A nyalábemissziós spektroszkópia diagnosztikai módszert a mágneses összetartású fúziós plazmafizikai kutatásokhoz fejlesztették ki évtizedekkel ezelőtt. Manapság majdnem mindegyik nagy fúziós berendezésen megtalálható ez a diagnosztika, és több felhasználási módja is elterjedt. A diagnosztika alapötlete az, hogy a plazmába egy semleges atomokból álló nyalábot bocsátunk.  A nyaláb atomjai a plazma részecskékkel való ütközések folytán felgerjesztődnek és karakterisztikus hullámhosszakon fényt bocsátanak ki. A speciálisan tervezett és kialakított megfigyelő rendszerrel ezt a fénysugárzást mérjük, ami a helyi plazma sűrűségről és annak gyors változásairól szolgáltat információt.

A nyalábemissziós diagnosztika alapelve

A nyalábemissziós diagnosztika alapelve

A kínai EAST tokakmakon megépített lítium NyES diagnosztika megfigyelőrendszerének optikai terve. Az ábrán a sárga és zöld vonalak a fénynyalábok útját mutatják.

A kínai EAST tokakmakon megépített lítium NyES diagnosztika megfigyelőrendszerének optikai terve. Az ábrán a sárga és zöld vonalak a fénynyalábok útját mutatják.

A fúziós berendezésekben a részecske és energiatranszportot a berendezés méretéhez képest mikro skálán megjelenő plazma turbulencia okozza. A fúziós plazmában megjelenő turbulencia különösen érdekes mert, egy önszabályozó rendszert hozhat létre. Ebben a rendszerben a sűrűség és hőmérséklet profilok meredeksége plazma instabilitásokat kelt, amely insatbilitások kis un. mikroörvényeket hoznak létre, amelyeken keresztül részecskék és hő áramlása figyelhető meg a külső hidegebb régiókba. Ez a mechanizmus korlátozza a profilok maximális meredekségét. A kialakuló mikroörvények ugyanakkor nagyobb skálájú plazmaáramlásokat is kelthetnek, amely áramlások gyengíthetik az őket létrehozó mikroörvényeket. A NyES egy olyan diagnosztika, ahol a fent vázolt rendszer mind a három különböző eleme egyszerre, párhuzamosan vizsgálható. A plazma sűrűség profil, az ion-skálájú (cm) fluktuációk és ezek mozgását követve a plazmaáramlás  is mérhető. A fenti kísérleti követelményeket egy a 1cm térbeli és 1 milliomod mp időfelbontást adni képes, nagyon gyenge fényt is mérni tudó megfigyelő és detektorrendszer elégíti csak ki.

Kutatócsoportunk tervez, gyárt és telepít NyES diagnosztikákat illetve aktívan méréseket végez több nagy fúziós berendezésen a világ számos országában. Fűtőnyalábra épített NyES diagnosztika működik a MAST (UK), KSTAR (Korea) és EAST (Kína) tokamakokon és alkáli nyaláb NyES diagnosztikák épültek a JET (UK), KSTAR (Korea), EAST (Kína), Compass (CZ) , KSTAR (Korea), EAST (Kína) és ASDEX Upgrade (Németo.) a külföldi kollegákkal együttműködésben. A Wendelstein 7-X sztellarátoron jelenleg épül egy alkáli nyaláb NyES diagnosztika, ami 2017-től szolgáltat majd fizikai eredményeket. Kutatócsoportunknak egyedi lehetőséget ad az, hogy ugyanazokat a fizikai jelenségeket különböző nagy berendezéseken is tanulmányozhatjuk.

A Wigner FK által épített és együttműködésekben üzemeltett nyalábemissziós spektroszkópia diagnosztikák a világ különböző országaiban.

A Wigner FK által épített és együttműködésekben üzemeltett nyalábemissziós spektroszkópia diagnosztikák a világ különböző országaiban.

