Magyar fúziós kutatások

Kis ország révén Magyarország nem törhet meghatározó szerepre a fúziós kutatásokban, amelyek egyre nagyobb, sok milliárd euró értékű berendezéseken kutatók ezreivel zajlanak. Viszont érdemes ezekbe bekapcsolódni mert a fissziós erőművek példáján láttuk, hogy a magas technikai színvonalat képviselő technikák ott tudnak jelentős szerepet játszani, ahol a kapcsolódó tudománynak és technikának kultúrája van. A jövő ígérete mellett ma a fúziós fizikai kutatások a fizikusnak rendkívül izgalmas kutatási feladatot, a mérnöknek élenjáró technikai fejlesztést, az iparnak pedig technológiai fejlődést jelentenek. Ez az oldal ízelítőt ad a mai magyar fúziós kutatásokból.

Plazmadiagnosztika

A 100 millió Celsius fok hőmérsékletű plazmához speciális mérési eljárások kellene. Sok eljárás létezik, ezek közül magyar kutatók néhány módszerre specializálódtak, így európai- és világszinten is vezető szerepet játszhatnak.

Nyalábemissziós Spektroszkópia (NyES)

NyES mérések végezhetők a plazmát fűtő atomnyalábokon, ekkor csak az optikai megfigyelőrendszert kell megépíteni. Ilyen mérés épült fel 2010-re magyar-angol együttműködésben a MAST tokamakra, a költségeket ez a berendezés fedezte. Az Adimtech Kft.  (az MTA spin-off vállakozása) kapott megrendelést a 4×8 pixeles lavinadióda detektor kifejlesztésére, míg a megfigyelőrendszer többi részét a KFKI RMKI építette. A lavinadióda detektor terveit később a Fusion Instruments Kft. megvásárolta és továbbfejlesztett változatait, APDCAM kameracsalád néven forgalmazza.

A MAST Nyes diagnosztika a plazmaturbulencia és más folyamatok részleteibe adott betekintést, számos kutatócsoport használta az eredményeit. A mérés sikere más berendezéseket is a magyar csoport bevonására késztetett. 2011-12-ben készült el egy hasonló rendszer a dél-Koreai KSTAR tokamakra majd egy 8×16 pixel felbontású rendszer a kínai EAST tokamakra. Ezekkel az eszközökkel a plazma szélén és a határrétegében zajló turbulenciát, hullámokat lehet megfigyelni.

A MAST tokamak 2016 óta jelentős fejlesztés alatt áll. Ennek keretében a Wigner FK-t felkérték a NyES diagnosztika bővítésére. Ennek keretében új optika készült és megnöveltük a detektor felbontását 8×8 pixelre. A mérések várhatóan 2018-ban kezdődnek.

NyES mérés fűtő atomnyalábokon

NyES mérések végezhetők a plazmát fűtő atomnyalábokon, ekkor csak az optikai megfigyelőrendszert kell megépíteni. Ilyen mérés épült fel 2010-re magyar-angol együttműködésben a MAST tokamakra, a költségeket ez a berendezés fedezte. Az Adimtech Kft.  kapott megrendelést a 4×8 pixeles lavinadióda detektor kifejlesztésére, míg a megfigyelőrendszer többi részét a KFKI RMKI építette.

A magyar megfigyelőrendszer vákuumkamrán belüli része a budapesti labortaszteléseknél, a MAST tokamakban és a diagnosztika építői a MAST előtt (2010). Erről a mérésről és a MAST más diagnosztikai elemeiről egy érdekes film található itt.

A MAST nyalábemissziós mérés sikere más berendezéseket is a magyar csoport bevonására késztetett. 2011-12-ben készült el egy hasonló rendszer a dél-Koreai KSTAR tokamakra és 2013 végén tervezünk installálni egy 4-szer nagyobb felbontású (8×16 pixeles) detektorrendszert a kínai EAST tokamakon.

A KSTAR NyES megfigyelőrendszer Daejeon-ban a laboratóriumi tesztelésen, útban a tokamak felé, és végül a tokamak M jelű portjába szerelve (2012). A KSTAR NyES megfigyelőrendszer a Wigner FK és  a BME közös projektje.

