ELM prekurzorok vizsgálata a JET tokamakon

Átírás

1 Nukleon szeptember V. évf. (2012) 112 ELM prekurzorok vzsgálata a JET tokamakon Lampert Máté, Kocss Gábor MTA Wgner Fzka Kutatóközpont Részecske- és Magfzka Intézet 1121 Budapest Konkoly-Thege Mklós út Az I-es típusú ELM-ek (Edge Localzed Modes - plazmaszél nstabltások) a fúzós berendezésekben olyan magas energa és részecske fluxussal terhelk a plazmahatároló elemeket, hogy maradandóan károsítják a berendezést. A folyamat szabályozása lehetséges krogén hdrogén zotóp pelletek belövéséve, melyekkel mesterségesen kelthetünk ELM-eket. A kísérletek során problémát okoz annak a meghatározása, hogy melyk ELM spontán és melyk pellet által trggerelt. Ez az nformácó elengedhetetlen a két folyamat kalakulásának vzsgálatához, így egy módszert kell kdolgozn az események szétválogatására. Bzonyos I-es típusú ELM-ek előtt az elektronsűrűségben prekurzor oszcllácó fgyelhető meg. Amennyben ez csak spontán kalakuló ELM előtt fgyelhető meg, akkor ez lehetőséget ad a szétválogatásra. Ebben a ckkben összefoglaljuk az ezen kérdéskör tsztázására folytatott vzsgálatankat, melyek során kb ELM eseményt (mnd természetes módon kalakuló, mnd pelletek által keltett) analzáltunk. A kíséretek a JET tokamakon zajlottak. Meghatároztuk az ELM-ek előtt fellépő elektronsűrűség prekurzor oszcllácó tpkus frekvencáját, az előfordulás valószínűségét spontán és pellet trggerelt ELM-ek esetén, lletve meghatároztuk, hogy van-e összefüggés az ELM mérete és a prekurzor oszcllácó jelenléte között. A kíséret adatokat egy adatbázsba foglaltuk, melyet statsztkus módszerekkel vzsgáltunk meg. Bevezetés A ma zajló plazmafzka kutatások fő célja egy olyan plazma összetartás kfejlesztése, amnek az alkalmazásával egy jövőben üzemelő fúzós erőmű gazdaságosan termelhet energát. A kutatások során megfgyelték, hogy növelve mágnesesen összetartott plazmák fűtését, egy adott fűtés teljesítmény küszöböt átlépve a plazma nyomása és ezzel együtt a sűrűsége és hőmérséklete - hrtelen többszörösére nő. A nagyobb nyomás hatására a fúzós reakcóráta megnő, am gazdaságosabb üzemeltetést tesz lehetővé. A magasabb nyomás - vagy úgy s mondhatjuk, hogy a jobb plazma összetartás a plazma szélén kalakuló transzportgátnak köszönhető, amely lecsökkent az energa és részecske veszteségeket. Ezt a plazmaállapotot magas összetartású módnak hívjuk (H-mode). A transzportgát matt a plazma szélén egy keskeny rétegben nagy nyomás gradens alakul k [1], amnek hatására a plazma szélén lokalzált nstabltások, ELM-ek jelennek meg. Az ELM rövd, kváz perodkus perturbácó a plazma szélén [2], amely jelentős energa- és részecskeveszteséget okoz. Az ELM-ekkel kapcsolatos plazmaenerga-veszteség általában a teljes tárolt plazmaenergának csak töredéke, azonban elég nagy a teljesítménye ahhoz, hogy komoly problémát okozzon a jövőben megépülő nagyobb berendezésnél, például az ITER-nél (Internatonal Tokamak Expermental Reactor) [3]. Ahhoz, hogy mnél jobban megérthessék a jelenség mögött zajló fzka folyamatokat, az ELM-eket kísérletleg vzsgálják. A közelmúltban több típusú ELM-et s felfedeztek, amket a mágneses prekurzor jelenléte és a fűtés teljesítmény szernt osztályoztak [2]. Azokat az ELM-eket, melyeknek smétlés gyakorsága növekszk a fűtés teljesítmény növelésével, és nem rendelkeznek mágneses prekurzorral, I-es típusú ELM-eknek hívjuk [4]. Mvel