energiaellátást biztosító energetikai infrastruktúra. koncentrációjának meredek növekedése arra figyelmeztet, hogy sürgősen olyan energiaforrások

Átírás

1 Zajdiagnosztikai eljárások a nukleáris energetikában Doktori tézisek Írta: Berta Miklós Témavezető: Dr. Horváth András Széchenyi István Egyetem Fizika és Kémia Tanszék Győr Konzulens: Dr. Pór Gábor Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technika Tanszék Budapest Konzulens: Dr. Zoletnik Sándor KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet Budapest 2011 Széchenyi István Egyetem Műszaki Tudományi Kar Infrastrukturális Rendszerek Modellezése és Fejlesztése Multidiszciplináris Műszaki Tudományi Doktori Iskola 1. fejezet Motiváció Minden emberi tevékenységhez, egyáltalán létezésünkhöz energiát használunk fel. Ahogy az emberiség egyre bonyolultabb és kifinomultabb műszaki eszközöket használ fel életszükségleteinek kielégítéséhez, úgy válik az infrastruktúra egyik legfontosabb elemévé az energiaellátást biztosító energetikai infrastruktúra. Az emberiség teljesítményigénye exponenciálisan növekszik, aminek hátterében jórészt a fejlődő országok népességének gyors növekedése áll. A fosszilis energiahordozók korlátos tartalékai, valamint az üvegházhatású gázok légköri koncentrációjának meredek növekedése arra figyelmeztet, hogy sürgősen olyan energiaforrások után kell néznünk, amelyek elegendő menyiségben állnak rendelkezésre, és felhasználásuk során nem keletkeznek üvegházhatásúgázok. Kézenfekvő megoldásnak tűnik az alternatív energiaforrások (napenergia, szélenergia, geotermikus energia, vízenergia stb.) minél nagyobb mértékű bevonása az energiatermelésbe. Sajnos ezen energiahordozók által megtermelhető energiának felső korlátja van, és ez a korlát nem teszi lehetővé, hogy csak erre építsük energetikánkat. Ma mégaközelébe sem jutottunk ennek a felső korlátnak, így természetesen igen nagy a jelentősége ezen energiahordozók energetikába történőbevonásának. A másik megoldási lehetőség a nukleáris energetikában rejlik. Sem a maghasadás folyamatán alapuló energetika, sem pedig a magfúzió elve alapján működő energetika alkalmazása során nem keletkeznek üvegházhatású gázok. Hasadóanyagból, a jelenlegi technológia további 1

2 alkalmazása mellett, körülbelül 100 éves távlatban áll elegendő mennyiség rendelkezésre. Ez az idő pedig elég lehet a fúziós erőművek kifejlesztéséhez, melyek üzemanyaga gyakorlatilag korlátlan mennyiségben állhat az emberiség rendelkezésére. Az alternatív energiatermelési eljárások, és a nukleáris energetika együttesen oldhatja meg azt az energiakrízist, amiben ma vagyunk, és ez a megoldás egyben a további életszínvonal emelkedést is biztosíthatja. A nukleáris energetika biztonságának növelése, és a technológiai fegyelem további emelése érdekében a technológiai folyamatokat minél pontosabban ismerő szakemberekre, valamint az ezeket a szakembereket támogató egyre pontosabb és megbízhatóbb diagnosztikai eljárásokra van szükség. A pontos, és megbízható diagnosztikai eszközök fejlesztéséhez alapos, és mély informatikai, műszaki és természettudományos ismeretek egyaránt szükségesek. Dolgozatom célja, hogy megmutassam, multidiszciplináris eszközökkel olyan új mérési és adatfeldolgozási zajdiagnosztikai módszerek fejleszthetőek, amelyek elősegítik a nukleáris energetika megbízhatóságának további növelését fejezet A kutatások során alkalmazott módszerek Kutatásaim során a zajdiagnosztika módszereinek széles skáláját alkalmaztam, és diagnosztikai eljárásokat fejlesztettem a nukleáris energetika mindkét területén: maghasadás elvét alkalmazó energetika, magfúzió elvét alkalmazó energetika. A zajdiagnosztikai eljárások fejlesztése a nukleáris energetika területén legyenek azok akár mérési