ATOMNYALÁB DIAGNOSZTIKA FEJLESZTÉSE FÚZIÓS PLAZMAFIZIKAI MÉRÉSEKHEZ PhD tézisfüzet

Átírás

1 ATOMNYALÁB DIAGNOSZTIKA FEJLESZTÉSE FÚZIÓS PLAZMAFIZIKAI MÉRÉSEKHEZ PhD tézisfüzet ANDA GÁBOR Témavezető: Dr. ZOLETNIK SÁNDOR MTA KFKI RMKI Tanszéki konzulens: Dr. PÓR GÁBOR BME NTI BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM NUKLEÁRIS TECHNIKAI INTÉZET MTA KFKI RÉSZECSKE- ÉS MAGFIZIKAI KUTATÓINTÉZET 2010

2 A kutatások előzménye A magfúziós energia, mint tiszta (hosszú felezési idejű radioaktív hulladéktól mentes), kimeríthetetlen energiaforrás az 1950-es évektől kezdve intenzíven művelt kutatási terület. Energetikai célokra akkor használható a magfúziós folyamat, ha a részecskék termikus mozgásából származó energia a kev tartományban van, ami igen magas, kb. 100 millió K hőmérsékletnek felel meg. A fúziós berendezések közül a legígéretesebb a tokamak, amely tórusz alakú plazmát tart össze helikálisan csavart toroidális mágneses térben. Az elméleti számolásokkal szemben azonban a kísérletekből az derült ki, hogy a részecske- ill. hődiffúzió a mágneses (fluxus) felületeken keresztül jóval meghaladja a toroidális geometriában a Coulomb ütközésekből számolt neoklasszikus részecske- és hőtranszportot. Ezt anomális transzportnak nevezik, hajtóereje pedig a leginkább elfogadott elméletek szerint a mikroinstabilitások következtében fellépő turbulencia. Az elmúlt évtizedben számos olyan mérési eredmény született, amely alátámasztja azt a feltevést, hogy a mikroinstabilitások a felelősek a hő- és részecsketranszportért a mágness felületeken keresztül. A plazmában mérhető lokális sűrűség-, hőmérséklet- és potenciálfluktuációk a turbulens plazmaállapot mérhető következményei. A plazmában jelenlevő inhomogenitások több különböző hullámot is destabilizálhatnak. Ezek közül elméleti modellek az úgynevezett "drift hullámokat" tartják a plazma zárt erővonalakkal jellemzett részében meghatározónak.ezek a hullámok különböző, mezoszkópikus skálájú (tehát a mikroturbulencia és a makroszkopikus méretek közötti méretű) áramlási struktúrákat képesek kelteni: poloidálisan haladó zonális áramlásokat és radiális irányú streamer -eket. Ezek a nyílt áramlások visszahatnak a drift hullámokra, amennyiben a drift hullámok által keltett örvényeket elnyírják. Az instabil drift hullámok és az áramló struktúrák egy olyan önszabályozó rendszert hoznak létre, amely felelős a korábban említett anomális hő- és részecsketranszport szabályozásáért. A nyírt áramlás bizonyos körülmények között a plazma határrétegében annyira felerősödhet, hogy a turbulenciát egy makroszkopikus rétegben elnyomhatja és a plazma részecske- és energiaösszetartása megnövekszik, azaz a plazma egy jobb összetartású állapotba kerül. Ezt az állapotot H-módnak (High Confinement Mode) nevezik. A turbulencia és a H-mód fenti kvalitatív megértésen kívül ma még nem áll rendelkezésre olyan elméleti modell, amely képes lenne megbízható módon kvantitatívan megjósolni az anomális hő- és részecsketranszportot. A mai számítások jó nagyságrendű értékeket adnak, azonban különböző effektusokat figyelembe vevő modellek eltérő eredményeket szolgáltatnak. A legnagyobb probléma, hogy H-mód átmenetet és a kapcsolódó szélplazma transzport gát kialakulásához szükséges paramétereket, valamint a transzportgát tulajdonságait (pl. szélesség, hőmérséklet maximum a gát tetején) semmilyen modell sem tudja megadni. Ezek miatt a turbulencia folyamatok kísérleti vizsgálata elsőrendű fontosságú a fúziós kutatások továbbfejlődése szempontjából. Az elmúlt évtizedekben kidolgozott plazmadiagnosztikai eljárásokkal a legtöbb plazmaparaméter (hőmérséklet, sűrűség, potenciál, árameloszlás, áramlási sebesség, stb) mérhető, azonban a diagnosztikák jelentős része nem képes olyan térbeli és/vagy időbeli felbontással mérni, amely a turbulencia tanulmányozásához szükséges lenne. A feladat nehézsége abban áll, hogy a turbulencia korrelációs hossza mm-cm, relatív amplitúdója 0,1-10%, frekvenciája pedig khz nagyságrendben van. Ráadásul a turbulencia statisztikus jellege miatt hosszú idősorok elemzésére van szükség. Ilyen speciális turbulencia diagnosztika csak kevés van.

