel képesek irányítani azonban csak 1-2 éve léteznek.

 

10. ábra: Bal: az ITER, rajta bejelölve elektron ciklotron rezonancia fűtés belövője,
jobb: mikorhullámok behatolása a DIII-D tokamak plazmájába

Rádiófrekvenciás – ion ciklotron rezonancia fűtés (ICRH)