Brockhaus lexikon 12/8/2013 Pelletek és forró plazma kölcsönhatásának vizsgálata Kocsis Gábor Forró plazmák és pelletek ASDEX Upgrage tokamak Deutérium pellet Plazma: mágnesesen összetartott ionizált gáz anyag: hidrogén izotóp (H, D) sűrűség: kb. 10-5 bar hőmérséklet: néhány kev, 10millió Kelvin Pellet: makroszkopikus anyagdarab jellemzően 10μm 10mm H,D: üzemanyag pótlás egyéb anyag: diagnosztika v. pellet-plazma kölcsönhatás vizsg. 1
Aluminium micro pelletek lézeres gyorsítása 10 mikron vastag alumínium rétegből nedves maratással pelleteket alakítunk ki kvarc hordozón d=6-55μm 1-60 10 14 atom A pelleteket a lézerimpulzus rakéta szerűen gyorsítja 300-1500m/s sebességre Lézer fókusz foltjában több pellet is van: 5-10 pellet repül el különböző sebességgel. RSI 66,2904,1995 Aluminium micro-pelletek ablációjának megfigyelése forró plazmában Pelleteket a plazmába alulról lőttük be, megfigyelésük oldalról speciális kamerákkal történt Az ionizált felhő a tokamak mágneses erővonalai mentén nyúlik el és vonalas, fluktuáló szerkezetet mutat IEEE TPS 24,1120,1996 2
Alumínium pellet felhő eloszlása: kísérleti eredmények és numerikus modell Modell számítás: a forró plazma hatására pellet körül egy semleges, gömb szimmetrikusan táguló felhő alakul ki, aminek az árnyékoló hatása kicsi, ezért az ablációs ráta a pellet felületével arányos. Kis pellet: ablációs ráta kicsi felhő elektron sűrűség kicsi ionoknak: hosszabb élettartam a felhő elnyúltabb Nagy pellet: ablációs ráta nagyobb felhő elektron sűrűség nagyobb ionok: rövidebb az élettartam a felhő kisebb az erővonalak mentén r=16μm r=28μm ECA 25A, 649, 2001 ECA 24B, 604, 2000 Pellet felhő fényfluktuációjának vizsgálata Pellet felhők által kibocsátott fény vs idő Toroidal position [mm] Mind a kamera képeken, mind a photmultiplier jelen fluktuáció látható. A fluktuációt vizsgáltuk három berendezésen: MT-1M, W7-AS, TEXTOR A fluktuáció átlagfrekvenciája nem függ a pellet sebességétől Ok: pellet felhő instabilitása, aminek karakterisztikus ideje van PPCF 41, 881, 1999 3
ASDEX Upgrade tokamak pellet belövő rendszere Milliméter méretű deutérium pelletek gyorsítása Pelletek: mm méretű fagyasztott hidrogén darabkák Sebesség: 100-1000m/s RSI 78, 023504, 2007 ASDEX Upgrade tokamak pellet belövő rendszere Milliméter méretű deutérium pelletek gyorsítása Pelletek: mm méretű fagyasztott hidrogén darabkák Sebesség: 100-1000m/s Video observation: Photron SA5 7000 fps @ 1024 x 1024 pixels 350 000 fps @ 128 x 88 pixels 581250 fps @ 64 x 64 pixels RSI 78, 023504, 2007 4
Pelletek megfigyelése ultragyors videó diagnosztikával 210 000 kép/s felvétel (ROI) a ASDEX Upgrade tokamak plazmában ablálódó deutérium pelletről Hosszú expozíciós idejű kép A tokamak belsejéről Pelletek megfigyelése ultragyors videó diagnosztikával Gyors mozik: nyomkövetés Miért jó ez nekünk? Pellet pozíció mágneses koordinátákban 5
