1. A trícium elengedhetetlen a fúzióhoz, de ebből csak elenyésző mennyiség van jelen a természetben. Ezért a jövő energiatermelő reaktorainak belső fala tríciumot előállító köpennyel lesz beburkolva, amely lítiumot tartalmaz, ami elnyeli a fúziós eljárás során keletkező neutronokat és tríciummá alakítja azt. A technológia kifejlesztésének érdekében az ITER berendezésben úgynevezett trícium szaporító teszt kazetták (Test Blanket Module- továbbiakban TBM) lesznek elhelyezve három erre a célra szánt vákuum kamra portban és mindegyik portban két-két különböző koncepció alapján működő trícium szaporító berendezés lesz elhelyezve. A csoport részt vesz a TBM kiszolgáló alrendszereinek fejlesztésében és integrálásában, úgy, mint a hélium hűtőkör, lítium áramoltatás és a port-kamrán belüli trícium kivonás és szállítás. Ezen felül tevékenységeik közé tartozik a köpeny szenzor - és műszerek fejlesztése, illetve karbantartási vizsgálatok.
  2. Az ITER diagnosztikák elektromos infrastruktúrájának kifejlesztése (Tokamak Services for Diagnostics- továbbiakban TSD), tehát a TSD célja, hogy a kamrán belüli diagnosztikák jeleit a vákuumkamrából a külvilágba továbbítsa. A diagnosztikák által kibocsájtott jelek vagy az ITER biztonságos működéséért felelősek vagy a plazma fizikai jellemzőit (például hő, sugárzás) mérik, vagy a mágneses mezőt monitorozzák és kontrollálják. Összesen kb. 8800 alkotóelemet, több tíz kilométernyi kábelt kell megfelelően elhelyezni a vákuumkamra falán, amely képes arra, hogy megbízhatóan szállítsa a mérési adatokat a kamrán kívülre. A projekt kivitelezését egy konzorcium végzi a fejlesztés teljes időtartamára vonatkozó keretszerződéssel (Framework Partnership Agreement – továbbiakban (FPA) amelyet a Fusion for Energy (F4E) szervezettel kötöttünk. A kutatócsoport a konzorcium vezetőjeként jelentős szerepet játszik ebben a tevékenységben.
  3. A kutatócsoport konzorciumpartnerként szintén részt vesz az úgynevezett bolométer kamerák fejlesztésében is. Összesen 480 bolométer detektor figyeli a plazmát és játszik fontos szerepet az ITER plazma valós idejű szabályozásában.
  4. Az ITER-ben, a szerkezeti elemek a fúziós reakciókból származó erős neutronsugárzásnak lesznek kitéve. A jelenleg elérhető neutron források (hagyományos fissziós atomreaktorokhoz köthetően) nem kielégítőek sem a neutron fluxus, sem a neutron spektrum szempontjából. Ezért a megfelelő szerkezeti anyagvizsgálathoz elengedhetetlenül fontos egy megfelelő neutron forrás megépítése, amely nagy fluxussal és fúzió releváns neutron spektrummal (spektrális csúcs 14 millió elektronvolt) rendelkezik. Egy ilyen projekt fut jelenleg az EUROfusion konzorcium felügyelete és vezetése alatt, amelynek IFMIF-DONES a neve, és amelynek a célja egy ilyen neutronforrás megépítése és kifejlesztése. A mi kutatócsoportunk jelentős mértékben hozzájárul ezekhez a fejlesztésekhez.

Habár a csoport, ahogy fentebb is említettük, elsődlegesen az ITER gépészeti-diagnosztikai elemeinek fejlesztésében vesz részt, mérnökeink hozzájárulnak számos más diagnosztikai rendszer fejlesztéséhez is más berendezéseken. Így megalkottunk egy gyors kamera megfigyelő rendszert, amelyet a németországi Wendelstein 7X sztellarátorban helyeztek el valamint két lítium nyaláb emissziós spektroszkópia diagnosztikai rendszert, amelyeket a kínai EAST-ben és a koreai KSTAR-ban működtetünk.