az ITER berendezés tervezésénél választott standard plazma üzemmódban ezek a típusú ELM-ek domnálnak, ezért ebben a ckkben s ezekkel foglalkozunk. A kísérletek azt mutatták, hogy az ELM-eknek nem csak káros hatásuk van, hanem hozzájárulnak a plazma szennyezőnek eltávolításához s [5]. Ha az ELM-ek nem kellő gyakorsággal vannak jelen, akkor a tpkusan hdrogén zotópokból álló plazmákban a plazmát határoló elemekről beáramló szennyezők koncentrácója megnövekszk. A megnövekedett szennyező koncentrácó hatására a plazma sugárzásos energa vesztesége olyan mértéket s ölthet, hogy a plazma sugárzásos összeomlást szenved el, amt mndenképpen el kell kerüln. Így valójában az ELM-ek szükségesek ahhoz, hogy hosszú dejű, magas összetartású állapotban működő plazmát lehessen létrehozn, azonban egy reaktornál csak olyan ELM-ek elfogadhatóak, melyeknél az ELM-ek okozta plazmaenerga-veszteség elég alacsony ahhoz, hogy ne tegyen kárt a berendezésben. Ehhez az ELMeket valamlyen módszerrel szabályozn kell. Az ELM-ek szabályozására, hatásanak mérséklésére több módszert s kdolgoztak, melyek közül a krogén hdrogén zotóp pelletek által ELM keltés (pellet ELM pacemakng) tűnk az egyk legígéretesebbnek [6]. A módszer alapja, hogy egy néhány mllméter nagyságú deutérum-jég pelletet lőnek a plazmába, amely úgy perturbálja azt, hogy egy ELM keletkezk. Felfedezték, hogy az ELM smétlődés gyakorsága fordítottan arányos az egy ELM által klökött energával [7]. Ez lehetőséget ad a szabályozásra: mnél gyakrabban lövünk be pelleteket a plazmába annál gyakrabban keltünk ELM-ket, máltal az egy ELM által klökött energa folyamatosan csökken. Tehát ha kellően nagy frekvencával njektálunk pelleteket a plazmába a berendezés falát érő hőterhelést a krtkus érték alá tudjuk szorítan [6]. Kontakt: lampert.mate@wgner.mta.hu Beérkezett: júlus 23. Magyar Nukleárs Társaság, 2012 Közlésre elfogadva: szeptember 19.

2 A ma napg nytott kérdés az, hogy mlyen fzka folyamatok váltják k a spontán kalakuló és a pelletek által trggerelt ELM-eket. Mndenesetre ahhoz, hogy az ELM eseményeket pontosan megvzsgálhassuk, tudnunk kell azt, hogy melyk esemény spontán, és melyk pellet által keltett. Tovább nehezít a dolgunkat, hogy a pelletek méretét és ezáltal az okozott plazma perturbácót amennyre csak lehet csökkenten kell, hogy az ELM keltésen kívül más paraztkus hatásuk ne legyen (például a hdeg krogén pelletek ne hűtsék le a plazmát). Így vannak olyan kísérletek (például a JET tokamakon mm méretű pelletek), ahol a pellet mérete olyan kcs, hogy nagyon nehéz a beérkezését detektáln. Ezen problémák megoldására kell találn egy módszert, am adott bzonyossággal megadja, hogy melyk ELM spontán keletkező és melyk pellet trggerelt. A kísérletek során megfgyelték, hogy az I-es típusú ELM-ek alatt bzonyos plazmaparaméterek esetén prekurzor oszcllácó fgyelhető meg az elektronsűrűségben [8]. Amennyben ez az oszcllácó csak spontán esetben fgyelhető meg, akkor ez lehetőséget ad az események szétválogatására. Ebben a ckkben összefoglaljuk azon kutatásankat, melyekben ezt a kérdéskört próbáltuk tsztázn a JET tokamakon végzett kísérletek kértékelésével. Munkánk során kb ELM eseményt (mnd természetes mnd pellet trggerelt ELM-eket) vzsgáltunk. Meghatároztuk az elektronsűrűség prekurzor oszcllácó tpkus frekvencáját, az előfordulás valószínűségét spontán és pellet trggerelt ELM-ek