eljárások, adatfeldolgozási eljárások, vagy szimulációs eljárások magasszintű számítógépes, numerikus matematikai és alkalmazott fizikai ismereteket követel meg egyszerre. Dolgozatomban öt, többé-kevésbéfüggetlen területen kifejtett kutatásaimról számolok be. 1. Atomreaktorok belső szerkezeti elemeinek neutron zajdiagnosztikája. Az általam továbbfejlesztett módszer a mért jelek frekvencia-tartományban végzett spektrális analízisén alapul. A mért jelek hibaterjedésének analíziséhez pedig a numerikus algebra mátrixok sajátértékeinek és sajátvektorainak kiszámításához szükséges módszereit használtam fel. Ezen számítások rutinszerű alkalmazása a digitális számítástechnikának köszönhetően lehetséges. 2. Atomreaktor hűtőközege áramlási sebességének meghatározása mért hőmérsékletfluktuációk alaján. A mérések kiértékeléséhez a repülési idő elvét használtam fel. A pontosabb analízis érdekében az átviteli függvény egy pontosabb becslését javasoltam a 3

3 zajos környezetben történt mérések miatt. Ennek a pontosabb mérésnek a kidolgozásakor rendszertechnikai és szabályozástechnikai ismereteket is felhasználtam. 3. Fúziós plazma sűrűségének meghatározása diagnosztikai nyalábemisszióból származó fényjelek alapján. Az általam javasolt sűrűség rekonstrukciós eljárás genetikus algoritmus alapú. 4. Atomnyaláb-szonda diagnosztika. Egy új plazmadiagnosztikai eljárás megvalósíthatósági tanulmányát dolgoztam lényegében ki. Ehhez numerikus matematikai eljárásokat, számítógépes szimulációs módszereket és alkalmazott fizikai ismereteket együttesen alkalmaztam. 5. Zonális áramlások kimutatása tokamakban. A világon másodikként mutattam ki tokamakban zonális áramlásokat. Az adatfeldolgozás során korrelációs módszereket alkalmaztam MATLAB környezetben. A zonális áramlások egyik lehetséges hajtását biztosító Reynolds-nyírás kimutatásához új mérőszondát javasoltam, melynek kidolgozásához plazmafizikai és elektronikai ismeretekre egyaránt szükség volt. A mérőszondából származó jelek kiértékeléséhez a digitális jelfeldolgozás módszereit használtam újfent MATLAB környezetben fejezet Tézisek 1. Kimutattam a spektrális dekompozíciós eljárás kondíciószámának az eljárás pontosságára gyakorolt jelentős mértékű hatását VVER típusú reaktorok különböző detektorelrendezéseinek esetére. Kidolgoztam a reaktivitás komponens spektrális dekompozíció nélküli eliminálásának módszerét az általam tanulmányozott három detektorelrendezésre. Ennek alapján egy módosított spektrális dekompozíciós eljárásra tettem javaslatot. A módosított spektrális dekompozíciós eljárás kondíciószáma fele az eredeti spektrális dekompozíciós eljárás kondíciószámának, azaz a módosított eljárás lényegesen pontosabb analízist tesz lehetővé. (lásd. 1. hivatkozott publikáció, és alfejezetek az értekezésben) 2. Terjedő hőmérséklet fluktuációk mérése alapján meghatároztam a BME tanreaktora aktív zónájának tetején kilépő hűtőközeg áramlási sebességét. Megmutattam, hogy az impulzus válaszfüggvény zajos környezetben a repülési idő értékének jobb becslését teszi lehetővé, mint a keresztkorrelációs függvény. Az impulzus válaszfüggvény alapján lehetőség van arra is, hogy a γ sugárzás mérésre gyakorolt hatását, valamint a terjedő hőmérséklet fluktuációk hatását spektrálisan külön lehessen választani. (lásd. 2. hivatkozott publikáció, és alfejezetek az értekezésben) 3. Kidolgoztam egy a Li-nyaláb diagnosztika által mért fényprofil alapján sűrűségprofilt rekonstruáló, genetikus algoritmus alapú, optimalizációs eljárást a COMPASS tokamakhoz készített nyaláb emissziós diagnosztikához. Az eljárást sikerrel teszteltem szimulált fényprofilokon. (lásd. 3. hivatkozott publikáció, alfejezet az értekezésben) 5