NyES mérés Lítium atomnyalábbal

NyES mérések másik módja, hogy direkt diagnosztikai céllal lövünk a plazmába egy speciális atomnyalábot. Erre leginkább lítium vagy nátrium atomok alkalmasak, mert erős fényt bocsátanak ki, amelynek intenzitása ráadásul kevéssé függ a plazma hőmérsékletétől. 60 kV körüli energiájú lítium atomnyalábot előállítani viszont nem egyszerű, ehhez egy kis részecskegyorsító kell a hozzá tartozó vákuum és nagyfeszültségű problémákkal. Magyar kutatók 1994 óta foglalkoznak ezzel a módszerrel és a szisztematikus technológiai fejlesztés hatására mára a leghatákonyabb ilyen diagnosztikák magyar fejlesztésűek.

2008-2012 között működött egy magyar Lítium atomnyaláb diagnosztika a TEXTOR tokamakon. Ez egy korában leállított német diagnosztika átépítésével keletkezett mivel korábbi méréseken (a Wendelstein 7-AS sztellarátoron) kimutattuk, hogy a lítium atomnyaláb módszer a plazmaturbulencia mérésére is alkalmas. Ezzel a diagnosztikával ki tudtuk mutatni a plazmában gerjesztődő oszcilláló áramlásokat és térbeli struktúrájukat valamint más százezred másodperc alatt lejátszódó plazmafolyamatok részleteit.

  

 A TEXTOR lítium-nyaláb lavinadióda detektorrendszere és a nyaláb vezérlőprogram képernyője(2008).

A TEXTOR lítium nyaláb sikerén felbuzdulva belefogtunk egy saját nyaláb építésére a COMPASS tokamakra. Ez 2012-ben kezdett üzemelni, de a megfigyelőrendszer csak 2015-ben lett teljes. Mivel az optika további optimalizálásával több fényt tud gyűjteni ez a diagnosztika jobb időbeli felbontást tesz lehetővé.

A TEXTOR lítium nyaláb eredményeit látva a KSTAR és az EAST tokamak is megkereste a Wigner FK kutatóit annak érdekében, hogy ilyen diagnosztikát építsünk a berendezésekre. Az összes eddig tudást áttekintve egy új tevezésű lítium nyaláb diagnosztika épült erre a célra. A megfigyelőrendszert a fűtőnyalábos NyES diagnosztikánál bevált lavinadiódás detektorra alapoztuk, azonban a felbontást lényegesen megnöveltük. Ezek a berendezések 2013-15 között kezdtek működni és hatásukra a Wigner FK pályázaton elnyerte a Wendelstein 7-X sztellarátor alkáli nyaláb diagnosztika rendszer tervezését és építését. Ez a berendezés 2017 nyarán került fel a sztellarátorra.

 

Magyar lítium nyaláb belövő a COMPASS tokamak mellett.

JET tokamakon régóta működik egy lítium atomnyaláb diagnosztika. Ennek a továbbfejlesztését végezték több lépcsőben magyar kutatók. A legutóbbi lépésben, 2012-ben, átépítettük a teljes detektorrendszert és beépítettünk egy lavinadióda detektort amelyet eredetileg a MAST tokamakra fejlesztettünk ki. 2015-ben az ionforrást és a nyalábbezérlő elektronikát is magyar fejlesztésűre cseréltük. A JET tokamakon a Lítium atomnyaláb diagnosztika alapeszköznek számít a plazma szélső tartományaiban a sűrűség mérésére, ezért minden mérési kampányban részt vesznek magyar kutatók is.

A JET lítium nyaláb diagnosztika detektorrendszere az átépítés előtt, közben és végén (2012).

Egy lítium nyaláb képe a laboratóriumban és tesztelési összeállítás a JET lítium nyalábhoz a garchingi IPP intézetben (2006).

Mindkét NyES technika fontos eleme a mérés modellezése, a várható jelek kiszámítása és a fényjelből a plazma sűrűségének és más tulajdonságainak meghatározása. A NyES mérések modellezésére szolgál a BME által fejlesztett RENATE programcsomag amely három dimenzióban modellezi a nyaláb belövést, a nyalábban zajló atomfizikai folyamatokat, a fény kibocsátását és detektálását. A RENATE modellezés az első lépés a mérések tervezésekor és fontos eszköz az adatok értelmezésekor. Ezt a programocsomagot hallagók több generációja alkotta a BME kutatók irányításával és kíváló lehetőséget biztosít a fúziós kutatásokba való bekapcsolódásra.

A KSTAR és EAST tokamakokra tervezett lítium atomnyaláb mérnöki terve (2013).