 

 

MAST –U NyES újjáépítés

Az angliai MAST tokamakon 2010-ben építettünk fel egy 2 dimenziós turbulencia megfigyelő diagnosztikát. Ez a NyES megfigyelőrendszer kiváló eredményeket szolgáltatott az M8-as (2011) és M9-es (2013) mérési kampányokban. Az egyik jelentős eredménye az volt, hogy több plazma szcenárióban is mért adatokat szolgáltatott a magplazma turbulencia tulajdonságairól, amit aztán össze lehetett hasonlítani a különböző numerikus modellek által adott eredményekkel. Egy másik jelentős kísérleti siker volt, hogy ki tudtuk mutatni az ELM instabilitásokat megelőző, gyakran azokat keltő perkurzor hullámokat.  A MAST berendezést 2013-ban leállították egy jelentős fejlesztéseket tartalmazó felújításra. A berendezés neve az átépítés után MAST-U-ra változik majd és várhatóan 2017-ben kezdi meg működését. A jelentős változásnak köszönhetően a NyES diagnosztikát is át kellett tervezni. Ez lehetőséget adott arra, hogy fejlesztéseket is végig vigyünk a rendszeren.  A megfigyelő rendszer detektor csatornaszámát megdupláztuk, így a megfigyelt terület is majdnem kétszerese az eredetinek.  Az optika vákuum téren kívüli részét teljesen átterveztük, hogy fényerősebb rendszerhez jussunk. Az új rendszert 2017 elején szállítjuk az angliai Culhambe, és valamikor 2017 végén kezdi majd a  méréseket.

A kép eltávolítva.

A MAST-U NyES rendszerének optikai és megfigyelő részének mérnöki rajzai.

 

ELM mentes H-mode plazmák vizsgálata több berendezésen

A H-mode (High confinement mode – nagy összetartású mód) a plazmák egy üzemállapota, jelenlegi elképzeléseink szerint egy jövőbeli energetikai fúziós reaktor így fog üzemelni. H-mode-ban egy plazma széli transzport gát kialakulásával a plazma összetartás számottevően javul, a plazma széli profilok meredekebbé válnak (pedesztál kialakulása), és a plazma közepi hőmérséklet és sűrűség is növekszik, ami egy pozitív energia mérlegű fúzióhoz elengedhetetlen. Ezzel párhuzamosan megjelennek az ELM-ek (Edge Localized Mode), melyek hirtelen és periodikusan, nagy részecske és energia kilökődésekkel járnak. Az ELMek által kilökődött anyag és energia végül eléri a falat, mely mechanikai és hő terhelhetősége véges. Jelenlegi ismereteink szerint az ELM-ek elnyomása vagy szabályozása nélkül egy energetikai reaktor nem tudna gazdaságosan üzemelni, mivel túl gyakran kéne cserélni a falat.

Az ELMek szabályozása illetve elnyomása a kutatások egyik fókuszpontjában állnak, már most több technológia áll rendelkezésre mellyel képesek vagyunk csökkenteni a falat érő terhelés mértékét. Mindezek mellett mégis nagy előny lenne, ha találnánk olyan plazma szcenáriót, mely a H-mode előnyei mellett mentes lenne az ELM-ek okozta nehézségektől. Az ilyen plazma szcenáriókat hívjuk ELM mentes H-mode-oknak, és a fent említett körülmények mellett az ilyen plazma üzemmódok ismét a reflektorfénybe kerültek.

További érdekesség az ELM mentes H-mode-okkal kapcsolatban, hogy ezek a tipikusan olyan esetekben lépnek fel, amikor a plazma az úgynevezett L-mode-ból (Low confinement mode – alacsony összetartású mód) átmegy H-mode-ba, ezt nevezzük L-H átmenetnek. Az L-H átmenet pontos oka mindeddig ismeretlen - bár számos elmélet született a magyarázatára - ezért a fúziós kutatások egyik fókuszában az L-H átmenet tanulmányozása áll. Tekintve, hogy az ELM mentes H-mode pont az átmeneti tartományban lép fel, ezért az L-H átmenet kutatások szempontjából is fontosak lehetnek ezek az üzemállapotok.

A NyES kutatócsoport a Joint European Torus (JET) és az ASDEX Upgrade (AUG) tokamak berendezés lítium atomnyaláb szonda diagnosztikája (JET Li-BES) működtetésében és fejlesztésében is nagy részt vállal magára. A 2011-2016 közötti időszakban számos fejlesztést hajtottunk végre mind két diagnosztikán, bár a fejlesztések főleg a JET rendszerre fókuszáltak. A fejlesztések eredménye képpen mind két diagnosztikával tízezred másodperc időfelbontású plazma elektron sűrűség profil méréseket vagyunk képesek végrehajtani, ezzel számos gyors jelenség vált megfigyelhetővé.