 

Jelenlegi fejlesztések a Tokamak Services for Diagnostics (TSD) projektben

 

A Tokamak Services for Diagnostics (TSD) konzorcium egy nemzetközi konzorcium, mely az ITER diagnosztikák elektromos infrastruktúrájának fejlesztésével foglalkozik.  A Konzorcium vezetője az MTA WIGNER Fizikai Kutatóközpont. A konzorcium egy az F4E-vel kötött keretszerződés (Framework Partnership Agreement) keretein belül különböző feladatokat végez.

A TSD fő feladati a következőek:

  • Követelmények készítése, kezelése, melyek olyan dokumentumok, amelyek leírják, hogy a különböző rendszereknek milyen követelményeknek kell megfelelniük
  • Kábelezési diagramok készítése (SSD)
  • 3D modellek készítése és azok kezelése az IO ENOVIA adatbázisban különböző rendszerekhez (Fig 1.)
  • Interface dokumentumok készítése, kezelése. Ezek a dokumentumok mondják meg, hogy, hol van a határ két együtt működő rendszer között.

A projekt fő célja, elkészíteni a Feedthrough-k (vákuumátvezetők), Loom-ok (kábelkötegek) és a Remote Handling Connector-ok (távolról irányítható csatlakozók) technikai dokumentációjának (Annex B) elkészítése. Ez a dokumentum tartalmazza az összes olyan információt, amire az ipari cégeknek szükségük van az egyes alkatrészek gyártásához. Az összes többi feladat az Annex B előkészítését szolgálja.

1. kép

Fig.1. : Elektromos vákuumátvezetők és kábelek helyfoglalása az ITER vákuumkamrájában

A legnagyobb kihívása ennek a típusú munkának, a szükséges információk összegyűjtése, a különböző modellek és dokumentumok naprakészen tartása. Mivel az ITER egy nagyon komplex szerkezet, a különböző rendszerek design-ja folyamatosan változik. Mivel a projekt minden feladat összefügg mindegyikkel (Fig2.), ha valamelyik rendszer valamelyik tulajdonsága változik, meg kell vizsgálnunk annak hatását az összes dokumentumra, modellre. Hogy ezt elérjük, a projekt tagjai napi kapcsolatban vannak az IO-s és F4E-s kollegákkal.

2. kép

Fig.2. : A TSD feladatok folyamatábrája

A TSD projekt továbbá magába foglalja azoknak a Mineral Insulated (MI) kábelek tesztelését, melyek az ITER-ben a különböző jelek továbbítására fognak szolgálni. Különböző tesztelési eljárásokat dolgoztunk ki annak érdekében, hogy a legkülönfélébb jelenségeket hatásait vizsgálni tudjuk a kábeleken. Többek között nagy vákuumban a kábelek által kibocsátott gázokat vizsgáljuk, a kábelekben hőmérséklet által indukált feszültséget (TIEMF) vizsgálunk valamint hajtogatási teszteket (Fig.3.) is végzünk.

3. kép

Fig.3. : A kábelhajtogató gép CAD modellje

 

