Fúziós plazma turbulenciájának és tranziens eseményeinek vizsgálata nyalábemissziós spektroszkópiával. Doktori értekezés tézisei

Átírás

1 Fúziós plazma turbulenciájának és tranziens eseményeinek vizsgálata nyalábemissziós spektroszkópiával Doktori értekezés tézisei Dunai Dániel Témavezető Dr. Zoletnik Sándor, A Fizikai tudomány kandidátusa főmunkatárs, KFKI RMKI Plazmafizikai főosztály Fizika Doktori Iskola vezető: Dr. Horváth Zalán egyetemi tanár Statisztikus fizika, biológiai fizika és kvantumrendszerek fizikája program vezető: Dr. Kürti Jenő egyetemi tanár 2010 MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

2 1. Bevezetés A dolgozat a szabályozott magfúziós energiatermelés érdekében mágnesesen összetartott magashőmérsékletű plazmák vizsgálatához kapcsolódik. A fúziós reakció létrehozásához a plazmát 100 millió Kelvin hőmérsékletűre kell hevíteni, és elegendően nagy sűrűségű állapotban kell elegendő hosszú ideig elszigetelni a környezetétől. A kísérletek kezdetén kiderült, hogy a mágneses erővonalakra merőleges transzport túl nagy ahhoz, hogy a kívánt sűrűség- és hőmérséklettartomány elérhető legyen. Ma már tudjuk, hogy a klasszikus elméletek által jósoltnál nagyobb transzport oka a plazma turbulens állapota. A fúziós kutatások történetében jelentős lépés volt a jó részecskeösszetartással jellemezhető plazmaállapot, az ún. H-mód felfedezése. A H-mód nemcsak a reaktorok megvalósíthatóságának irányába tett nagy lépés, hanem emellett egy izgalmas fizikai jelenség felfedezése is volt. Az átmenet során a plazma spontán módon átugrik az eredeti állapotból egy kétszer jobb energiaösszetartással jellemezhető állapotba. A jelenség hátterében a plazmaturbulencia és a berendezés teljes méretére kiterjedő áramlások bonyolult kölcsönhatása áll. Bár a felfedezése több mint 25 éve történt, ma sincs elfogadott konzekvens elmélet, ami leírja az átmenetet, illetve szimuláció, ahol ilyen jelenség látszana. Az elméleti kutatások és numerikus szimulációk fejlesztése mellett szükség van a részletesebb megfigyelésekre, és az ehhez szükséges plazmadiagnosztikák fejlesztésére is Az egyik szélplazma diagnosztika, amely képes a fenti jelenséget megfelelő térbeli és időbeli felbontással vizsgálni a nyalábemissziós spektroszkópia (NyES). A H-módot jellemző meredek plazma nyomásprofil korábban nem látott szélplazma instabilitásokat az ún. ELMeket kelt. Az ELM-ek egyrészt hasznosak a plazma szennyezőktől való megtisztítása miatt, másrészt veszélyesek a jövő erőműire, hiszen a plazma energiájának akár 10-20%-a is elveszhet miliszekundumos időskálán, ami a berendezés falán óriási hőterhelést jelent. A H- mód és az ELM-ek fizikájának megértése lehetőséget teremt a kontrolljukra, ami alapvető lesz a jövő fúziós reaktoraiban. 1

