Magyar fúziós plazmafizika kutatások

A magfúziós fizikai kutatások nagy része a forró plazmák előállításával, fűtésével, mérésével, szabályzásával és a plazmán belül zajló fizikai folyamatokkal foglalkozik, ezt nevezzük fúziós plazmafizikának. Ez a tevékenység szorosan kapcsolódik a fúziós technológiai fejlesztésekhez, amelyek ahhoz kellenek, hogy a fúziós plazmákat előállító berendezéseket létre tudjuk hozni, a plazmából kijövő teljesítményt kezelni és hasznosítani tudjuk. A két terület között a határvonal természetesen nem merev, hiszen például a plazmát fűtő berendezések rengeteg fizikai folyamaton alapulnak, ugyanakkor speciális technológiai elemeket is tartalmaznak. Ez a tanulmány a magyar fúziós kutatásokat plazmafizika oldalról, a technológiai fejlesztéseket egy másik tanulmányban mutatjuk be.

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 kellenek. Sok eljárás létezik, ezek közül magyar kutatók néhány módszerre specializálódtak, így európai- és világszinten is vezető szerepet játszhatnak.

Nyalábemissziós Spektroszkópia (NyES)

A nyalábemissziós spektroszkópia egy mérési módszer a plazma sűrűségének meghatározására. Alapja egy gyorsított atomokból álló nyaláb amely 100-1000 km/s sebességgel lép be a plazmába. Mivel semleges atomokról van szó, azok akadálytalanul áthatolnak a plazmát összetartó mágneses téren. Amint a plazmába érnek a ott levő negyenergiás elektronok és ionok ütköznek a nyaláb atomjaival és fénykibocsátásra késztetik őket. A kibocsátott fény a plazma sűrűségétől függ, így a fényintenzitásból a sűrűség számolható ki. Az atomok egy idő után természetesen ionizálódnak is a plazmában és ekkor a mágneses tér eltéríti őket, és a nyaláb legyengül. A nyaláb anyagától és  a plazma tulajdonságaitól függően a behatolási mélység lehet csak néhány centiméter vagy egy méter is, ennek megfelelően ez az eljárás korlátozhat a plazma szélére vagy mélyebb tartományokra is. A NyES módszer előnye, hogy folyamatos információt szolgáltat a sűrűség eloszlásról. Ezzel lehetővé válik instabilitások, hullámok, turbulencia vizsgálata is.

Magyar kutatók mind speciális atomnyalábok, mind nagyérzékenységű megfigyelőrendszerek építésével foglalkoznak, valamint ilyen berendezésekkel méréseket folytatnak és azokat feldolgozzák. Néhány példát mutatunk alább.

NyES mérés fűtő atomnyalábokon

NyES mérések végezhetők a plazmát fűtő hidrogén (deutérium) 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.

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 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. Az előzőektől eltérően ez a mérés nátrium nyalábbal működik ami jobb térbeli felbontást tesz lehetővé. Erre a berendezésre újfajta megfigyelőrendszert terveztünk, amely lavinadiódák és szilárdtest fotoelektronsokszorozók kombinált rendszere.

 

Magyar lítium nyaláb belövő a COMPASS tokamak mellett és plazma sűrűségének változása az EAST tokamak plazma szélén, melyet a magyar lítium nyaláb diagnosztika mért meg 4 microszekundum időfelbontással.

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) és a Wendelstein 7-X sztellarátor nátrium nyalábja a labor tesztelés után(2017) .

Az alkáli nyaláb NyES egy lehetséges továbbfejlesztése a nyalábból keletkező ionok detektálása. Az alábbi képen a COMPASS tokamakban a lítium vagy nátrium nyalábból származó ionok számolt pályája látható. Az inok a plazmában folyó áram mágneses terének hatására eltérnek az ábra síkjára merőlegesen. Az ionnyaláb elmozdulásából mérhetjük a plazma belsejében a mágneses teret és ezen keresztül az ott folyó áramokat. Az ionok detektálásához egy speciális Faraday csésze mátrixot terveztünk, mely akár néhán millimod másodperc időfelbontással képes mérni a nyaláb mozgását.

Nátrium ionok számolt pályája a COMPASS tokamakban két nézetből és az ionnyaláb számolt árameloszlása a detetkor mátrixon. A jobb oldalon a detektor mátrix fényképe látható.

A COMPASS kísérletek után a garchingi IPP intézetben az ASDEX Upgrade tokamakon dolgozó német kutatók egy másfajta optikai detektorral terveznek egy hasonló ionnyaláb mérést megvalósítani. A nagyobb tokamakban nehezebb ionokra van szükség. Az IPP megbízásából a Wigner FK építette meg az ehehz szükséges atomnyaláb gyorsítót amely nátrium, rubídium vagy cézium atomokat tud 60-80 kV energiára gyorsítani.

