Bevezetés s a fúzif ziós s plazmafizikába 10. Laboratóriumi riumi kísérletek: k plazma előáll llítás, fűtés, f plazma-fal kapcsolat Dr. Zoletnik Sándor, S Pokol Gergő KFKI-RMKI BME NTI Bevezetés a fúziós plazmafizikába 2008. november 17.
Mágneses összetartású berendezések Lineáris berendezések: 2XIIB, T e =13 kev, nτ e =10 17 m -3 s (1976) Veszteség a végeken nem megoldott! Néhány még működik. Sztellarátorok: sokféle elrendezés mágneses konfiguráció külső tekercsekkel Tokamakok: toroidális plazmaáram fúziós energiatermelés, ITER Kompakt tokamakok: ~ tokamak, de R~r sok részecske banán pályán Egyéb: RFP (Reversed Field Pinch), Spheromak, Levitated dipole,... 2
Vákuum Példa (vákuum): Mágneses tér: B t < 10 T (szupravezető tekercsek, mechanikai stabilitás) Maximális béta: β < 5% p < 2*10 6 Pa (20 atm) Hőmérséklet: kt = 25 kev n < 5*10 20 m -3 = 10-5 n air Vákuum 10-4 torr (1 torr = 133 Pa) alatt kétlépcsős vákuumrendszer: elővákuum szivattyú + turbomolecular vagy kriopumpa, (esetleg iongetter) Vákuumkamra (liner): erős (nyomástartó) és vékony (mágneses tér) külső kriosztátban kis vákuum kisebb nyomás a vákuumkamrán 3
Vákuumkamra ITER W7-X 4
W7-X vákuumkamra 5
Első fal Nagyvákuum falon a felületi adszorpció jelentős hatása Fal kondícionálás: kifűtés, fal bombázása ionokkal (Glow-discharge, plazma kisülés) Speciális borítás az első falon: szén (CFC), wolfram, berillium boronizálás 6
Plazma-fal kölcsönhatás lokalizálása Limiter SOL (Scrape-off layer): nyílt erővonalak Divertor Középsík X-pont Vákuumkamra Belső Külső 7
Limiterek 8
Divertor Elsődleges plazma-fal kapcsolat az erővonalak mentén a mag-plazmától távol. 9
Dr. Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: 10. Laboratóriumi kísérletek Limiter és divertor A kisülés elején limiteres plazma (JET) 10
SOL plazma Párhuzamos és merőleges diffúzió, valamint az atomfizikai folyamatok is fontosak! 11
Csatolt és lecsatolt plazma Csatolt (attached): direkt plazma-fal kapcsolat Lecsatolt (detached): nagysűrűségű helyi plazma lesugározza a teljesítményt ASDEX-Upgrade csatolt plazma ASDEX-Upgrade lecsatolt plazma 12
Dr. Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: 10. Laboratóriumi kísérletek ELM alatti terhelés 13
Egyéb lokalizált terhelések diszrupció (JET) filamentumok (MAST) gyorsrészecske nyalábok 14
Első fal Első fal anyagának kiválasztása: - hő tranziensek hatása - erózió és újra lerakódás (hidrogénnel együtt) - plazma szennyezése - egyéb praktikus tulajdonságok 15
Plazma kísérlet menete 1. Mágneses tér létrehozása 2. Gázbeeresztés anyagutánpótlás 3. Ionizáció 4. Fűtés 5. Áramhajtás 6. Leállítás 16
Mágneses tér létrehozása Erős mágneses térhez (~ 5 T) erős áram kell a toroidális tekercsekben (~ 10 MA). Ez réz tekercsekkel ~ 100 MW teljesítmény! Áramellátás: - kondenzátortelepekkel - lendkerekes generátorokkal Szupravezető tekercsek: - magashőmérsékletű szupravezetők nem bírják a mágneses teret - folyékony He hűtés - a mágneses tér marad a lövések között - a fluxusváltozás sebessége véges! 17
Gázbeeresztés (gas puffing): - plazma szélének anyagutánpótlása Anyagutánpótlás Pelletek: - fagyott hidrogén golyók (~cm) - gyorsítás centrifugával, gázpisztollyal,... ~1000 m/s-ra - plazma közepének anyagutánpótlása Semleges atomnyaláb: - ionnyaláb semlegesítéséből -50 kev 1 MeV - töltöttrészecske-ekvivalens ~10 A - plazma közepének anyagutánpótlása 18
Ionizáció Egyenfeszültségű lebomlás: - tokamakokban működik - elég sok fluxust fogyaszt a transzformátor primer tekercsén Mikrohullámú lebomlás (microwave breakdown): - sztellarátorokban mindig - tokamakokban is gyakran - általában elektron-ciklotron rezonancia fűtéssel (ECRH) 19
Ohmikus fűtés: - tokamakokban működik -hőmérséklettel csökken a teljesítménye Fűtés ICRH Semleges atomnyaláb fűtés (NBI): - több nyaláb is lehet, ~ 10 MW Ion ciklotron rezonancia fűtés (ICRH): - hurokantennák közel a plazmához - mikrohullám ~ 10 MHz, ~ 10 MW Elektron ciklotron rezonancia fűtés (ECRH): - optikai hullámterjedés - mikrohullám ~ 10-100 GHz, ~ 1 MW - lokalizált fűtés ECRH 20
Áramhajtás (tokamak) Transzformátorral: - véges fluxusváltozás a központi tekercsben (transzformátor primer köre) Alsó hibrid hullámmal (LHCD): - sikerült vele indítani tokamakot Elektron ciklotron hullámmal (ECCD): - nemmerőleges belövés esetén - lokális áramhajtás áramprofil szabályozása Semleges atomnyalábbal (NBI): - toroidális belövés - a nagyenergiájú atomokból ionok lesznek töltéscserével - az ionok magukkal rántják a plazma elektronjait Bootstrap áram: - neoklasszikus plazmaáram, ~ gradp - belső transzportgátak bootstrap áram a plazma közepén - volt 100% bootstrap tokamak plazma (TCV) Mikrohullámú (lower hibrid) antenna 21
Leállítás Fokozatos leállítás (plasma ramp down): - tokamakokban kritikus a plazmaáram miatt - nem akarunk diszrupciót - nem akarunk elfutó elektronokat - fluxust fogyaszt a transzformátor primer tekercsén - Tervezni kell! 22
Plazma kísérlet menete 1. Gázbeeresztés 2. Ionizáció (3. Áramhajtás) 4. Fűtés 5. Leállítás Plazmaenergia W7-AS sztellarátor Sűrűség Gázbefecskendezés Hőmérséklet Fűtés Sugárzás Ürülés 23