esetén, lletve meghatároztuk, hogy van-e összefüggés az ELM mérete és a prekurzor oszcllácó jelenléte között. A kíséret adatokat egy adatbázsba foglaltuk, melyet statsztkus módszerekkel vzsgáltunk. A ckk Az elektronsűrűség mérése című fejezetében az elektronsűrűség prekurzor mérés módszerét smertetjük, Adatfeldolgozás és kértékelés című fejezetében a vzsgálathoz felépített adatbázst, és annak statsztka vzsgálatához szükséges módszereket mutatjuk be, majd a ckk végén smertetjük az eredményeket, és összefoglaljuk a leírtakat. Az elektronsűrűség mérése Fúzós berendezéseknél sűrűség mérésére hosszabb deg nem használható közvetlen módszer, mert a mérőeszközt károsítaná a magas hőmérsékletű plazma. Interferométer segítségével közvetetten mérhető az elektronsűrűség. Működése rövden a következő. Egy lézernyalábot nyalábosztó tükörrel két részre osztanak, melyből az egyket átvezetk a plazmán, a másk pedg akadálymentesen halad tovább. A referenca nyalábot és a plazmán átmenő mérőnyalábot ezután detektorokra vezetk, ahol mérk a két nyaláb között fázskülönbséget. Ebből számolható a plazma törésmutatójának nyaláb ment vonalntegráltja, amből pedg a vonalntegrált elektronsűrűség. A részletesebb működés elv megtalálható a [9] rodalomban. A JET (Jont European Torus) berendezésen Mach-Zehnder típusú nterferométer nyolc különböző csatornán mér az elektronsűrűséget [10] (lásd 1. ábra). Az ábrán látható sorszámozás szernt negyedk csatornát használtuk a prekurzor oszcllácók vzsgálatára, mert ezen a csatornán volt a legjobban megfgyelhető, hszen ez kzárólag a plazma szélét mér, ahol a plazmaszél nstabltásokat és a velük járó oszcllácókat már korábban megfgyelték. Az eszköz mntavételezés frekvencája 100 khz, így maxmum 50 khzes oszcllácókat tudtunk vzsgáln. 1. ábra: A JET-en található nterferométer csatornának elhelyezkedése Adatgyűjtés és feldolgozás A JET-en vzsgált plazmaksülések alatt magas összetartású módban az I-es típusú ELM-ek gyakorsága 5Hz és 60Hz között volt és a plazma körülbelül 5-10s-g volt ebben az állapotban. Ez azt jelent, hogy ksülésenként átlagosan között ELM eseményt kellett megvzsgálnunk. A vzsgálatok során 12 ksülés összesen 956 spontán keletkező ELM eseményét vzsgáltuk, melyeket valamlyen módszerrel azonosítan kell. Az ELM alatt a becsapódó semleges részecskék matt a dvertorban hrtelen megnő a D α sugárzás [3] (2. ábra), ennek az ntenztás maxmumának dőpontja és a ksülés sorszáma használható az ELM-ek azonosítására. Ez a két adat egyértelműen azonosítja az ELM eseményt. Ezután az ELM-eket a következő adatokkal együtt egy adatbázsba rendeztük: Prekurzor jelenléte: prekurzornak neveztük azt az oszcllácót, am az ELM előtt megfgyelhető hrtelen sűrűségváltozás előtt közvetlenül látható, és legalább 5 teljes peródus jelen volt (lásd 2. ábrán a középső görbét). Az ELM által okozott plazmaenerga-esés: az elektronsűrűség letörés dőpontja előtt 10ms-os dőablakban mért maxmáls és a letörés után 10ms-os dőablakban mért mnmáls plazmaenerga különbsége. A prekurzor frekvencája (Lásd: Eredmények című fejezet, prekurzor frekvencája című alfejezete). A vzsgálatank során kíváncsak voltunk arra, hogy vajon pellet keltette ELM előtt jelentkezk-e prekurzor oszcllácó az elektronsűrűségben. A kérdés megválaszolására az adatbázsba tovább 93 ELM eseményt rögzítettünk, melyekről bztosan tudtuk, hogy pellet keltett. A JET-en 