Elektron sűrűség pellet abláció 12/8/2013 Pellet nyomkövetés: alkalmazási példák fizikai kísérletekben pelletek után A plazma hőmérséklet eloszlásának időbeli változása pellet belövés alatt. Pellet pálya pelletek előtt Normált rádiusz Pellet üzemanyag pótlási kísérletek: A sűrűség növekedés zónája megfelel a pelletek ablációjának a zónájával. Idő [s] A hideg deuterium pelletek jelentősen lehűtik a target plazmát. A hűlési front együtt mozog a pellettel (szaggatott vonal) függetlenül a pellet sebességétől. ECA 32D, 2.070, 2008 Plazma szél instabilitás (Edge Localised Mode - ELM) Szél plazma instabilitás: a plazma szélén kialakuló periódikus MHD instabilitás, mely során ms alatt a plazma tárolt energiájának 5-10%-a is kilökődhet. Kicsi erőltetett hasonlat: napkitörés DE: a kilökődött energia és részecskék a tokamak aljára az u.n. divertor lemezekre áramlanak! Sugárzás ELM elött 1MJ ELM JET tokamakban, hatása akár egy kézigránát Minél nagyobb a berendezés annál nagyobb probléma. Sugárzás ELM alatt Az ELM elfogadhatatlanul csökkenti a plazmát határoló elemek élettartamát. 6
ELM pacemaking Megfigyeltük: 1. Hidrogén izotóp pelletek plazmába injektálva szél plazma instabilitást keltenek. 2. Minél sűrűbben vannak az ELMek, annál kisebb az egy ELM-által okozott energia veszteség ( ELM frekvencia ELM energia majdnem állandó) Megoldás: injektáljunk sűrűn pelleteket a plazmába, hogy keltsünk ELMeket, ezzel csökkentve az 1db ELM okozta hatást Demonstráció: ASDEX Upgrade, RMKI-s részvétellel Módszer működik, DE nem tudjuk, hol és hogyan kelt a pellet ELMeket. NF 44, 665, 2004 Pellet ELM triggerés: hogyan kelti a pellet az ELM-eket? ASDEX Upgrade: pellet nyomkövetéssel megállapítható, hogy a pellet akkor triggerel ELM-t, ha szélpazma közepén tartózkodik. NF 47, 1166, 2007 JET: A plazma falán látható ELM mintázatok és a pelletek ELM triggereléskori plazmabeli pozíciójának vizsgálatával megállapítottuk: A plazma szél instabilitás a pellet sűrű felhőjéből indul ki. Ezt nemlineáris MHD szimulációk is igazolták. Ez jó hír, mert így méretezhető ez a technika például az ITER-re is. ECA 34A, 4.136, 2009 7
Pellet abláció vizsgálata ultragyors videó diagnosztikával ~200 000 kép/s felvétel az ablálódó deutérium pelletről ~600 000 kép/s felvétel az ablálódó deutérium pelletről Az 1.6μs időfelbontás éppen elegendő a pellet felhő dinamikájának a vizsgálatához, viszont csak egy kisebb ROI tudunk csak használni. Pellet abláció vizsgálata ultragyors videó diagnosztikával A pellet felhőből periodikusan kis felhők válnak ki, amik zömében a kis mágneses terű régiók fele mozdulnak el. Lehetséges magyarázat: Az ionizált pellet felhő mágneses tér gradiense miatti driftje ECA 37F, 1.093, 2012 A periodikus felhő kiválás (drift) lehet a magyarázata a pellet felhő által kibocsátott fény fluktuációjának. Frame number Ezt a driftelő és a kibocsátó felhőrészek sugárzásának a szétválasztásával állapíthatjuk meg. ECA 37D, 5.154, 2013 8
Akik nélkül mindez nem jött volna létre: Arturo Alonso, Bakos József, Belonohy Éva, Rainer Burhenn, Paul Cierpka, Teddy Craciunescu, Cseh Gábor, Gál Kinga, Kardon Béla, Kálvin Sándor, Lampert Máté, Peter Lang, Ludwig Ledl, Günter Mank, Josef Neuhauser, Jose Luis de Pablos, Petravich Gábor, Bernhard Plöckl, Pokol Gergő, Albrecht Pospieszczyk, Szepesi Tamás, Veres Gábor, Christian Wittmann, Zoletnik Sándor MT-1M, TEXTOR, W7-AS, ASDEX Upgrade, JET teamek 9