Hogyan készül a plazma „üzemanyaga” extrém körülmények között?
A fúziós berendezésekben a plazma fenntartásához folyamatosan pótolni kell a hidrogénizotópokat. A fúziós reakciók során a részecskék egy része a plazma peremén elszökik, más részük pedig magában a reakcióban alakul át, ezért az üzemanyag-utánpótlás elengedhetetlen feltétele a stabil működésnek. Az utánpótlásra több bevált módszer is létezik; az alábbiakban a pelletbelövés technológiájába nyújtunk rövid betekintést, különös tekintettel a szilárd hidrogén előállítására.
Megelőző cikkünkben olvashattak a kriogén tesztrendszer kialakulásáról és szerepéről, első fejlesztési irány a parahidrogénnel kapcsolatos kísérletek voltak, a második fejlesztési irány pedig az „extruderes” pelletkészítési mérések.
Miért nem elég a gázbefúvás?
Elvi szempontból a legegyszerűbb üzemanyag-pótlási módszer a gázbefúvás, amikor a hidrogénizotópokat gázhalmazállapotban juttatják a plazmába. A gáz-halmazállapotú hidrogénizotóp a plazma peremére korlátozódik az alacsony belövési sebessége miatt, mélyebb rétegekbe nem jut el. Léteznek egyéb megoldások is, például a szuperszonikus molekuláris nyaláb injektálás (SMBI – supersonic molecular beam injection), ahol akár 1000 m/s sebességgel is képesek a plazmába lőni az üzemanyagot, de így is „csak” néhány centiméter mélységig hatolnak be a plazmába.
A leghatékonyabb megoldásnak jelenleg a szilárd hidrogénpelletek belövése bizonyul. Ennek során a hidrogént rendkívül alacsony hőmérsékleten deszublimálják (megfagyasztják), majd kis méretű jégdarabok formájában nagy sebességgel a plazmába lövik. A módszer hatékonyságát egy jól ismert fizikai jelenség segíti: a Leidenfrost-hatáshoz hasonlóan a pellet körül kialakuló gőzréteg csökkenti a párolgás sebességét, így a jégdarab akár több tíz centiméter mélyre is behatolhat a plazmába, így az üzemanyagutánpótlás hatásfoka jelentősen javul.
A Leidenfrost-jelenség során egy folyadékcsepp forráspontjánál jóval melegebb felületen gőzrétegen „lebeg”, ami hőszigetelőként lassítja a párolgást. Ennek köszönhetően a csepp hosszabb ideig megmarad, például: egy forró fémlapon „táncolva” mozog, mielőtt teljesen elpárolog.
A pelletinjektor fő egységei
Egy korszerű pelletbelövő rendszer három alapvető egységből épül fel:
- szilárd hidrogénforrás (extruder),
- daraboló mechanizmus, pelletvágó (puncher),
- gyorsító.
A rendszer működésének alapja az extruder, amely szilárd halmazállapotú hidrogénrudat állít elő. Ezt a daraboló egység előre meghatározott hosszúságú pelletekre vágja, majd a gyorsító a szükséges sebességre gyorsítja azokat a belövéshez.
Miért különleges a kriogén extrudálás?
Első ránézésre az extrudálás ismert technológiának tűnhet, hiszen a műanyagiparban széles körben alkalmazzák. Kriogén környezetben azonban a fizikai körülmények lényegesen eltérnek a megszokottaktól. A hidrogén izotópjai 10-20 kelvin körüli hőmérsékleten rendkívül érzékeny állapotban vannak: már néhány tized kelvines hőmérsékletváltozás is elegendő ahhoz, hogy a szilárd hidrogén mechanikailag stabil anyagból részben folyékony, instabil állapotba kerüljön. Ez a szűk üzemi tartomány önmagában is komoly tervezési és üzemeltetési kihívást jelent.
A kriogén hőmérsékleten lévő hidrogénizotópok viselkedése nem írható le egyszerű, klasszikus folyadékmodellekkel.
A technológia hátteréről és működéséről az alábbi cikkek nyújtanak részletesebb betekintést:
Longauer, B.: Kriogén extrúzió: kulcstechnológia a fúziós berendezések folyamatos üzemanyag-utánpótlásában.
Nukleon, Magyar nukleáris ismeretterjesztő folyóirat.Longauer, B.: Development of a batch extruder for the testing of the EU-DEMO pellet puncher
Fusion Engineering and Design, International Journal
Anyagok mozgása extrém körülmények között
A kriogén extrudálás során a hidrogén nem klasszikus folyadékként viselkedik. Kísérletek és modellezések alapján az anyag nem-newtoni tulajdonságokat mutat, amelyeket egyszerű anyagmodellekkel csak közelíteni lehet. A nyomás, az áramlási sebesség és a hőmérséklet szorosan összefügg egymással, ezért az extrudálás során keletkező belső hő megfelelő kezelése kulcsfontosságú.
A helyzetet tovább bonyolítja a szerkezet hőtágulása és zsugorodása. A szobahőmérsékleten pontosan illesztett alkatrészek kriogén hőmérsékleten akár tizedmilliméteres elmozdulásokat is mutathatnak, amit a tervezés során előre figyelembe kell venni a megbízható működés érdekében.
A vákuum és a hűtés, mint szűk keresztmetszet
A kriogén extruderek vákuumban működnek, ahol a hőterhelés elsősorban hővezetésen keresztül jut el a terhelt komponensekhez, miközben a környezet hősugárzása folyamatos többletterhelést jelent. Ez kedvező a hőszigetelés szempontjából, ugyanakkor komoly kihívást jelent, ha a szilárd hidrogén akár kis mértékben is párologni kezd. A felszabaduló hidrogéngáz rontja a vákuum minőségét.
Jelentőség az ITER és a jövő fúziós berendezései szempontjából
A pelletbelövés nemcsak az üzemanyag-utánpótlásban játszik szerepet, hanem a plazma stabilizálásában és bizonyos védelmi rendszerek működésében is. Az ITER méretű berendezések esetében a megbízható, nagy frekvenciájú pelletbelövés alapkövetelmény, amely közvetlen hatással van a hosszú idejű plazmaüzem megvalósíthatóságára.
A HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumában zajló fejlesztések, köztük a kriogén extruder és a hozzá kapcsolódó kísérletek azt a célt szolgálják, hogy ezek a technológiák ITER- és a jövőben DEMO-kompatibilis szintre emelhetők legyenek. Bár a feladat első látásra „csupán” hidrogénjég előállításának tűnhet, a részletekben rejlő mérnöki és fizikai kihívások jól szemléltetik, milyen összetett problémák megoldására van szükség ahhoz, hogy a fúziós energia gyakorlati alkalmazása valósággá váljon.
Szerző: Longauer Bence Tamás