Jelenlegi feladataink az ITER bolometerek kifejlesztésében

Az ITER bolométerek az ITER plazma által kisugárzott összes energia térbeli eloszlását fogják mérni az infravöröstől a lágy röntgensugárzás tartományáig (körülbelül 0,05 – 1000nm vagy 1eV – 20keV foton energia) terjedő hullámhossz tartományban felintegrálva, 0,1 – 1 ms időfelbontással. A bolométer szenzor egy meander alakú fém ellenállásból és egy vékony film fém abszorbensből áll. Egy bolométer csatorna egy, a plazmát a egy keskeny látóirány mentén megfigyelő szenzorból áll (plusz egy referencia szenzorból, ha szükséges). Különböző szenzorok kombinálhatók többcsatornás bolométer „fejekben”, amelyeket egy kompakt kamerába integrálunk a jó mechanikai tartás és hő kapcsolat, valamint a plazmára történő megfelelő rálátás érdekében. Az egyedülálló csatornák látóirányainak definiálása vagy egyedüli kollimátorok segítségével, vagy egy apró lyukon (pin-hole) keresztül nézve több csatornára egyszerre érhető el. Szükséges a látóirányok optimalizálása pl. a más tokamakszerkezeti elemek (rések és kivágások a blanket modulokon, az első-fal diagnosztikák rései a port plug-okban), általi lehetséges kitakarások figyelembe vételével. A kamera egységet akár közvetlenül is fel lehet szerelni és elektromosan hozzákapcsolni a vákuumkamra falához, vagy talapzatra lehet szerelni a megfelelő mechanikai, elektromos és termikus kapcsolat érdekében. A bolométer szenzorok elektromos jeleit speciális elektronika segítségével kondicionáljuk és digitalizáljuk. A teljes kisugárzott energiát a különböző régiókban egy speciális matematikai algoritmust követve lehet származtatni számos detektor méréséből.

A bolométer kamerákat egy poloidális keresztmetszetben helyezzük el úgy, hogy a teljes plazma keresztmetszetet lefedjék a látóirányok. Három különböző kamera típust fejlesztünk a kamerák beépítési helyének megfelelően: a port-plugokban, a divertorban, illetve a vákuumkamra falán. A különböző beépítési helyeken uralkodó más-más környezeti hatásoknak megfelelően elvileg nagyon különböző kamerákat kellene kifejleszteni, azonban a majdani gyártás költséghatékonyságát figyelembe véve egy generikus kamerát fejlesztünk, aminek a variánsai lesznek a különböző kamerák.

A fenti fejlesztési-tervezési feladatokat a garchingi Plazmafizikai Intézet, mint konzorciumi koordinátor irányítása mellett az MTA Energiatudományi Kutatóközpontjával közösen végezzük.

 

Jelenlegi fejlesztések a Nyaláb Emissziós Spektroszkópiában

A Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusai és mérnökei évtizedek alatt felhalmozódott tapasztalattal rendelkeznek speciális plazma diagnosztikai berendezések fejlesztésében és üzemeltetésében. A magyar fúziós közösség 1994-ben kezdte el aktív tevékenységét nyaláb emissziós spektroszkópiai kutatásokban és mára a leghatékonyabb ilyen jellegű diagnosztikák magyar fejlesztésűek, mely fejlesztésekben az ITER és fúziós diagnosztika fejlesztések kutatócsoportnak központi szerepe van.

A plazmaszél viselkedésének központi szerepe van a mágnesesen összetartott fúziós plazmák minőségében. Korlátozott azon diagnosztikai rendszerek száma, melyek képesek méréseket végezni ebben a régióban megfelelő időbeli (1 μs) és térbeli (10mm) felbontással. A Nyaláb Emissziós Spektroszkópia (NyES) e módszerek egyike, és széles körben használatosak elektron sűrűség és fluktuáció mérésére a plazmaszél régióban.

A NyES injector egy atom nyalábot (tipikusan lítiumot) lő a plazmába, mely atomok gerjesztődnek a plazmában és az atomra jellemző hullámhosszú fotont bocsájtanak ki. A fény intenzitása megfigyelhető és mérhető egy megfelelő optikai rendszerrel és indirekt módon felhasználható sűrűség rekonstrukcióra és direkt módon sűrűség fluktuációs számításokra.

A Wigner által fejlesztett kísérleti lítium nyaláb injektorok tipikusan 60keV nyaláb energiával rendelkeznek a gerjesztett Li 2p-2s állapot mérésére. A kétlépcsős ion optikában két különböző elektróda van. Egy a kihúzásra (extractor) és egy a gyorsításra (puller), miközben az ion forrás a Pierce elektródában helyezkedik el.

