Korszerű nukleáris energiatermelés Fúzió 2. Fúziós berendezések típusai, részegységek, diagnosztika Pokol Gergő BME NTI Korszerű nukleáris energiatermelés 2016. szeptember 28.
Mágneses összetartás Forró, híg plazmában a részecskék szabad úthossza nagy (gyakorlatilag ütközésmentes rendszerről van szó). Tekintsük szabad, töltött részecskék mozgását! A Lorentz erővel a mozgásegyenlet: dv m dt cos( t) Ha E=0: v v e sin( t) e x c y c q( E v B) A körmozgás frekvenciája: c qb m sugara: r L m v qb Ez a ciklotron/larmor frekvencia. Adott mágneses térnél csak a részecskére jellemző. A forgásirány a töltés előjelétől függ: az ionok és az elektronok ellentétes csavarodású spirál pályán mozognak az erővonal körül. 2
Mágneses összetartás, lineáris geometria Ha grad B párhuzamos B-vel, úgynevezett mágneses palackot kapunk, amiben a részecskék az összesűrűsödő erővonalak tartományáról visszaverődnek (a részecskék mágneses momentuma adiabatikusan megmarad). A közel mágneses térrel párhuzamosan mozgó részecskékre nincs hatással veszteségek a végeken+ stabilitási problémák. https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/13/ 3
Mágneses összetartás, toroidális geometria A lineáris berendezést tórusz alakúra alakítva a végeffektusok elkerülhetők. Ekkor egy tórusz alakú plazmagyűrűt kapunk. 4
Térben lassan változó elektromos és mágneses tér esetén válasszuk szét a sebességet időben gyorsan és lassan változó komponensekre! v v v, L d dv dt L dv dt d Driftek v v v v d E B c ExB drift gradb drift görbületi drift Töltésfüggetlen, az egész plazmát a két térre merőlegesen elmozdítja. Töltésfüggő töltésszétválást okoz elektromos teret kelt. Tokamakban azonos irányú és nagyságrendű, mint a gradb drift. https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/10/ 5
A tér görbülete miatt az elektronok és az ionok fel- ill. lefelé driftelnek. A töltésszétválás létrehoz egy függőleges elektromos teret. Az E x B drift az egész plazmát kifelé mozgatja a mágneses téren keresztül. A drift hatása kiküszöbölhető, ha a mágneses erővonalakat helikálisan megtekerjük. Sztellarátorok (külső tekercsekkel) Tokamakok (plazmaárammal) 6
Tokamak Sztellarátor Toroidális plazmaáram Helikális tekercsek (1) vákuumkamra, (2) mágneses tekercsek, (3) plazma, (4) plazmaáram, (5) mágneses erővonal, (6) mágneses tengely, (7) radiális irány, (8) toroidális irány, (9) poloidális irány https://deep.reak.bme.hu:8080/home/pub/11/ 7
ITER Wendelstein 7-X A jelenleg épülő legnagyobb tokamak (Cadarache) és sztellarátor (Greifswald). 8
9
10
11
12
13
14
15
Transzport mágnesesen összetartott fúziós plazmákban (véges összetartás) Bár a részecskék közötti ütközések ritkák (a szabad úthossz 10-100 m), mégsem elhanyagolhatók. Klasszikus transzport. Diffúziós folyamat, a lépés nagysága a Larmor sugár. Neoklasszikus transzport = klasszikus transzport+toroidális geometria Anomális transzport mikroturbulencia 16
L-mód H-mód H-mód: high confinement mode Feltételek: Jó fal Megfelelő sűrűség Nagy fűtési teljesítmény 17
ELM-ek video 18
Vákuum Vákuum 10-4 torr (1 torr = 133 Pa) alatt kétlépcsős vákuumrendszer: elővákuum szivattyú + turbomolecular vagy kriopumpa, (esetleg iongetter) Vákuumkamra: erős (EM-terhelések, nyomástartó) és vékony (mágneses tér) külső kriosztátban elővákuum kisebb nyomás a vákuumkamrán Tekercsek Réz tekercsek: vízhűtés, nagy veszteségek az ellenállás miatt, egyszerű technológia Szupravezető tekercsek: folyékony He hűtés (nagy mágneses tér), nincs ellenállás, bonyolult megmunkálás, mechanikai stabilitási problémák 19
Plazmahatároló elemek A plazma szélére kijutó részecskék bombázzák a falat amelynek anyaga szennyezi a plazmát. Kontrollált plazma-fal kölcsönhatás: divertor Tipikus hőterhelés 1-100 MW/m 2 20
Limiter és divertor A kisülés elején limiteres plazma (JET) 21
Fúziós technológiák: fűtés, áramhajtás Áram (tokamak): Induktív áramgerjesztés (csak impulzus <10 sec) Mikrohullámú áramhajtás (1 GHz-100 GHz, 1MW) Fűtés: Ohmikus fűtés (kevés a fúzióhoz) Semleges részecske (NBI) Mikrohullámú (alsó hibrid) antenna Ion-ciklotron frekvencia (30 MHz) Elektron-ciklotron frekvencia (100GHz) Teljesítmények: 0.5-10 MW/blokk < 40 MW/berendezés Anyagutánpótlás: gázbeeresztés, NBI pelletek 22
JET diagnosztikák 23
Mit akarunk mérni? A plazma minden egyes pontján, a kisülés minden egyes időpontjában lokális paraméterek: Hőmérsékletek, Sűrűségek, Reakciósűrűségek, Nyomások, Áramsűrűség, Elektromos és mágneses tér, Forgás és egyéb makroszkopikus áramlások, Minden időpontban globális paraméterek: Összetartási idők, Anyagmérleg, Energiamérleg. Technológia állapota. 24
Miért akarjuk mérni? 1a: Szabályozás és védelem: - plazma pozíció - hőterhelés a plazmára néző elemeken - B t, I p, n e, teljes nyomás (stabilitási határok) -... 1b: Finom szabályozás: - hőmérséklet profilok - He sűrűség -... 2. Teljesítmény értékelése, fizikai megértés: - Te, ne fluktuációk - radiális elektromos tér - 25
Hogyan tudjuk mérni? Passzív diagnosztikák Mágneses tekercsek (integrális mérés) Passzív spektroszkópia (vonalintegrált mérés) Semleges részecske analizátor (integrális mérés) Termográfia (lokális mérés) Langmuir-szonda (lokális mérés) Aktív diagnosztikák Interferometria (vonalintegrált mérés) Reflektometria (lokális mérés) Thomson szórás (lokális mérés) Atomnyaláb diagnosztikák (lokális mérés) Nehézion nyaláb szonda (lokális mérés)... Hosszabb időskálákon a mért paraméterek kiterjeszthetők a mágneses felületek mentén! 26
Infravörös és látható tartomány (VisIR) A plazma-fal kölcsönhatás alapvető diagnosztikája. Sokszor kombinálják a két diagnosztikát. Széles látószögű optika Pellet ASDEX-Upgrade, látható Pár látóirány a fő monitoron Diszrupció (VDE), utána por TCV: floor viewing IR camera during disruption, #33448 (J. Marki, R. A. Pitts) 27