4 4. Elkészítettem egy új plazmadiagnosztikai eljárás, az Atomnyaláb-szonda diagnosztika, megvalósíthatósági tanulmányát. Egy általam fejlesztett, ionok pályáit inhomogén mágneses térben meghatározó, számítógépes kód segítségével meghatároztam az Atomnyaláb-szonda diagnosztika ionforrásában alkalmazható elemek körét. Kiszámoltam az egyes elemek mágneses térbeli pályáit a nyalábenergia és az ionizáció helyének függvényében, valamint a kilépő ionok detektálhatóságának helyét. Megbecsültem az Atomnyaláb-szonda diagnosztika kilépő ionjainak áramát, valamint a második ionizáció mérésre gyakorolt torzító hatásának mértékét. (lásd. 7. hivatkozott publikáció, és alfejezetek az értekezésben) 5. Kidolgoztam egy számítógépes eljárást a plazmaáram változásainak figyelembevételére az Atomnyaláb-szonda diagnosztikával történő mérésekhez. Ezen eljárás alapján javaslatot tettem egy próbadetektor tervezésére. Ez a próbadetektor a javaslataim alapján el is készült. (lásd. 7. hivatkozott publikáció, és alfejezetek az értekezésben) 6. Kifejlesztettem egy az áramlási sebességtér időbeli és térbeli tulajdonságait egy pontbeli mérés alapján analizáló eljárást, az autokorrelációs szélesség módszert. Ezen módszer alkalmazásával, a CASTOR tokamakon végzett mérések alapján, másodikként a világon, zonális áramlásokat mutattam ki tokamakban. (lásd. 4. hivatkozott publikáció, és alfejezetek az értekezésben) 7. Reynolds feszültség térbeli és időbeli viselkedésének tanulmányozását lehetővé tevő mérőeszközt fejlesztettem a CASTOR tokamakra. Ezzel az eszközzel kimutattam, hogy a CASTOR tokamak plazmáiban, közvetlenül az összetartott tartomány széle alatt, a Reynolds feszültségnek erős radiális gradiense van. (lásd. 10. hivatkozott publikáció, alfejezet az értekezésben) 6 4. fejezet Összegzés és kitekintés Doktori értekezésem 15 év kutatómunkájának eredményeit foglalja össze. A dolgozat számomra legfontosabb tanulsága, hogy valós műszaki problémák megoldásakor az egyes tudományterületek éles határai elmosódnak, ésakülönböző tudományterületek ismereteit ötvöző multidiszciplináris megoldásokra van szükség. A zajdiagnosztikai eljárások alkalmazása a nukleáris energetika területén hozzájárul az üzemeltetett berendezések működésének jobb megértéséhez, elősegíti a berendezésekben zajló folyamatok jellemző műszaki paramétereinek előrejelezhetőségét, és az esetlegesen kialakuló meghibásodások elhárítását. Kutatásaim során kimutattam: A VVER típusú atomreaktorok szerkezetének a nyugati típusú rektorok szerkezetétől való eltérései miatt érdemes a zónatartó kosár lengéseinek neutronzaj alapján történő elemzésekor a mért jelekből a spektrális dekompozíciós eljárás alkalmazása előtt a reaktivitás komponenst eliminálni, és ez után az általam javasolt módosított eljárást alkalmazni. Zajjal terhelt mérési adatok esetében két jel közti időkésés becslésére pontosabb eljárás az impulzus - válaszfüggvény alapján történő becslés, mint a keresztkorrelációs függvény maximumhelye alapján történő becslés. Genetikus algoritmus alapú optimalizációs eljárást alkalmazva lehetőség van a nyalábemissziós diagnosztika által szolgáltatott fényjelek alapján a sűrűség rekonstrukció 7

5 elvégzésére egy csak számítógépes kód formájában adott célfüggvény esetében is. Az előzetes modellszámítások alapján ki lehet jelenteni, hogy az atomnyaláb szonda diagnosztika alkalmas lehet a plazmaáram változásainak nyomonkövetésére. Tokamakokban, megfelelő kísérleti eszköz és adatfeldolgozási eljárás alklamazásával, ki lehet mutatni a poloidális áramlási sebesség 10 20%-os modulációit. A javaslataim alapján készített mérőeszköz jelei alapján kimutatható volt, hogy a CASTOR tokamak összetartott tartományának szélén a Reynolds nyírásnak erős gradiense alakult ki, ami az elméleti számítások alapján a zonális