Az ion nyaláb toroidális és poloidális irányban is eltéríthető két eltérítő lemezpárral. Ha szükséges, ez lehetőséget ad a nyaláb tengelyének módosítására és különböző plazmarégiókba való lövésre. A két lemezpár közé, a nyaláb tengelybe egy módosított Faraday csésze vagy egy szilícium egykristály tükör mozgatható lineáris átvezetők segítségével, míg a módosított Faraday csészével szemben a vákuum kamrán kívül egy megfigyelő kamera van elhelyezve. A Faraday csésze a nyaláb áram és eloszlásának mérésére ad lehetőséget, míg a tükörrel az ionforrás hőmérséklete mérhető.

Az eltérítő lemezpárok feszültsége gyors, nagyfeszültségű kapcsolókkal kapcsolható, így a nyaláb kimozdítható a plazmából a plazma turbulencia frekvenciájának megfelelően. Ez a plazma háttérfényének mérésére szolgál nagyon magas időbeli felbontással (1μs), így a nyaláb fényerőssége nagy pontossággal számolható. Elengedhetetlen a megfigyelő rendszer detektorainak mintavételezése és az eltérítő lemezpárok nagyfeszültségű kapcsolójának szinkronizálása, ami közös időzítő egységgel megoldott.

Az eltérítő lemezpárokat egy recirkulációs semlegesítő követi, ahol a nyaláb ionjai nátrium gőzben semlegesítődnek és atomokká válnak. Ennek középső cellája nátriummal van feltöltve és felfűtve 200C°-ra, míg két szélső kúpos rész 130C°-on van tartva. Így a nátrium gőz nyomása a kúpok mentén csökken és a nátrium nagy része kondenzálódik a kúpos végek belső lamelláin, és visszafolyik a középső cellába.

Egy repülési cső után a nyaláb diagnosztikai kamrájában a semleges nyaláb paramétereit mérjük. A második módosított Faraday csésze mozgatható a nyaláb tengelyébe a maradék nyaláb áram és eloszlásának mérésére. A diagnosztikai kamra két megfigyelő kamerát tartalmaz a nyaláb vertikális és horizontális irányból történő megfigyelésére. A kamerák lehetőséget adnak a nyaláb ellenőrzésére plazma kisülés közben. A diagnosztikai karma után a nyaláb egy hosszú vákuumkamrán repül keresztül a kriosztát régióban, hogy aztán elérje a plazmát.

A rendszer összes hardware eleme National Instruments modulokon keresztül vezérelhető PC-ről Labview környezetben, így a teljes rendszer távolról kontrollálható és minden paraméter kiolvasható.

A Wigner Fizikai kutatóközpont kutatói a fejlesztés minden egyes lépésében részt vesznek a koncepciós tervezéstől kezdve az adott fúziós berendezésen történő mérések támogatásáig. Ezen project keretein belül számos Wigner által fejlesztett NyES diagnosztika működik világszerte (MAST, K-Star, Compass, EAST, stb…), jelenleg is fejlesztések zajlanak, és további nemzetközi együttműködések várhatóak (Wendelstein-7X, JT-60, ITER).

6.kép

Fig.4. Setup of a Lithium beam injector

 

Jelenlegi fejlesztéseink az IFMIF-DONES projektben

Test Cellához (TC) kapcsolódó feladatok: TC üregben zajló hő szállító folyamatok termikus hidraulikus szimulációinak (CFD) javítása. Az alsó árnyékoló dugó (LSP) hűtés, valamint a belső szerkezet (hibrid vasbeton és acél doboz) tervezése és elemzése (hőforrások: neutron fűtés és felszíni hő áram a belső áramlás és hőátadás következtében).

Másodlagos Hő Elvonó rendszerrel (Secondary Heat Removal System=SHRS) kapcsolatos feladatok: SHRS koncepcionális tervezése, beleértve a hőcserélők méretezését, a nagy alkatrészek kiválasztását (szivattyúk, szelepek, mérés), csövek elrendezését, a hurok thermohidraulikai és thermo-mechanikai elemzését. Tartószerkezetek tervezése.

5.kép 6. kép

 

 

7. kép 8. kép