4mm-es pellet esetén megállapítható, hogy trggerelt-e a pellet ELM-et, 1mm-es pellet esetében már nem. Az általunk vzsgált ksülésekben 4mm-es pelletet használtak. A felépített adatbázsból válasz adható a következő kérdésekre: M a prekurzor tpkus frekvencája? Előfordul-e pellet által keltett ELM előtt oszcllácó? Függ-e a prekurzor jelenléte az ELM által okozott plazmaenerga-eséstől, lletve az ELM előtt maxmáls plazmaenergától? Ezekre a kérdésekre a következő fejezet alfejezeteben adunk választ. Magyar Nukleárs Társaság,

3 (a) 2. ábra: A dvertor D α sugárzása, a vonalntegrált elektronsűrűség és a plazma energa tartalmának dőbel változása egy természetes ELM körül, #76694-es ksülés (az elektronsűrűség jel dőben nem kalbrált). Eredmények A prekurzor tpkus frekvencájának meghatározása Az adatbázs felállításához szükség volt egy módszerre, amvel meg lehet határozn egy tetszőleges jel dő-frekvenca transzformáltját. Erre a legegyszerűbb módszer a rövd dejű Fourer-transzformálás [11]. A módszer lényege, hogy a jelet adott szélességű Gauss ablakfüggvénnyel beszorozzuk, majd meghatározzuk a Fourer-transzformáltját. A Gauss görbe maxmumának helyét léptetve, majd a kapott transzformáltakat egymás mellé téve kapjuk meg a jel dőfrekvenca transzformáltját, vagy más néven spektrogramját. A módszer segítségével (NTI Wavelet Tools 1 ) meghatároztuk a prekurzorral rendelkező ELM események spektrogramját az elektronsűrűség letörés előtt 1ms-os dőablakban. Megbízható automatkus módszer hányában manuálsan kerestük meg a spektrogram maxmumának közelítő helyét, majd egy algortmus automatkusan megkereste a kjelölt pont körül 100 s, 2kHz ablakban a maxmáls ntenztáshoz tartozó frekvencát. Egy prekurzor spektrogramja a 3a ábrán látható. Az adatbázs feltöltése után a tpkus frekvencát hsztogram segítségével vzsgáltuk. Megkerestük azon ELM eseményeket, melyek prekurzor frekvencája a f 500Hz,f 500Hz frekvencantervallumba esk, ahol a frekvenca a [7kHz, 25kHz] ntervallumban található, és a frekvencát 1kHz-enként léptettük. Ezután ábrázoltuk a frekvenca relatív gyakorságát a frekvenca függvényében (3b ábra). Látható, hogy a hsztogram széles csúccsal rendelkezk (3b ábra), a csúcs közepe 11kHz-nél található, félértékszélessége 4kHz. Ezek alapján elmondható, hogy a prekurzor tpkus frekvencája f=11khz±2khz az általunk vzsgált ELM események esetén. 1 A Budapest Műszak Egyetem Nukleárs Technka Intézetében kfejlesztett dő-frekvenca transzformácó elvégzésére alkalmas IDL nyelvben írt programcsomag. (b) 3. ábra: a) A prekurzor oszcllácó és spektogramja, #76702-es ksülés b) A frekvenca relatív gyakorság grafkon A prekurzor jelenlétének vzsgálata az ELM keletkezés módjától függően Fontos megvzsgáln, hogy előfordul-e prekurzor pellet által keltett ELM előtt s, vagy csak spontán keletkező ELM előtt található meg. A várakozásunk az, hogy kzárólag spontán ELM előtt fgyelhető meg. Ezt a sejtést arra a felfedezésre alapoztuk, hogy amnt a pellet elér a plazma szélét, 50µs-on belül keletkezk egy ELM [12]. A prekurzor tpkus frekvencája 11kHz, am fél peródusnak felelne meg 50µs alatt, de prekurzornak a legalább 5 teljes peródussal rendelkező oszcllácót neveztük. A fent sejtést az adatbázs segítségével azonnal gazoln tudjuk, csak meg kell vzsgáln, hogy van-e olyan ELM esemény, am pellet által keltett, és prekurzorral rendelkezk. Az adatbázsban fellelhető 