Video diagnosztikák

A fúziós plazma alakjának, a vákuumkamrával való kölcsönhatásának és más jelenségeknek a vizsgálatára nélkülözhetetlenek videokamerák. Ezek működtetése egy fúziós berendezésben nem annyira egyszerű, mint amennyire első ránézésre látszik, mert a mágneses tér, sugárzás, gyors folyamatok speciális megoldásokat igényelnek. Ilyen rendszereket építettek magyar kutatók is például az ASDEX Upgrade tokamakra a plazmába lőtt kis deutérium jégdarabok (pelletek) párolgásának és az általuk keltett instabilitásoknak a vizsgálatára.

Pellet párolgásának nyoma videokamera felvételen az ASDEX Upgrade tokamakban (balra) és egy képsorozat egy másik pelletről (2011).

Az ASDEX Upgrade eredmények alapján egy spanyol-portugál-magyar csoport állt fel, hogy egy ultragyors kamerát szereljen a JET tokamakra és méréseket végezzen vele. Ez  diagnosztika feltárta mi történik a plazmában amikor egy pellet instabilitást kelt.

2005-ben magyar fúziós kutatók felkérést kaptak az épülő Wendelstein 7-X sztellarátor 10 kamerából álló videodiganosztika rendszerének elkészítésére. Ez hatalmas kihívás mivel a berendezés a tervek szerint akár 30 perces impulzusokban is fog üzemelni. Erre a feladatra EDICAM néven egy olyan saját fejlesztésű kamera készült amely saját maga képes döntéseket hozni, hogy mikor készítsen gyorsabb vagy lassabb felvételeket. Az EDICAM rendszer a sztellarátor alapvető diagnosztikája, minden kísérletben kell, hogy működjön. 2015-ben sikeresen rögzítette az első plazmakisülést és azóta is alapvető információkat szolgáltat. A 2016-os első fizikai kampányban a kamera bizonyította, hogy egyszerre képes lassú és gyors folyamatok mérésére. Más gyors kamerákkal együtt megtalálta a plazma szélén keletkező szálas struktúrákat, és a 2017-es kampányban remélhetőleg egyedülálló mérést tud ezek háromdimenziós struktúrájáról végezni. A 2017-es mérési kampányban 7 EDICAM üzemel, melyeket 3 gyors kamera egészít ki.

A Wendelstein 7-X diagnosztika eredmények felkeltették más berendezések érdeklődését is. 2016-ban magyar fúziós kutatók elnyerek egy Eurofusion pályázatot az építés alatt álló EU-Japán JT-60SA tokamak első videorendszerének megépítésére. Ez nem csak z EDICAM kamerákat, hanem a teljes mechanikai, vákuum és számítéstechnikai infrastruktűrát is jelenti, mely Wigner-BME együttműködésben valósul meg 2019-re.

ITER diagnosztika

A mai berendezéseken végzett diagnosztika fejlesztések magalapozták a fúziós kutatások kulcsberendezének, az ITER-nek, az építésében való magyar részvételt. Az első ilyen feladat volt a kb. 400 egyedi detektorral tervezett bolométer (sugárzásmérő) diagnosztika tomográfia algoritmusainak fejlesztése és a detektor elrendezés optimalizálása. E mellett magyar mérnökök és fizikusok fejlesztették a bolométer detektorcsoportokat, a töltéscsere diagnosztika optikájának egyes részeit, a videokamera rendszer koncepcióját, a lézeres sűrűség- és hőmérsékletmérő (LIDAR) diagnosztika egyes elemeit.

 

 Az ITER bolométer tomográf mérőhúrjai és a toltéscsere diagnosztika optika első részének terve (2012).

Az erős magyar fúziós mérnöki háttér és fúziós diagnosztikai tudás alapozta meg azt a pályázatot amelyben a Wigner FK, az Energiatudományi Kutatóközpont és a BME konzorciuma elnyerte az ITER vákuumkamrán belüli kábelezési megoldásainak fejlesztését, a prototípusok tesztelését.

A fúziós köpeny fejlesztése

A mai fúziós kísérletek leginkánn tiszta deutérium plazmával működnek, de a jövőbeli fúziós erőművekben deutérium-trícium keverékre lesz szükség. Ehhez a tríciumot a plazma körüli köpenyben kell termelni. Erre a technológiára még csak tervek léteznek, melyeket először az ITER-be épített teszt kazettákkal (Test Blanket Module, TBM) lehet majd vizsgálni. A TBM fejlesztésben a Wigner FK és a BME az európai TBM konzorcium részeként vesz részt és számos feladatot oldott meg az ITER TBM-ek kapcsán: a hűtés termohidraulikai modellezését, a szekezet tervezését és szilárdsági analízisét, a karbantartási feladatokat és az infrastruktúra elrendezését.