3 2. Előzmények, célkitűzések, alkalmazott módszerek A kísérleti munkám alapvető célja a plazmaturbulencia által keltett szélplazma fluktuációinak mérése, elemzése, és a megfigyeléshez szükséges eszközök fejlesztése volt. Munkám során a NyES diagnosztika fejlesztésébe kapcsolódtam be, mellyel a fúziós plazma sűrűségét és annak nagyfrekvenciás fluktuációit mérhetjük semleges atomnyalábok segítségével. A kitűzött célok így szétválnak a diagnosztika fejlesztése és a kapott eredmények elemzése témakörökre. Diagnosztika fejlesztés A nyalábemissziós spektroszkópia diagnosztika több évtizedes hagyományokkal rendelkezik különböző fúziós berendezéseknél. Első sorban Hz mérési frekvenciával a szélplazma sűrűségprofil mérésére használják. A W7 AS sztellarátoron sikerrel alkalmazták fluktuációmérésre és szélplazma áramlások feltérképezésére. Ezen előzmények után döntés született a TEXTOR-on működő lítium NyES-re diagnosztikára hasonló megfigyelő rendszer kiépítésére. Ez a következő célokat jelentette: - Az optimális jel/zaj viszonyt adó detektor megtalálása a TEXTOR gyors detektorrendszeréhez, ami a látható tartományú nyalábemissziót detektálja - A kiválasztott optimális detektorral gyors megfigyelő rendszer építése, ami az optikai határfeltételeknek megfelel. - A detektorok jelének digitalizálásának és adatgyűjtési feladatainak a megoldása - A nyaláb manipulációs rendszer installálása, vezérlése a TEXTOR NyES tokamakra - A nyaláb manipulációs rendszer vezérélésének és az adatgyűjtő rendszerek szinkronizálása A TEXTOR-ra kifejlesztett gyors detektorok sikere után több lehetőség is kínálkozott a kifejlesztett technológia más NyES kísérletekben való alkalmazására: - Próba NyES rendszer felépítése az angliai MAST szférikus tokamakra - Demonstrációs NyES rendszer felépítés a JET tokamakra 2

4 A diagnosztika fejlesztés következő szintje volt, amikor a próba és demonstrációs mérések sikere után a sokkal nagyobb anyagi és emberi erőforrásokat igénylő fluktuációs NyES mérések építése vált elérhetővé. Ehhez a lépéshez felhasználtuk a próba rendszerek által validált szimulációs kódokat és mérési tapasztalatokat. Az értekezésben tárgyalt jelenleg is épülő diagnosztikák: - Kétdimenziós fluktuációs NyES tervezése a MAST tokamakra - Sokcsatornás fluktuációs NyES detektor a meglévő JET megfigyelő rendszerhez. Mért adatok kiértékelése A diagnosztika fejlesztések mellett a megépített rendszerek által szolgáltatott adatok feldolgozása adta a célkitűzések másik témakörét. - A TEXTOR tokamak szélplazma fluktuációinak vizsgálata, és különböző működési tartományok melletti feltérképezése - Limiteres L-H átmenet leírása és a limiteres H-mód alatt felépülő transzport gát hatásának vizsgálata a fluktuációkra - A MAST szél- és magplazma turbulenciájának a feltérképezése, különös figyelemmel a szimulációk által jósolt mezoskálás (~10cm), kis amplitúdójú MHD turbulenciára - A MAST L-H átmenet megfigyelése és a háttér turbulencia változásának jellemzése - Az ELM-ként ismert szélplazma instabilitás fejlődésének mikroszekundumos követése, leírása A dolgozat megszületéséhez vezető utat, mint az a fentiekből is kiderül gyakran alakította az élet, így a célokat is a lehetőségekhez kellett folyamatosan igazítani. Szerencsémre ez esetemben legtöbbször a lehetőségek, megvalósítható célok bővülését jelentette. Felhasznált módszerek A munkám sokszínűsége a felhasznált eszközök széles spektrumának használatát kívánta meg. A mérési eredménynek kiértékeléséhez a statisztikus feldolgozási módszereket használtam: Fourier-spektrumokat, Teljesítményspektrumokat, koherencia-, fázis- kovariancia és korrelációfüggvényeket. A mért jelek értelmezéséhez a NyES jeleken kívül több diagnosztika jelét használtam, ezeket az értekezésben röviden bemutatom. 3