93 pellet trggerelt esemény közül egyetlen lyen eseményt találtunk, a es számú plazmaksülésben s-nál, amt ezután közelebbről s megvzsgáltunk. Kderült, hogy ebben az esetben a pellet éppen akkor érkezett a plazmába, és keltett egy ELM-et, amkor a prekurzor oszcllácó már detektálható volt. Fgyelembe véve az ELM frekvencát, a pelletek belövés gyakorságát és a prekurzor oszcllácó hosszát, egy lyen esemény bekövetkezése 1.4s-onként várható, így egyáltalán nem meglepő, hogy előfordult az adatbázsban lyen. Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy prekurzor oszcllácó akkor fgyelhető meg I-es típusú ELM előtt, ha az ELM spontán keletkezk, kvéve azt a ks valószínűségű eseményt, amkor éppen akkor történk a pellet belövés, mkor a prekurzor oszcllácó már elkezdődött. Magyar Nukleárs Társaság,

4 A prekurzor jelenlét és a plazmaenerga kapcsolata Mután meghatároztuk, hogy prekurzorral csak a spontán ELM-ek rendelkezhetnek, az adatbázs tovább vzsgálata során kderült, hogy a sok spontán ELM esemény közül körülbelül az egyharmada rendelkezk prekurzor oszcllácóval. Tovább vzsgálatok során kderült, hogy érdemes megvzsgáln azt, hogy kmutatható-e valamlyen összefüggés az ELM előtt és után plazmaenerga és a prekurzor jelenléte között. Többek között megvzsgáltuk az ELM előtt maxmáls (E max) és az ELM után mnmáls energa különbsége (ΔE), és az ELM alatt relatív plazmaenerga-esés ( E rel E E max ) és a prekurzor jelenléte között összefüggést. Mnd a három mennységre megvzsgáltuk, hogy mlyen kapcsolatban van a prekurzor jelenlétével. Megvzsgáltuk, hogy az adatbázsban található spontán ELM-ek közül hány prekurzorral rendelkező esemény található az (1), (2) és (3) alatt látható ntervallumokban, majd a kapott számot leosztva az ntervallumban található összes esemény számával, megkaptuk, hogy mlyen valószínűséggel jelentkezk prekurzor az adott ntervallumban. E.003, E 0.003, rel, 0 rel, ahol E rel, (1) ahol ahol E max, 0.15MJ, Emax, 0. 15MJ 0.3MJ Emax, 9MJ, (2), E 0.012MJ, E MJ 0.024MJ E 0. 72MJ (3) A képletekben található az ntervallumokat ndexel. A kapott hsztogramok a 4. ábrán láthatók. A 4. ábra alapján megállapíthatjuk, hogy a prekurzor jelenléte és az ELM előtt és után mérhető plazmaenerga között csak a relatív plazmaenerga-esés grafkonján fgyelhető meg egyértelmű trend. A prekurzorral rendelkező ELM-ek esetében a prekurzor jelenlétének valószínűsége monoton nő a relatív plazmaenerga-esés növekedésével. Ilyen kapcsolat nem látható a maxmáls plazmaenerga és az abszolút plazmaenerga-esés esetében. A kapott grafkon vzsgálatából kderült, hogy 9%-os relatív plazmaenerga-esés felett gyakorbbak a prekurzorral rendelkező ELM-ek, 5%-os relatív plazmaenerga-esés alatt pedg többségében prekurzor nélkül ELM-eket találunk. A két érték között 50% körül változk a valószínűség. Ennek a megfgyelt trendnek az okát jelenleg nem smerjük, de magyarázatára elképzelhetőnek tartjuk a következő spekulatív gondolatmenetet. A nagyobb relatív plazmaenerga-esést valószínűleg a nagyobb szél plazma nyomás gradens váltja k. Mnél nagyobb a nyomás gradens, a plazma annál messzebb kerül stabltás lmttől - még melőtt az ELM összeomlás bekövetkezne, és ez az erősen nstabl állapot az, am a sűrűség és a nyomás oszcllácóját válthatja k. Az elektronsűrűség prekurzor vzsgálatok célja egy olyan módszer kfejlesztése volt, amely képes a prekurzor