ziós s plazmafizikába 10.

Átírás

1 Bevezetés s a fúzif ziós s plazmafizikába 10. Laboratóriumi riumi kísérletek: k plazma előáll llítás, fűtés, f plazma-fal kapcsolat Dr. Zoletnik Sándor, S Pokol Gergő KFKI-RMKI BME NTI Bevezetés a fúziós plazmafizikába november 17.

2 Mágneses összetartású berendezések Lineáris berendezések: 2XIIB, T e =13 kev, nτ e =10 17 m -3 s (1976) Veszteség a végeken nem megoldott! Néhány még működik. Sztellarátorok: sokféle elrendezés mágneses konfiguráció külső tekercsekkel Tokamakok: toroidális plazmaáram fúziós energiatermelés, ITER Kompakt tokamakok: ~ tokamak, de R~r sok részecske banán pályán Egyéb: RFP (Reversed Field Pinch), Spheromak, Levitated dipole,... 2

3 Vákuum Példa (vákuum): Mágneses tér: B t < 10 T (szupravezető tekercsek, mechanikai stabilitás) Maximális béta: β < 5% p < 2*10 6 Pa (20 atm) Hőmérséklet: kt = 25 kev n < 5*10 20 m -3 = 10-5 n air Vákuum 10-4 torr (1 torr = 133 Pa) alatt kétlépcsős vákuumrendszer: elővákuum szivattyú + turbomolecular vagy kriopumpa, (esetleg iongetter) Vákuumkamra (liner): erős (nyomástartó) és vékony (mágneses tér) külső kriosztátban kis vákuum kisebb nyomás a vákuumkamrán 3

4 Vákuumkamra ITER W7-X 4

5 W7-X vákuumkamra 5

6 Első fal Nagyvákuum falon a felületi adszorpció jelentős hatása Fal kondícionálás: kifűtés, fal bombázása ionokkal (Glow-discharge, plazma kisülés) Speciális borítás az első falon: szén (CFC), wolfram, berillium boronizálás 6

7 Plazma-fal kölcsönhatás lokalizálása Limiter SOL (Scrape-off layer): nyílt erővonalak Divertor Középsík X-pont Vákuumkamra Belső Külső 7

8 Limiterek 8

9 Divertor Elsődleges plazma-fal kapcsolat az erővonalak mentén a mag-plazmától távol. 9

10 Dr. Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: 10. Laboratóriumi kísérletek Limiter és divertor A kisülés elején limiteres plazma (JET) 10

11 SOL plazma Párhuzamos és merőleges diffúzió, valamint az atomfizikai folyamatok is fontosak! 11

12 Csatolt és lecsatolt plazma Csatolt (attached): direkt plazma-fal kapcsolat Lecsatolt (detached): nagysűrűségű helyi plazma lesugározza a teljesítményt ASDEX-Upgrade csatolt plazma ASDEX-Upgrade lecsatolt plazma 12

13 Dr. Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: 10. Laboratóriumi kísérletek ELM alatti terhelés 13

14 Egyéb lokalizált terhelések diszrupció (JET) filamentumok (MAST) gyorsrészecske nyalábok 14

15 Első fal Első fal anyagának kiválasztása: - hő tranziensek hatása - erózió és újra lerakódás (hidrogénnel együtt) - plazma szennyezése - egyéb praktikus tulajdonságok 15

16 Plazma kísérlet menete 1. Mágneses tér létrehozása 2. Gázbeeresztés anyagutánpótlás 3. Ionizáció 4. Fűtés 5. Áramhajtás 6. Leállítás 16

17 Mágneses tér létrehozása Erős mágneses térhez (~ 5 T) erős áram kell a toroidális tekercsekben (~ 10 MA). Ez réz tekercsekkel ~ 100 MW teljesítmény! Áramellátás: - kondenzátortelepekkel - lendkerekes generátorokkal Szupravezető tekercsek: - magashőmérsékletű szupravezetők nem bírják a mágneses teret - folyékony He hűtés - a mágneses tér marad a lövések között - a fluxusváltozás sebessége véges! 17

18 Gázbeeresztés (gas puffing): - plazma szélének anyagutánpótlása Anyagutánpótlás Pelletek: - fagyott hidrogén golyók (~cm) - gyorsítás centrifugával, gázpisztollyal,... ~1000 m/s-ra - plazma közepének anyagutánpótlása Semleges atomnyaláb: - ionnyaláb semlegesítéséből -50 kev 1 MeV - töltöttrészecske-ekvivalens ~10 A - plazma közepének anyagutánpótlása 18

19 Ionizáció Egyenfeszültségű lebomlás: - tokamakokban működik - elég sok fluxust fogyaszt a transzformátor primer tekercsén Mikrohullámú lebomlás (microwave breakdown): - sztellarátorokban mindig - tokamakokban is gyakran - általában elektron-ciklotron rezonancia fűtéssel (ECRH) 19

20 Ohmikus fűtés: - tokamakokban működik -hőmérséklettel csökken a teljesítménye Fűtés ICRH Semleges atomnyaláb fűtés (NBI): - több nyaláb is lehet, ~ 10 MW Ion ciklotron rezonancia fűtés (ICRH): - hurokantennák közel a plazmához - mikrohullám ~ 10 MHz, ~ 10 MW Elektron ciklotron rezonancia fűtés (ECRH): - optikai hullámterjedés - mikrohullám ~ GHz, ~ 1 MW - lokalizált fűtés ECRH 20

21 Áramhajtás (tokamak) Transzformátorral: - véges fluxusváltozás a központi tekercsben (transzformátor primer köre) Alsó hibrid hullámmal (LHCD): - sikerült vele indítani tokamakot Elektron ciklotron hullámmal (ECCD): - nemmerőleges belövés esetén - lokális áramhajtás áramprofil szabályozása Semleges atomnyalábbal (NBI): - toroidális belövés - a nagyenergiájú atomokból ionok lesznek töltéscserével - az ionok magukkal rántják a plazma elektronjait Bootstrap áram: - neoklasszikus plazmaáram, ~ gradp - belső transzportgátak bootstrap áram a plazma közepén - volt 100% bootstrap tokamak plazma (TCV) Mikrohullámú (lower hibrid) antenna 21

22 Leállítás Fokozatos leállítás (plasma ramp down): - tokamakokban kritikus a plazmaáram miatt - nem akarunk diszrupciót - nem akarunk elfutó elektronokat - fluxust fogyaszt a transzformátor primer tekercsén - Tervezni kell! 22

23 Plazma kísérlet menete 1. Gázbeeresztés 2. Ionizáció (3. Áramhajtás) 4. Fűtés 5. Leállítás Plazmaenergia W7-AS sztellarátor Sűrűség Gázbefecskendezés Hőmérséklet Fűtés Sugárzás Ürülés 23