5 3. Új eredmények I. Szimulációs modellt állítottam fel a különböző nagyfrekvenciás, látható fénytartományban érzékeny detektorok működésekor fellépő zajok számítására és az optimális jel /zaj viszonyú detektor kiválasztására. Eredményeim szerint 1 MHz-es mérési sávszélesség esetén az ~5*10 8 foton/másodperc detektor felületre eső intenzitásnál kisebb fluxus esetén fotoelektron-sokszorozó csövet, ennél nagyobb fényintenzitás esetén lavinafotodióda detektort érdemes használni. A lavinafotódióda (APD) alapú detektor alacsonyzajú erősítőjét a modell számítások alapján megépítettem és a zajmodell számítás helyes voltát kalibrált lézerfény méréssel igazoltam. Egy tipikusnak tekinthető fluktuációs NyES mérésben a detektorokon foton/másodperc mérhető. A fenti állítás erre a tartományra értendő. Az optimális detektor választása frekvenciafüggő is, a kifejlesztett szimuláció ezt természetesen figyelembe veszi. II. Megterveztem és megépítettem mérnök kollegák segítségével a TEXTOR gyorsított lítium nyaláb megfigyelő detektorrendszerét, ami a lavinafotodiódákon alapuló gyors mérőágból és CCD kamerát használó lassú megfigyelési ágból áll. A plazma gyors tranziens változásainak vizsgálatához és a turbulens struktúrák áramlási sebességének méréséhez elengedhetetlen újfajta nyalábmanipulációs rendszer vezérlését, szinkronizációját az adatgyűjtő rendszerrel és tesztelését is én végeztem. A mérés adatgyűjtő rendszerének tervezése, telepítése és a szükséges adatgyűjtő programok fejlesztése tartozott a munkámhoz. A megfigyelőrendszer különböző elemeinek és a nyalábmanipulációs rendszer integrált vezérlését is megoldottam, ami különböző mérési sémák használatát teszi lehetővé. Az APD-kel az emissziós profil csúcsában 2*10 10 foton/sec fényintenzitást mértem, ami a zajokat figyelembe véve SNR értéknek felel meg. Korrelációs adatfeldolgozást használva a fényfluktuációk megfigyelési határa 0.1% körüli. III. A MAST szférikus tokamakon felépítettem egy 8 csatornás, deutérium fűtőnyalábra néző próba nyalábemissziós spektroszkópia (NyES) diagnosztikát a meglévő CXRS optika elemeit felhasználva. A mérési eredményeink szerint a mérés jel/zaj viszonya 4

6 5-10, ami a magplazma turbulencia mérésre nem alkalmas, azonban a szélplazma mérésekre igen. A fluktuáció mérést a háttérfény és a nyalábban található moduláció is nehezíti. Egy nyaláb szimulációs kódot fejlesztettünk az angol kollegákkal, ami a nyalábemissziót és a plazmába való behatolási mélységet és a fényintenzitást számítja. A próba mérőrendszer eredményeivel validáltam a számítási eredményeket és megállapítottam a mérésben látható háttér jel eredetét, mely szén szennyező ionok vonalas sugárzásában áll. A számítások eredményét felhasználtuk a fluktuációmérésre optimalizált kétdimenziós NyES mérés tervezésére, és teljesítőképességének meghatározására. Az új rendszer tervezésében a detektálási rendszer tervezése volt a munkám. A rendszer azóta elkészült, installálása folyamatban van. IV. Egy kis felületű APD-ket használó 4-csatornás próba gyors detektort építettem és installáltam a JET tokamak lítium NyES diagnosztikájára. Ebben a megfigyelésben gyűjtött fény optikai szálakon jut el a detektorokba. A próba rendszerrel demonstrálni tudtam a fluktuációmérés lehetőségét a határréteg és szélplazmában, illetve a speciális megfigyelési irány lehetőséget adott a poloidális sebességmérés lehetőségének a bemutatására is. A próba rendszer sikere után egy sok csatornás rendszert kezdtünk el tervezni. V. Meghatároztam a plazma különböző működési tartományaiban a plazmaturbulencia statisztikus tulajdonságainak, amplitúdójának, jellemző örvényméretének változását a TEXTOR tokamakon a NyES diagnosztika segítségével. A plazma Ohmikus fűtése esetén a turbulencia amplitúdója a határréteg plazmában a több tíz százalékot is eléri, a struktúrák élettartama µs, de karakterisztikus frekvenciák nem mérhetők. A szélplazmában az ún. kvázikoherens módus (QC) ami egy szélessávú hullámszerű struktúra a khz-es frekvenciatartományban dominálja a turbulenciát. A mérések szerint a relatív amplitúdója 4-5%-ról a 1%-alá csökken a magplazma irányában a nyaláb megfigyelési tartományában. Kimutattam a struktúrák frekvenciájának sűrűségfüggését is. Az örvények poloidális irányú dőlését sejteti a tér-időbeli korrelációs függvények eredményeként előálló kép. A fűtőnyaláb bekapcsolásakor eltűnik a QC módus és a szélplazmában nagyobb amplitúdójú 5