3 A dolgozat célkitűzése A drift hullámok és mezoszkópikus áramlások önfenntartó rendszere jól vizsgálható a nyaláb emissziós spektroszkópia (NYES) diagnosztika különböző változataival. Ezeknek alapja, hogy valamilyen atomnyalábot lőnek a plazmába, és mérik a plazma által gerjesztett atomok bomlásából származó karakterisztikus hullámhosszú látható elektromágneses sugárzás intenzitását. A gyorsított lítium NYES diagnosztikák segítségével végzett turbulencia mérések megmutatták, hogy megfelelő idő- és térfelbontású turbulenciamérés, valamint a hullámok mozgására alapozott áramlási sebességmérés elvégezhető, azonban a mérés statisztikus hibája csak a plazma legszélső rétegében teszi lehetővé a mérést, ahol a turbulencia relatív amplitúdója nagy. A mérést a nyaláb fény alacsony intenzitása korlátozza, melyet a detektorrendszer tulajdonságai mellett a tipikusan 2 ma-es nyalábáram határoz meg. A kiértékelés pontossága, az időfelbontás növelhető lenne, valamint új diagnosztikai eljárásokat lehetne kifejleszteni erősebb (nagyobb nyalábáramú) lítium NYES-sel és jobb detektorokkal. A dolgozat célkitűzése a jelenleg alkalmazott gyorsított lítium atomnyaláb működésének részletes kísérleti és numerikus szimulációval való vizsgálata, a nyalábáramot és a nyalábátmérőt korlátozó fizikai jelenségek meghatározása. Ezek ismeretében kísérleteket kellett végeznem különböző új típusú ion emitterekkel és iongyorsító elrendezésekkel, amelyek lényegesen nagyobb nyalábáramot és esetleg kisebb nyalábátmérőt tesznek lehetővé. A megszerzett ismereteket felhasználtam a TEXTOR, a JET és a COMPASS tokamak gyorsított atomnyaláb diagnosztikájának átalakításánál illetve felépítésénél. Vizsgálati módszerek A gyorsított lítium atomnyalábok vizsgálatát laboratóriumban végeztem el a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetben, a garchingi Institut für Plasmaphysikben és a Forschungszentrum Jülichben. A nyalábátmérő és az árameloszlás meghatározására új módszert fejlesztettem ki, melyben a gyorsított atomnyaláb útjába egy fémlapot helyezünk. A fémlapon a nyaláb ionok semlegesítődnek, és egy részük a 2s-2p rezonáns átmenethez tartozó gerjesztett állapotba kerül. Így a fényeloszlás mérése az árameloszlásról ad információt. A nyalábáram és az összes detektált fényintenzitás közötti összefüggést kísérletekkel igazoltam: a nyalábáram és a detektált fény egymással arányos. Az atomnyalábok árameloszlását a berendezés működési paramétereinek függvényében részletesen vizsgáltam doktori munkám során ezzel az eljárással. A nyaláb formálásának és gyorsításának folyamatát numerikus szimulációval is tanulmányoztam. Ehhez felhasználtam a CPO és az AXEL numerikus kódokat. A kapott eredményeket szisztematikusan összehasonlítottam egymással és a laboratóriumi mérések eredményeivel. Az így validált számítási módszerekkel tanulmányoztam módosított gyorsító elrendezésekben a nyaláb áramának és átmérőjének változását és javaslatot tettem a berendezések átalakítására, valamint az ionforás továbbfejlesztésének irányára. Részt vettem a TEXTOR tokamak lítium atomnyaláb diagnosztikájának módosításában, az új nyalábvezérlési és megfigyelési rendszer felépítésében. A diagnosztikával méréseket végeztem a tokamak plazma szélső rétegében elektronsűrűség eloszlás meghatározására. Az eredmények alapján a COMPASS tokamakra új lítium atomnyaláb diagnosztikát terveztem és építettem.