Az ITER TBM (bal oldali képen elől) és kiszolgáló egységeinek terve. Jobb oldalt a DEMO fúziós reaktor köpenyelrendezésének koncepciója.

Plazmaturbulencia kutatás

A magyar diagnosztikai fejlesztések jelentős része arra irányul, hogy kimérjük a plazmában zajló turbulencia részleteit. Ez nem könnyű feladat mivel a turbulencia csak 0.1-10%  közötti mértékben változtatja a plazma paramétereit cm vagy annál is kisebb örvények formájában. Maga a turbulens örvények mellett fontos összetevők a plazma áramlásai, melyek általában elnyomják a turbulenciát. A magyar fúziós közösség kutatásai elsősorban kísérleti jellegűek, az általunk vagy mások által épített diagnosztikák jeleiben keressük a fenti jelenségek jellemzőit és tanulmányozzuk kölcsönhatásukat. Magyar mérések kimutatták a turbulencia tulajdonságait a Wendelstein 7-AS sztellarátoron, a CASTOR, TEXTOR, JET, MAST, KSTAR,  EAST tokamakokon.

Magyar mérés mutatta ki az alacsonfrekvenciás rétegáramlást a CASTOR tokamakon, valamint az oszcilláló rétegáramlások elméletileg várt számos tulajdonságát a TEXTOR tokamakon.

 

Áramlási sebesség oszcillációk koherenciája a tokamak két távoli pontja között mérve. Az egyik mérés a magyar litium NyES diagnosztika a másik egy német reflektometria diagnosztika. 15 kHz körül tisztán megjelennek az úgynevezett GAM oszcillációk 0 körüli fázissal. (S. Zoletnik et al, Plasma Physics and Controlled Fusion, 54 065007 (2012)

A plazma sebességmudulációinak tér-idő korrelációs függvénye a CASTOR tokamakban.
(
Bencze, et. al. Plasma Phys. Control. Fusion 48 S137 (2006)

 

A plazma saját sugárzásának mérése

A forró plazma, hasonlóan egy izzólámpához, fényt bocsát ki magából. A kisugárzott fény energiája jelentős, a plazma teljes hőveszteségének akár feléért is felelős lehet. Azonban a hullámhossza nem korlátozódik a látható tartományra, az energia döntő részét UV és lágyröntgen sugárzás formájában bocsátja ki a plazma. Ezek detektálása nem oldható meg hagyományos kamerák segítségével. Az összes kisugárzott energia mérése érdekében fejlesztett a MEFSZ a lausanne-i TCV tokamakra egy széles spektrumban érzékeny 7, egyenként 20 pixeles kamerából álló mérőrendszert. Ezek megfelelő térbeli pozícióba helyezésével el tudtuk érni, hogy az orvosi CT-ben alkalmazott tomográfiás módszerhez hasonlóan a plazma sugárzási profiljának egy metszetét meg lehessen határozni. Rendszerünk különlegessége gyorsaságában rejlik: másodpercenként kétszázezer sugárzási képet lehet vele rögzíteni,   amellyel   a   plazmában   lejátszódó   tranziens   folyamatok   mérése   is lehetséges.

bal: fénykép egy széles elektromágneses spektrumban mérő kameráról,
jobb: 
a kamerarendszer elhelyezkedése a berendezés egy függőleges metszetében

 A TCV tokamakon elsőként alakítottak ki olyan plazmageometriát, amelyben a plazmából  kiáramló  nagyenergiájú  részecskék  a  berendezés  falával  nem  kettő, hanem négy pontban érintkeznek. Ennek elvi előnye, hogy az egyes érintési pontok hőterhelése  csökken.  Azt,  hogy  ez  valóban  így  van  még  a  gyors  plazmaszéli módusok alatt is, részben ezen kamerák segítségével bizonyították be. Az 1. ábrán (B. Labit et. al., 39th EPS Conference on Plasma Physics, P5.091) látható, hogy a hagyományos konfigurációban (1. sor), ahol a plazmát határoló, fehér vonallal jelzett felület csak két pontban ér a kamra falához, nincs sugárzás a kamra alsó felében, míg ha négy pontban ér hozzá (2. sor), van. Ez arra utal, hogy a 4., a kamra alsó részében lévő érintkezési pont felé is áramlik energia. Továbbá az is látható, hogy ezen módusok sugárzási profilja   nagyon gyorsan, ezredmásodperces időskálán változik.

Sugárzási profilok plazmaszéli módusok alatt különböző geometriákban