7 struktúrák jelennek meg. Nyalábeltérítési módszerrel a poloidális sebességet és annak időbeli modulációit, a GAM-okat is ki tudtuk mutatni. VI. A MAST NyES méréssel meghatároztam a L-mód és a H-mód jellemző fluktuációs viselkedését. H-mód esetében a pedesztálban lokalizált MHD hullámok jelenlétét észleltem, mely magas korrelációt mutat mágneses szonda jelekkel. A NyES diagnosztikával kimutattam és radiálisan lokalizáltam a fűtőnyalábból származó ionok által gerjesztett nagyfrekvenciás MHD módusokat is. VII. A lítium NyES diagnosztikát gyors nyalábszaggatásos módszerrel működtetve vizsgáltam a limiteres H-módot és az L-H átmenetet a TEXTOR-on. Jó időfelbontással, zavaró háttér nélkül bemutattam az L-H átmenet sűrűségprofilra való hatását és az ELM-ek kialakulását. Megállapítottam, hogy az L-H átmenet után a pedesztálra jellemző sűrűségprofil néhány milliszekundum alatt alakul ki. Az L-H átmenet turbulenciára való hatását részletesen vizsgáltam, és a turbulencia elnyomás jelenségét mérésekkel igazoltam. A szélplazmában a kezdetben 5% körüli fluktuációs amplitúdó 1%-alá esik, és a struktúráját nem lehet felbontani. VIII. A TEXTOR limiteres H-módban a pedesztálban 12kHz-es módusokat észleltem. Ezek az ELM instabilitás előtt gyakran nemlineárisan növekednek és nem-színuszos viselkedést mutatnak. Az ELM instabilitás alatt a sűrűség meredeksége a pedesztálban több alkalommal lecsökken, majd az ELM-ek között lassan visszaáll az H-módra jellemző meredek sűrűségprofil. IX. Az MAST Single Null Divertor (SND) konfigurációjú plazmákban a NyES diagnosztikával is kimutattam a korábban más módszerrel észlelt I-es típusú ELM-ek előtt gyakran megjelenő prekurzor hullámot. A NyES lokalizáltsága és magas mérőfrekvencia miatt új oldalát mutatta ennek a jelenségnek: az ELM megjelenése előtt a határréteg plazmába nyúló ujjak jelennek meg, melyek kapcsolatba kerülnek a plazmát határoló szilárdtest alkatrészekkel. Az ennek hatására a plazmába kerülő szennyezők az esetek többségében egy ELM instabilitást váltanak ki. Megfigyeltem olyan eseteket is, amikor a szennyezők bejutását nem követi egy ELM, így megmutattam, hogy a prekurzor hullámok nem feltétlenül vezetnek az ELM kiváltásához. 6

8 4. Publikációk A tézis pontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények. 1. A.R. Field, D. Dunai, N. J. Conway, S. Zoletnik, J. Sárközi, Beam emission spectroscopy for density turbulence measurements on the MAST spherical tokamak, Rev. Sci. Instrum (2009) 2. I Pusztai, G. Pokol, D. Dunai, D. Réfy, G. Pór, G. Anda, S. Zoletnik, and J. Schweinzer Deconvolution-based correction of alkali beam emission spectroscopy density profile measurements, Rev. Sci. Instrum (2009) 3. S. Zoletnik, M. Agostini, E. Belonohy, G. Bonhomme, D. Dunai et al., Summary of the Workshop on Electric Fields, Turbulence and Self-organization in Magnetized Plasmas (EFTSOMP) 2009: 6 7 July 2009, Sofia, Bulgaria, Nuclear Fusion 50 (2010) (5pp) 4. H. Meyer, R.J. Akers,., D. Dunai, et al., Overview of physics results from MAST, Nuclear Fusion (2009) 5. D. Dunai, A.R. Field, N. J. Conway, A. Thyagaraja, S. Zoletnik, J. Sárközi, Beam Emission Spectroscopy for density turbulence measurements on MAST 34th EPS Conference on Plasma Phys. Warsaw, 2 6 July 2007 ECA Vol.31F, P (2007) 6. G. Anda, D. Dunai, G. Petravich, J. Sárközi, S. Zoletnik, B. Schweer, First Measurements with the re-installed accelerated Lithium beam diagnostics on TEXTOR, 35th EPS Conference on Plasma Phys. Hersonissos, 9 13 June 2008 ECA Vol.32D, P (2008) 7. S. Zoletnik, D. Dunai, A.R. Field, A. Kirk, A. Bencze, S. Saarelma, B. Ayed, G. Veres, Observations of ELM pre-cursor structures using Beam Emission Spectroscopy in MAST, 35th EPS Conference on Plasma Phys. Hersonissos, 9 13 June 2008 ECA Vol.32D, O (2008 ) 8. S.D. Pinches, L.C. Appel, I.T. Chapman, G. Cunningham, D. Dunai, et al. Fast Particle Instabilities in MAST, Proceedings of the 22nd IAEA Fusion Energy Conference, (13-18 October 2008Geneva, Switzerland), IAEA-CN-156, EX/P8-7 (2008) 9. R.J. Akers, D.J.Applegate, J.Candy, G.Colyer, D.Dunai, A.R. Field, et al., Transport studies in the MAST spherical tokamak, Proceedings of the 22nd IAEA Fusion Energy Conference, (13-18 October 2008Geneva, Switzerland), IAEA-CN-156, EX/2-2 (2008) 7