4 Új tudományos eredmények A PhD munkám során elért új eredményeket az alábbi tézispontokban foglalom össze: 1. Kifejlesztettem egy eljárást diagnosztikai atomnyaláb áramsűrűség-eloszlásának mérésére és megmértem vele a JET és a TEXTOR tokamak gyorsított atomnyaláb diagnosztikájának az áramsűrűség eloszlását a gyorsító és az ionforrás működésének teljes paramétertartományában [1]. 2. Megállapítottam, hogy közelítőleg 1 ma nyalábáram fölött jelentkezik a tértöltés hatása a nyaláb árameloszlásában. Ez a hatás csak a gyorsító tartományban van meg, mivel ezen kívül a nyalábháló által kiváltott elektronok semlegesítik azt. A mérések szerint mindkét nyaláb áramát az ionforrás árama korlátozza [1,2]. 3. Megterveztem és felépítettem egy olyan speciális ionoptikát, amellyel nyalábformálás nélkül is lehet nyalábáramot és az emissziós felület hőmérsékletét egyidejűleg mérni [1]. 4. A mérések értelmezésére numerikus szimulációt végeztem két különböző szimulációs kóddal. A kísérletekkel jó egyezést kaptam amennyiben a tértöltés hatását figyelembe vettem a gyorsító tartományban. Az így validált számítási eljárások segítségével javaslatot tettem az ionforrás és a gyorsító geometria olyan módosítására, amellyel a diagnosztikai nyalábok teljes áramát lényegesen meg lehet növelni és divergenciájukat le lehet csökkenteni [3,4]. 5. Atomnyaláb diagnosztika segítéségével megmértem a TEXTOR tokamak szélső rétegében a plazma elektronsűrűségének eloszlását [5,6,7,8,9,10]. 6. Megterveztem és felépítettem a COMPASS tokamak gyorsított alkáli diagnosztikai atomnyalábját [10]. 7. Megterveztem és felépítettem egy újszerű semlegesítő kamrát alkáli atomnyaláb diagnosztikához. A tézispontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények [1] G. Anda, S. Bató, G. Petravich, S. Zoletnik, Li-beam developments for high-energy plasma diagnostics, Fusion Engineering and Design, Volume 74, Issues 1-4, November 2005, Pages [2] G. Anda, S. Bató, G. Petravich, S. Zoletnik, R. Uhlemann, Li-beam developments, 32nd EPS Conference on Plasma Phys. Tarragona, 27 June - 1 July 2005 ECA Vol.29C, P (2005) [3] M. Berta, A. Bencze, G. Anda, M. Aradi, D. Dunai, G. Veres, S. Zoletnik, Concept of an Atomic Beam Probe diagnostic on COMPASS tokamak, 36th EPS Conference on Plasma Phys. Sofia, June 29 - July 3, 2009 ECA Vol.33E, P (2009) [4] 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) [5] 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

5 [6] 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 [7] 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 [8] 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) [9] 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) [10] D. Guszejnov, Pokol Gergő, Réfy Dániel, Anda Gábor, Petravich Gábor, Dunai Dániel, Pusztai István, A COMPASS tokamakra építendő atomnyaláb diagnosztika tervezésének támogatása szimulációk segítségével, Nukleon, május (2010)