Az M-mode a JET berendezésen illetve az I-phase az AUG berendezésen ELM mentes H-mode üzemállapotok. Diagnosztikáinkkal kimutattuk, hogy a két jelenség nagyjából 1kHz frekvencián modulálja a plazma széli elektronsűrűséget, illetve a plazma és a fal közötti transzportot, továbbá, hogy a sűrűség profil dinamikája a két berendezésen nagyon hasonló. További terveink, hogy más berendezéseket is bevonunk a vizsgálatba, és még átfogóbb analízist végzünk a hasonló plazma üzemállapotban végrehajtott méréseken.

A JET Li-BES rendszer optikájának egy lencséje. Ezzel gyűjtjük a nyalábból érkező fényt a detektorra

A JET Li-BES rendszer optikájának egy lencséje. Ezzel gyűjtjük a nyalábból érkező fényt a detektorra

A kép eltávolítva.

 

Wendelstein 7-X alkali nyaláb diagnosztika

Az Eurofusion WPS1 projekt keretében a kutatócsoport tagjai egy gyorsított alkáli atomnyaláb diagnosztikát terveznek a Wendelstein 7-x sztellarátor fúziós berendezésre. A tervezés és üzemeltetés a két intézet (IPP Greifswald, Wigner FK) közötti együttműködésben történik. A nyaláb installálása 2016-ban a megfigyelőrendszer felépítése 2017-ben várható.

A diagnosztika elsődleges célja, hogy fúziós plazma sűrűség profilját, mágneses sziget struktúrákat, turbulenciát és turbulens áramlást mérjen a Wendelstein 7-x plazmájának a külső (SOL, edge) rétegeiben. Mindezek mellett igen fontos, hogy a diagnosztika jó idő- és térbeli (1µs, 1cm) felbontással tudjon mérni.

A W7-X szetllarátorhoz tervezett alkáli nyaláb diagnosztika ionágyújának mérnöki rajzai.

A W7-X szetllarátorhoz tervezett alkáli nyaláb diagnosztika ionágyújának mérnöki rajzai.

 

Nyalábemissziós Spektroszkópai mérőrendszerek az EAST tokamakon (Hefei, Kína)

A NyES csoport egy megállapodás keretében együttműködik a Kínai Tudományos Akadémia Plazmafizikai Kutatóintézetével amely Hefei-ben üzemelteti az EAST tokamakot. Ez a berendezés egy teljesen szupravezető tekercsekkel ellátott eszköz, amely hosszú (maximum 100 másodperc) impulzusokban tanulmányozza a fúziós plazma összetartását. A Wigner NyES csoport két diagnosztikát épített a tokamakra. A lítium atomnyaláb diagnosztika a plazma szélén méri a sűrűséget és a plazmaturbulencia tulajdonságait a 60 keV energiájú Lítium atomnyaláb fényének detektálásával.

Egy másik NyES megfigyelőrendszert technikailag az Adimtech Kft, az MTA spin-off vállalkozása épített és a plazmát fűtő egyik deutérium atomnyaláb fényét méri egy 8x16 pixeles lavinadióda kamera segítségével. Célja plazmaturbulencia tulajdonságainak meghatározása és más gyors instabilitások mérése.

Mindkét diagnosztika modellezését a Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Nukleáris Technikai Intézete végezte el.

Ezek a diagnosztikai eszközök jelenleg az első méréseket végzik, néhány sűrűségprofil mérést és turbulencia jelet már sikerült demonstrálni.

Az EAST NyES megfigyelőrendszer fényképe a laboratóriumban installálás előtt

Az EAST NyES megfigyelőrendszer fényképe a laboratóriumban installálás előtt. A hosszú cső a kriosztát portján keresztül vezeti ki a fényt, melyet a kép jobb alsó sarkán látható lencse gyűjt egy vákuumablakon keresztül. A bal oldali fekete keretben kaptak helyet a detektorok és az optikai szűrők.