9 10. D. Dunai, S. Zoletnik, G. Anda, G. Petravich, S. Kálvin, J. Sárközi,A. Krämer- Flecken, B. Schweer, S. Soldatov, Turbulence properties of the edge plasma at TEXTOR measured by Beam Emission Spectroscopy, 36th EPS Conference on Plasma Phys. Sofia, 29 June - 3 July 11. S. Zoletnik, L. Bardoczi, G. Anda, D. Dunai, G. Petravich, A. Krämer-Flecken, S. Soldatov, Poloidal flow velocity measurement at the edge of the TEXTOR tokamak using quasi twodimensonal Lithium Beam Emission Spectroscopy, 36th EPS Conference on Plasma Phys. Sofia, 29 June - 3 July 12. G. Petravich, G. Anda, D. Dunai, S. Kálvin, S. Zoletnik, Light profile measurement on the 35keV Lithium beam on TEXTOR, 36th EPS Conference on Plasma Phys. Sofia, 29 June - 3 July 13. S. Kálvin, G. Anda, D. Dunai, G. Petravich, S. Zoletnik, G. Pokol, B. Játékos, I. Pusztai3, D. Réfi, 36th EPS Conference on Plasma Phys. ECA Vol.33E, P (2009) 14. D. Dunai, S. Zoletnik, J. Sárközi, A.R. Field, Avalanche Photodiode based Detector for Beam Emission Spectroscopy, Rev. Sci. Instrum., 81 1 (2010) További tudományos közlemények M. Gryaznevich, G. Van Oost,,M. Berta, D. Dunai, B. Tál, S. Zoletnik, et al. Results of Joint Experiments and other IAEA activities on research using small Tokamaks, Nuclear Fusion (2009) D. Dunai, S. Zoletnik, E. Galutschek, F. Aumayr, HP. Winter : Combined density-temperature fluctuation measurement with beam emission spectroscopy ; 31st EPS Conference on Plasma Phys. London, 28 June - 2 July 2004 ECA Vol.28G, P (2004) S. Zoletnik, N.P. Basse, A. Bencze, D. Dunai, et al., 32nd EPS Conference on Plasma Phys. Tarragona, 27 June - 1 July 2005 ECA Vol.29C, P (2005) I. Pusztai, D. Dunai, G. Pokol, G. Pór, J. Schweinzer, S. Zoletnik Capabilities of alkali Beam Emission Spectroscopy for density profile and fluctuation measurements 34th EPS Conference on Plasma Phys. Warsaw, 2-6 July 2007 ECA Vol.31F, (2007) 8

10 Konferencia előadások Second Hungarian Plasma Physics Workshop, Budapest, Combined density-temperature fluctuation measurement with BES Hungarian Plasma Physics and Fusion Technology Workshop Március , Győr High frequency Beam Emission Spectroscopy measurements COMPASS PROGRAMMATIC CONFERENCE, Prague, April 2-3, 2009 Beam emission spectroscopy for reinstalled COMPASS tokamak The Fifth Hungarian Plasma Physics and Fusion Technology Workshop, D-BES Imaging diagnostics on MAST The Fifth Hungarian Plasma Physics and Fusion Technology Workshop, 2010 ELM observations with Beam Emission Spectroscopy on MAST and on TEXTOR 9