áramlások egyik hajtóereje lehet. A spektrális dekompozíciós eljárás kondíciószáma vizsgálatának ötlete a digitális számítógépekre kidolgozott numerikus matematikai eljárások kerekítési hibáinak tanulmányozásakor merült fel bennem. Valós mérési folyamatok matematikai modelljei beleszólnak a mérési hiba terjedési folyamatába, csak itt az elsődleges hibát nem a kerekítés okozza, hanem a mérés bizonytalansága. Az a gondolat, hogy az áramlási sebességmezőt korrelációs technika helyett az impulzus válaszfüggvénnyel tanulmányozzam szintén egy teljesen más tudományterülettel az irányításelmélettel való ismerkedéskor merült fel. Az Atomnyaláb szonda diagnosztika alapötlete kezdetben tisztán plazmafizikai kérdés volt, és a megvalósíthatósági tanulmány kidolgozása közben mutatkozott meg, hogy a feladat csak az alkalmazott informatika eszközeivel oldhatómeg. A zonális áramlások kimutatásakor is fizikai folyamatok tanulmányozásával indult a feladat, de a megoldáshoz az autokorrelációs módszer kifejlesztésére volt szükség, ami egy jelfeldolgozási eljárás, tehát megintcsak alkalmazott informatika. A fenti példák jól mutatják, hogy valós problémák megoldásakor nem lehet csak egy tudományterület eszközeire támaszkodni, és új módszerek kidolgozásakor érdemes ötletekért sokszor egymástól távol álló területeket tanulmányozni. A maghasadás elvén működő atomreaktorok területén végzett kuatatásaimnak az es évek végén az vetett véget, hogy a Paksi Atomerőmű Rt. ben, az addig a Magyar Tudományos Akadémia intézetei által végzett diagnosztikai célú mérések nagy részét az erőmű 8 vezetése a Siemens vállalat hatáskörébe utalta. Így a reaktor belső szerkezeti elemeinek rezgésdiagnosztikáját is. Ezután kezdtem el a fúziós plazma diagnosztikájával foglalkozni. A plazmadiagnosztika területén elért eddigi eredményeim viszont folyamatban lévő kutatási feladatokhoz kapcsolódnak. A prágai COMPASS tokamakra készülő nyaláb emissziós diagnosztika építése 2011 decemberében fejeződik be. Addigra az általam kifejlesztett genetikus algoritmus alapú sűrűség rekonstrukciós eljárást ki kell egészíteni a visszaállított sűrűségprofil hibaanalízisével. Az Atomnyaláb szonda diagnosztika tesztdetektorát telepítettük a COMPASS tokamakra. Az első mérések a nyaláb emissziós diagnosztika üzembehelyezése után várhatóak. Az ionok mért elmozdulásai alapján kell majd következtetni a plazmaáram változásaira. Ehhez valamilyen optimalizációs eljárás alkalmazására lesz szükség. Elsőként genetikus alapú optimalizációt fogok kipróbálni, hiszen a sűrűség rekonstrukciónál már tapasztalatokat gyűjtöttem ezen a területen. Az optimalizáció során az ionok pályáját számoló kódot részecskére kell több ezerszer futtatni. Ez olyan számítási kapacitást igényel, amit elfogadható idő alatt csak a pályaszámoló algoritmus párhuzamosításával lehet megoldani. Ezért úgy döntöttem, hogy a pályaszámoló algoritmust át kell írni grafikus processzorra, ami egyszerre több tízezer részecske pályáját képes számolni párhuzamosan. A nyaláb emissziós diagnosztikával nem csak a sűrűséget lehet mérni, hanem annak fluktuációit is. Ez pedig lehetőséget ad arra, hogy a CASTOR tokamakon elvégzett zonális áramlások detektálására kifejlesztett autokorrelációs szélesség módszert a COMPASS tokamakon is kipróbáljam. 9