jelenléte alapján nagy bztonsággal megállapítan, hogy az ELM spontán kalakuló, vagy pellet által trggerelt. A vzsgálatok során kderült, hogy kzárólag a természetes ELM-ek esetében jelentkezk prekurzor, azonban nem mnden esetben, nagy valószínűséggel csak a nagy relatív plazmaenerga-esést okozó ELM-ek esetében van jelen. Ezek alapján sajnos nem lehet a vonalntegrált sűrűségen megfgyelhető prekurzor oszcllácó jelenléte alapján teljes bztonsággal szétválogatn egy plazmaksülésben a spontán és trggerelt ELM-eket, hanem egyéb dagnosztka eljárást s segítségül kell hívn (pl. vdeó dagnosztka). 4. ábra - A három vzsgált mennység hsztogramja a prekurzorral rendelkező és nem rendelkező ELM-ekre Magyar Nukleárs Társaság,

5 Összefoglalás Vzsgálatank során az I-es típusú ELM-ek elektronsűrűség prekurzor oszcllácót vzsgáltuk. Az oszcllácó természetének pontosabb megértésével közelebb juthatunk a spontán keletkező ELM-eket okozó fzka folyamatok megsmeréséhez s, de célunk az volt, hogy megállapítsuk, vajon a prekurzor oszcllácók segítségével szétválogathatóke a pelletek által trggerelt és a természetes ELM-ek. Meghatároztuk az elektronsűrűség prekurzor oszcllácóra jellemző frekvencát, amre f prekurzor 11kHz 2kHz adódott. Kderült, hogy lyen oszcllácót csak spontán keletkező ELM-ek előtt fgyelhettünk meg, de ott sem mndg. Skerült összefüggést találnunk az ELM-ek által okozott relatív plazmaenerga-esés és a prekurzor oszcllácó jelenléte között s: ha az ELM-ek által okozott relatív plazmaenergaesés nagyobb, mnt 9% és az ELM spontán keletkezett, nagyobb valószínűséggel tapasztalunk prekurzor oszcllácót. Vszont az s kderült, hogy csak az elektron sűrűség prekurzor oszcllácók vzsgálatával nem tudjuk megállapítan egy ELM-ről, hogy pellet által trggerelt vagy természetes módon keletkezett-e. Köszönetnylvánítás Szeretnénk megköszönn a KFKI RMKI Plazmafzka Főosztályán dolgozó kollégáknak a közreműködést, lletve a JET-nél dolgozó kutatóknak, különösen Peter Langnak és Ronald Wennngernek a segítségét. Köszönjük Pokol Gergőnek, hogy rendelkezésünkre bocsátotta az NTI Wavelet Tools programcsomagot. Irodalomjegyzék [1] F. Wagner et al: Regme of mproved confnement and hgh beta n neutral-beam-heated dvertor dschargers of the ASDEX tokamak; Phys. Rev. Lett. 49 (1982) [3] H. Zohm: Edge localzed modes (ELMs), Plasma Phys. Control. Fuson 38 (1996) [3] Az ITER berendezés honlapja: [4] Szepes T. et al: Pelletek által keltett mágneses perturbácók vzsgálata fúzós plazmakísérletekben, Nukleon II (2009) 48 [5] F. Ryter et al: H-Mode Results n ASDEX Upgrade, Plasma Phys. Control. Fuson 36 (1994) A99-Al04. [6] P. T. Lang et al: ELM pace makng and mtgaton by pellet njecton n ASDEX Upgrade; Nuclear Fuson 44 (2006) 665 [7] A. Herrmann: Overvew on statonary and transent dvertor heat load, Plasma Phys. Control. Fuson 44 (2002) 883 [8] C.P. Perez et al: Type-I ELM precursor modes n JET, Nucl. Fuson 44 (2004) [9] I. H. Hutchnson: Prncples of plasma dagnostcs Second Edton; Cambrdge Unversty Press, p112 [10] A. Boboc et al: Smultaneous Cotton-Mouton and Faraday rotaton angle measurements on JET; Rev. Sc. Instrum. 77 (2006) 10F324 [11] S. Mallat: A wavelet tour of sgnal processng. Academc Press, second edton, [12] G. Kocss et al: Spato-temporal nvestgatons on the trggerng of pellet nduced ELMs; Nuclear Fuson 47, , 2007, IF:3.278 Magyar Nukleárs Társaság,