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.

A magyar-német videokamera csapat a Wendelstein 7-X sztellarátor első plazmakísérlete után

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 az EDICAM kamerát, hanem a teljes mechanikai, vákuum és számítástechnikai infrastruktúrát is jelenti, mely Wigner-BME együttműködésben valósult meg 2019-re.

A JT-60SA tokamak fényképe 2020-ban a kriosztát zárása után. Az EDICAM kamerarendszer installálása a JT-60 tokamakon 2020-ban és a kamera képe a tokamak belsejében az installálás után. A kamerafej a plazma közvetlen közelében helyezkedik el, ezért csak egy kis lyukon kéz ki. A speciális optika lehetővé teszi, hogy ennek ellenére széles szögben áttekintő képet adjon a tokamak belsejéről.

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 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

Mérési jelek statisztikus vizsgálata

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.

A turbulencia statisztikus jelenség, ezért méréséhez hosszú idősorok analízisére van szükség. Ehhez fontos mérési eljárás az atomnyaláb diagnosztika, mivel folytonos időbeli jelet szolgáltat a plazma sűrűségingadozásairól egy nagyobb térbeli tartományban. A különböző helyeken mért változások közötti összefüggést időbeli vagy frekvencia szerinti korrelációs számítással vagy egyedi események átlagolásával lehet tanulmányozni. 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. Az ábra frekvencia szerint szétbontva mutatja a két mért idősor közötti összefüggést. Látható, hogy 15 kHz körül tisztán megjelennek olyan rezgések, amelyek koreláltak a két mérésben. Ezek az úgynevezett GAM oszcillációk szerepet játszanak a plazmaturbulencia szabályzásában.

A plazma sebességmudulációinak tér-idő korrelációs függvénye a CASTOR tokamakban. Az ábra azt mutatja, hogy a plazma különböző mélységi tartományaiban (függőleges koordináta) mennyire korreláltak a sebességváltozások at r=80 mm-es ponthoz képest. Látható, hogy kb 1ms időtartamban a plazma szélén egy kb. 5 mm-es sávban korrelált sebesség fluktuációk tapasztalhatók. Ezek az alacsonyfrekvenciás sebességmodulációk is fontosak a plazmaturbulencia szabályzásában.

A fúziós plazmában gyakran mérhetők különböző hullámok, melyek torzítják a plazma alakját, részecskéket és hőt transzportálnak a mágneses téren keresztül, vagy akár a plazmaösszetartás részleges vagy teljes összeomlásához vezetnek. Ezek a hullámok a legtöbb esetben az egész berendezésben kiterjedtek ezért lokális mérésekkel nehéz a térbeli szerkezetüket felderíteni. Mivel  a plazma egy elektromágnesesen aktív közeg, ezért a nagy tartományokra kiterjedő rezgések a plazmán kívül is mágneses tér ingadozásokat keltenek. Ezeket kis tekercsekkel mérni lehet és a berendezésen szétszórt sok ilyen detektorral meg lehet határozni a hullámok térbeli szerkezetét. Erre feljlesztett ki módszert a BME Nukleáris Technikai Intézete “NTI Wavelet Toolkit néven”, amelyet több berendezésen is használnak.

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.

 

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

Másik fontos ITER diagnosztika a plazma belsejében a fúziós rekació során felgyülemlő Hélium valamint más szennyező anyagok és a plazma ionok hőmérsékletének mérésére szolgáló töltéscsere diagnosztika (Charge Exchange Resonance Spectroscopy). Ez a NyES teechnikához hasonlóan egy diagnosztikai hidrogén nyalábot használ, amely az ITER esetében egy több MW teljesítményű nyaláb. Erre néz egy optika, amely a fényt több tükrön keresztül juttatja optika szálakba, amelyek egy körülbelül 50 méter távolságra levő laboratóriumban elhelyezkedő spektrométer szobába továbbítják azt. Az ITER esetében egy ilyen diagnosztika óriási nehézségeket vet fel, mivel sem detektorok, sem optikai szálak nem lehetnek a plazma közelében az erős neutron sugárzás miatt. A diagnosztikát egy nemzetközi konzorcium tervezi, melyben a BEM NTI, a Wigner FK és az Optimál Optik Kft dolgozik a tokamakon kívüli optika elrendezésén, a fény szálakba csatolásán. A diagnosztika fejlesztése egy igen hosszú munka, az első mérések csak 2032 után lehetségesek.