6 5. fejezet Publikációk jegyzéke 5.1. A doktori értekezésben hivatkozott publikációk 1. M. Berta,G.Pór, The effect of the matrix condition number on the estimate of core barrel motion, Progress in Nuclear Energy, Vol. 34. No. 1, pp. 1 11, (imp. f.: 0,28) (1 2. G. Pór, M. Berta, M. Csúvár, Measurement of the coolant flow rate using correlation of temperature fluctuations, Progress in Nuclear Energy, Vol. 43., pp. 1-4, 2002 (imp. f.: 0,33) (6 3. S. Zoletnik, G. Petravich, A. Bencze, M. Berta, S. Fiedler, K. McCormick, J. Schweinzer, Two dimensional density and density fluctuation diagnostic for the edge plasma in fusion devices, Review of Scientific Instruments (2005) (imp. f.: cca. 1,35) (5 4. A. Bencze, M. Berta, S. Zoletnik, J. Stöckel, J. Adámek, M. Hron, Observation of zonal flow-like structures using the autocorrelation width technique, Plasma Physics and Controlled Fusion 48 (2006) S137 S153 (imp. f.: cca. 2,9) (5 5. G. Van Oost, M. Berta, J. Brotánková et al., Joint experiments on small tokamaks: edge plasma studies on CASTOR, Nuclear Fusion 47 (2007) (imp. f.: cca. 3) ( V. Weinzettl, R. Panek, M. Berta at al., Overview of the COMPASS diagnostics, Fusion Engineering and Design (2011) (imp. f. cca 0,83) (0 7. A. Bencze, M. Berta, Plazmafluktuációk és turbulens áramlások fúziós plazmákban, NUKLEON (elektronikus), Vol. 2, pp. 1-7, 2009 (0 8. G. Stoyan, M. Berta et al. MATLAB, TYPOTEX, (2005) oldalak (0 független 9. M. Berta, R. Farzan, F. Giczi, A. Horváth, Fizika villamosmérnököknek, Széchenyi István Egyetem, 2006 (0 10. M. Berta et al. The spatial structure of flows, Reynolds stress and turbulence in the CA- STOR tokamak, In 33rd EPS Conference on Plasma Phys. Rome, volume ECA Vol.30I, ( A doktori értekezésben nem hivatkozott publikációk 1. M. Gryaznevich, G. Van Oost, M. Berta et al., Results of Joint Experiments and other IAEA activities on research using small tokamaks, Nuclear Fusion 49 (2009) (imp. f.: cca. 3) (2 2. A. Szappanos, M. Berta, S. Zoletnik at al., EDICAM fast video diagnostic installation on the COMPASS tokamak, Fusion Engineering and Design, (2009) (imp. f.: cca. 0,83) (0 3. S. Zoletnik, A. Bencze, M. Berta, B. Kardon and the W7-AS team Identifying turbulence phenomena in the Wendelstein-7AS stellarator, 29th EPS Conference on Plasma Phys. and Contr. Fusion Montreux, June 2002 ECA Vol. 26B, P (2002) (0 független 4. G. Veres, R. A. Pitts, A. Aranyi, A. Bencze, M. Berta, B. Gulejova, S. Kálvin and the TCV Team, Fast Radiation Dynamics during ELMs in TCV, 34th EPS Conference on Plasma Phys. Warsaw, July 02-06, 2007 ECA Vol.31F, P (2007) (0 11

7 5. R.A. Pitts, A. Bencze, O. E. Garcia, M. Berta, G. Veres, On the statistics of ELM filaments measured by fast low field side wall Langmuir probes on TCV, 34th EPS Conference on Plasma Phys. Warsaw, July 02-06, 2007 ECA Vol.31F, P (2007) (0 6. J. Stockel, R. Pánek, M. Berta et al., Plasma Breakdown Studies on COMPASS, 36th EPS Conference on Plasma Phys. Sofia, June 29 - July 3, 2009 ECA Vol.33E, P (2009) (0 7. Berta M., Pór G., The rolling motion of the core barrel in WWER 440 type reactors, Proceedings of IMORN 28 in Athens, (0 8. A. Bencze, M. Berta, S. Zoletnik, Autokorrelációs szélesség módszer alkalmazása sebesség-fluktuációk vizsgálatára fúziós plazmákban, Nukleáris szimpózium konferencia kiadványa, Budapest, (2005) (0 9. M. Berta, A. Bencze, S. Zoletnik, G. Pór, Castor Tokamak Team, Analysis of the drift of electric field and electron density fluctuations in small tokamak plasmas, Proceedings of IMORN 29 Budapest, 2004 (0 10. M. Berta and all., BES and ABP for COMPASS, Proceedings of HPPW 2008, Győr (0 11. M. Berta, G. Veres, R. Pánek and others, Design of Atomic Beam Probe for COMPASS, Proceedings of COMPASS Programmatic Conference Prague April (0 független 12. G. Anda, D. Dunai, M. Berta and others, Beam Emission Spectroscopy on COMPASS, Procee-dings of COMPASS Programmatic Conference Prague April (0 független 13. Molnárka Győző, Sütő István, Mórocz Tamás és Berta Miklós, Járművekhez gyártott CD lejátszók zajvizsgálatához mérési módszer kidolgozása ésamódszer alapján minőség ellenőrzési technológia kifejlesztése, Kutatási jelentés, 2005 (0 12