Trícium kalorimetria részvétel egy EFDA tréning programban Bükki-Deme András Tudományos munkatárs / TRI-TOFFY trainee MTA ATOMKI Elektronikai osztály Debrecen, 2012.05.24
TRI-TOFFY projekt (TRItium TechnOlogies for Fusion Fuel cycle) Egy EFDA GOT (Goal Oriented Training) program: TRI-TOFFY: 6 kutatóintézet 6 tanonc Cél: toborzás fúziós kutatási területekre + DT üzemanyag ciklus fejlesztése Kutatási / fejlesztési témák: trícium üzemanyagciklus TOKAMAK-ban (ITER, DEMO) Izotóp szeparáció (cryo-desztilláció, molekuláris szűrők, membrántechnológia) trícium tenyésztés (lítiumból, jelenleg több féle koncepció létezik) trícium detektálása (spektroszkópiai módszerek, kalorimetria, ) 3 éves projekt (2010 március 2013 március): 1 hónap JET (Joint European Torus, Culham, Anglia) 6+11 hónap TLK (Tritium Laboratory Karlsruhe)
Karlsruhe Institute of Technology 9 000 alkalmazott (oktató/kutató: 5 600) 22 000 hallgató (ebből 9 600 mérnök, 7 000 természettudományi szakos) Költségvetés: 371+361 millió EUR (Egyetem+kutatóintézet, 2010-es adat) Fúzióhoz kapcsolódó kutatások (ITER több komponensét itt fejlesztik): DT üzemanyagciklus Vákuumtechnológia Mikrohullámú plazmafűtés Szupravezető technológiák Plazma-fal kölcsönhatások Robotika ( remote handling ) Magnetohidrodinamika (folyékony PbLi tenyésztő, kísérlet NaK-al)
Trícium labor Karlsruhe (TLK)
TLK A két fő feladata: DT üzemanyag ciklus kidolgozása Neutrínó tömeg mérés (KATRIN kísérlet, építés alatt) Licensz 40 g trícium tárolására, jelenleg 20 g a laborban
TLK A két fő feladata: DT üzemanyag ciklus kidolgozása Neutrínó tömeg mérés (KATRIN kísérlet, építés alatt) Licensz 40 g trícium tárolására, jelenleg 20 g a laborban
Trícium Alacsony energiás β - bomlás (átlagos elektron energia: 5,7 kev) Atomtömeg Felezési idő 3,01605 g 12,3232 ± 0,0043 év Bomlási hő 0,324 W/g ± 0,3 % 1 g trícium 10 000 Ci 1 Watt 3 g trícium 1 Ci 33 µw Elektron behatolási mélység - levegő ~ mm Emberi bőr ~ µm
Motiváció DT fúzió Fúziós reaktor ITER: csak impulzus üzem, 10 g trícium / impulzus (1 kg készlet) DEMO: 1 GW hő (=2,7 GW fúziós ) 400 g trícium naponta (1%-os hozam miatt 40 kg trícium processzálandó / nap!)
Fourier-Kirchhoff egyenlet T hideg π T meleg Σ Δ Belső energia változása Hőforrás Hő transzport
Hőszigetelés Minta ΔT=? Hőszigetelés Minta T=áll. T=állandó Kaloriméter típusok Adiabatikus kaloriméter Izotermális kaloriméter Adiabatikus ΔT mintatartó Mért jel Izotermális Seebeckfeszültség Abszolút Szenzor Derivatív Hőkapacitás függő Kalibráció Hőkapacitás független Nem igazán alkalmas nagy mintatérfogat / kis teljesítmények esetén! Termoelektromos szenzor
Termoelektromos szenzorok Termoelektromos modul (TM): Termopárok nyalábban n és p szennyezett BiTe lábak Modul Seebeck-együtthatója: U S termopárok száma (V/K) Modul hővezető képessége: K termopárok száma (W/K) Szenzor érzékenysége: S (V/W) U S S K Tulajdonságok: Passzív mérési mód >1 V/K jel termosztátként Fordított módban: Peltierhőpumpa
Kis teljesítmények mérése nagy mintatérfogatban Izotermális kaloriméter Termoelektromos szenzorok Mérési idő hőkapacitás/ hővezetőképesség Megnövelt szenzor felület: érzékenység állandó rövidebb mérési idő mérési hiba növekszik Pl.: S = 0,3 V/W érzékenység Minta 1 µw hőforrással U = 300 nv jelszint 1 µw forrásnál A hőmérséklet stabilitás létfontosságú!!!
Hőmérséklet stabilitás fontossága U = 300 nv jelszint 1 µw forrásnál U Seebeck = 1,6 V/K Hagyományos termosztát: T fluktuációk = 10-4 Kelvin T fluktuációk Zajszint: 160 000 nv!!! Inerciális termosztát : T fluktuációk = 3 10-8 Kelvin Zajszint: 48 nv
Inerciális szabályzású vákuum kaloriméter Hőpumpa Termoelektromos szenzor U Sugárpajzsok 10-5 mbar Mintatartó Inerciális tömeg Finom szab. Alap RTD 2 Durva szab. Támasztás Hőcserélő RTD 1 Vízkör szab. *J. L. Hemmerich, J.-C. Loos, and A. Miller, Review of Scientific Instruments 67, 3877 (1996).
IGC-V0.5
IGC-V0.5
IGC-V0.5 megnövelt stabilitás
IGC-V0.5 hosszú távú (in)stabilitás Kigázosodás a szenzoroknál
IGC-V0.5 hosszú távú (in)stabilitás 21:35 20:35 20:35 22:35
Utolsó projekt IGC-V25
Trícium kaloriméterek összehasonlítása Cél ANTECH HF400-7200 SETARAM LVC-390 IGC-V25 (2002) ANTECH 351 (1998) IGC-V0.5 (1999)
Hőmérséklet szabályzott tartomány és még néhány ötlet Vákuum T RTD2 Zsilip 10-5 mbar @ durva szabályzás Mintatartó Hélium Alap RTD 2 Támasztás Hőcserélő
Summer school on calorimetry
Köszönöm a figyelmet!