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 Celsis 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)

A fúziós plazma sűrűségének mérése alapvető fontosságú, ezért több eljárás is létezik rá. Ezek mindegyike  valamilyen tekintetben korlátos képességekkel bír. A nyalábemissziós spektroszkópia úgy oldja meg a feladatot, hogy valamilyen atomokból álló nyalábot lő a plazmába és a nyaláb által kibocsátott fényt figyeli meg.  Bár a nyaláb atomjai gyorsan, kb. 1000 km/s sebességgel  mozognak, mégis lassúak a plazma elektronjainak száguldásához képest, amelyek legalább tízszer gyorsabb mozgással bombázzák az atomokat és evvel fénykibocsátásra késztetik őket. Minél nagyobb a plazma sűrűsége annál erősebb a fénykibocsátás és így a fényintenzitás méréséből a plazma sűrűsége kiszámítható. Persze ez elektronbombázás előbb-utóbb leüti az atomokon kötött elektront és így a semleges atomok fokozatosan fogynak a plazma belseje felé haladva.

A NyES módszerrel folyamatosan mérhető a plazma sűrűsége a nyaláb mentén, ami óriási jelentőségű a plazmaturbulencia mérése miatt, itt ugyanis legalább néhány 100 kHz frekvenciával kell mérni. A jó mérés kulcsa a jó optika és detektor, ugyanis a mérhető fény gyenge és a plazma háttérfénye erős. Egy ilyen rendszer felépítése hosszú évek munkájába és 50-100 millió forintba kerül, amelyet döntően külföldi források fedeznek.

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

A NyES mérések másik módja, hogy direkt diagnosztikai céllal lövünk a plazmába egy speciális atomnyalábot. Erre leginkább Lítium 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. A MEFSZ kutatói 1994 óta foglalkoznak ezzel a módszerrel és mára a leghatákonyabb ilyen diagnosztikák magyar fejlesztésűek.

2008 óta működik 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.A TEXTOR diagnosztika kapott egy nyors nyalábvezérlést és egy optimalizált detektorrendszert, amellyel 2008 óta a plazmaturbulencia részleteit kutatjuk. Ez a diagnosztika a korábbiakhoz képest legalább tízszer kisebb zajjal méri a nyaláb fényének ingadozását.

  

 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 2013-ban lesz teljes. Ez a mérés reményeink szerint még részleresebb betekintést enged majd a plazmaturbulencia folyamatokba mint a TEXTOR lítium nyaláb.

 

Magyar lítium nyaláb belövő a COMPASS tokamak mellett.

A JET tokamakon régóta működik egy lítium atomnyaláb diagnosztika. Ennek a továbbfejlesztését végezték az elmúlt években magyar kutatók. A legutóbbi lépésben, 2012-ben, átépítettük a teljes detektorrendszert és beépítettünk egy lavinadióda detektort amelyet eredetileg a MAST tokamakra fejlesztettünk ki. Előkészületben van a JET lítium nyaláb belövőn az ionforrás lecserélése is egy magyar fejlesztésűre.

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).

A TEXTOR lítium nyaláb eredményeit látva mind a KSTAR mind az EAST tokamak megkereste a Wigner FK kutatóit annak érdekében, hogy ilyen diagnosztikát építsünk a berendezésekre. Az összes eddig tudást áttekintve egy új tevezésű lítium nyalábot építünk erre a két berendezésre, mindkettőnek 2013-ban kell elkészülnie.

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. A kamera már 3 éve sikeresen üzemel és feltárta mi történik a plazmában amikor egy pellet instabilitást kelt.

2005-ben a MEFSZ felkérést kapott az épülő Wendelstein 7-X sztellarátor 10 kamerából álló videodiganosztika rendszerének elkészítésére. Ez hatalmas kihívás mivel a berendezés a tervek szerint akár 20 perces impulzusokban is fog üzemelni. Erre a feladatra EDICAM néven egy olyan saját fejlesztésű kamera készül amely saját maga képes döntéseket hozni, hogy mikor készítsen gyorsabb vagy lassabb felvételeket. Az EDICAM jelenleg van tesztelési stádiumban, 2014-ben kell működnie a sztellarátoron.

A Wendelstein 7-X kísérlet vákuumkamrájának terve a video diagnosztika 10 megfigyelő csővével, egy videokamera mechanika terve és az EDICAM kamera prototípusa.

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).

A Wigner FK és a BME közös javaslatot tett a töltéscsere diagnosztika továbbfejlesztésére amihez jelenleg próbamérések zajlanak egy holland kollégák által épített ITER teszt spekktrométerbe integrált magyar detektorral.

Magyar fénydetektor a holland ITER teszt spektrométerben (2011).

A MEFSZ erős mérnöki háttre  és fúziós diagnosztikai tudása alapozta meg azt a pályázatot amelyben a Wigner FK, az Energiatudományi Kutatóközpont és a BME konzorciuma elnyerte az ITER vákuumkamrán belüli kábelezési megodásainak fejlesztését, a prototípusok tesztelését. Ez egy kulcselem a berendezésen, ha egyszer felszerelték a kábeleket azok nagy részét nem lehet karbantartani.

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 diganosztikai fejlesztések jelentős része arra irányul, hogy kimérjük a plauzmában 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 diagnsztikák jeleiben keressük a fenti jelenségek jellemzőit és tanulmányozzuk kölcsönhatásukat. Magyar mérések kimutatták a turbulencia tulajdonságait a Wendelstein 7-AS, CASTOR, TEXTOR, JET, MAST, KSTAR tokamakokon és a jelenleg épülő új méréseink a COMPASS, KSTAR és EAST tokamakon is elsőrorban ezt a célt szolgálják.

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

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