ELM-KELTÉS FOLYAMATÁNAK VIZSGÁLATA FAGYASZTOTT DEUTÉRIUM PELLETEKKEL Szepesi T.1, Kálvin S.1, Kocsis G. 1, P.T. Lang2, M. Maraschek2, J. Neuhauser2, W. Schneider2 1
MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet H-1525 Budapest, pf. 49. 2
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik 85748 Garching, Németország, Boltzmannstr. 2.
Összefoglaló A nagyméretű tokamakoknál az ELM instabilitások által okozott veszélyes hőterhelések sikeresen mérsékelhetők fagyasztott deutérium pelletek gyakori belövésével. Az ELMfrekvencia ilyen módon történő megnövelése ugyan hatásos, de bizonyítani kell alkalmazhatóságát nagyobb berendezésekre. Az ELM-triggerelés mögötti folyamatok megértése érdekében az ELM-késési idejét vizsgáltuk a pelletbelövés idejéhez képest. Feltételezve, hogy a pelletnek egy adott pozícióba kell eljutnia az összetartott plazmán belül, az ELM-késés egy sebességfüggő repülési idő tagból és egy konstans tagból áll. Ezt felhasználva meghatároztuk, hogy az ELM-késés egy 50 μs-os belső késleltetési időt tartalmaz, valamint a pelletnek a plazma pedestal tartományának közepéig kell behatolnia, hogy egy ELM-et triggereljen.
1. Bevezetés A magfúziós kutatások egyik fő irányzata a mágneses összetartás, amelynek lényege, hogy a közel 100 keV hőmérsékletű, plazmaállapotban lévő fúziós üzemanyagot mágneses tér segítségével olyan hosszú ideig összetartsuk, hogy benne ipari mértékű energiatermelésre is felhasználható mennyiségű fúziós reakció játszódhasson le. A mágneses összetartáson alapuló fúziós berendezések egyik fajtája a tokamak, amiben a plazmát összetartó mágneses teret külső tekercsekkel és a plazmában hajtott árammal állítják elő. A tokamakok sokat ígérő, energiatermelő reaktor-releváns üzemmódja az ún. I-es típusú ELMy H-mód, amely a következő jellemzőkkel bír: a szélplazmában (edge) kialakuló transzport gátaknak köszönhetően magas központi sűrűség és hőmérséklet; az L-módhoz (transzport gátak nélküli üzemmód) képest magasabb energia-összetartási idő; állandó szennyező-koncentráció és tárolt energia; az ún. I-es típusú ELM-ek megjelenése. A stabil szennyező-koncentráció lehetővé teszi, hogy a plazma hosszú ideig ebben az állapotban maradjon – a plazmában található nagy rendszámú szennyezők ugyanis gyorsan lesugározzák a plazma energiáját, és ún. sugárzásos diszrupció következik be, ami nagyméretű berendezésekre komoly veszélyt is jelent. Ebben a plazma-módban a szennyezők feldúsulását az ELM-ek (Edge Localized Modes) akadályozzák meg; ezek olyan, a szélplazmában jelentkező megneto-hidrodinamikai (MHD) instabilitások, amelyek a transzport gátakon áttörve nagymértékű részecske- és energiaveszteséget okoznak, ms-os időskálán. Az összetartott plazmából ilyen módon kijutó részecskék javarészt a plazmával közvetlenül érintkező elemekbe, azaz főleg a divertorba csapódnak be, ahol jelentős hőterhelést okoznak. Az egy ELM által szállított energia a plazmatérfogattal arányos, és nagyobb berendezések esetén akár az 1 MJ-t is elérheti. A rövid időskála és a divertor-elemek kis felülete miatt a
pillanatnyi csúcsterhelés MW/m2 nagyságrendű is lehet, és a jelenlegi skálatörvények alapján egy ITER méretű berendezés esetében az ELM-ek által okozott hőterhelés a divertorelemeken meghaladná a kritikus 5-10 MW/m2-t [1]. Az ilyen terhelések hatására a divertor élettartama elfogadhatatlanul alacsonyra csökkenne, ezért kulcsfontosságú, hogy az ELM-ek hatásait valamilyen módon enyhíteni lehessen. E fontos célt megvalósító egyik ígéretes technika az ELM-hőterhelés csökkentése kisméretű, fagyasztott deutérium pelletek gyakori belövésével. Az eredetileg üzemanyagutánpótlásra kifejlesztett pelletekről kiderült, hogy minden (a tórusz belső oldala felől) belőtt pellet azonnal triggerel egy ELM-et függetlenül attól, hogy milyen sebességű vagy tömegű, vagy hogy mennyi idő telt el az előző ELM óta. Ez lehetőséget biztosít arra, hogy az ELMfrekvenciát megnöveljük, és a természetes ELM-frekvencia fölötti tetszőleges értékre állítsuk be – ezt az állítást az ASDEX Upgrade tokamakon kísérletileg igazolták [2]. Ha feltesszük, hogy a természetes – azaz nem pelletekkel indukált – ELM-ekre kapott empirikus formula a triggerelt ELM-ekre is igaz, azaz:
ΔWELM ⋅ f ELM = állandó
(1)
akkor az ELM-frekvencia (fELM) megemelése az egy ELM által okozott energiaveszteség (ΔWELM) csökkenését vonja maga után. Az (1) egyenlet érvényességét triggerelt ELM-ekre, valamint az ELM-energia csökkentésének lehetőségét is sikerült kísérleti úton igazolni [3]. A módszer tehát működik, azonban a mögöttes fizikai folyamatok megértéséhez további kutatásokra van szükség – ez nem csak fizikai szempontból jelentős, hanem az ITER, valamint a jövőbeli fúziós erőművek szempontjából szükségszerű is: nagyobb berendezésekre ugyanis csak beható, több tokamakon végzett kísérletek alapján szabad extrapolálni.
2. Kísérletek A triggerelt ELM-ekkel kapcsolatos kutatásainknak a fő célja az volt, hogy meghatározzuk, hol tartózkodik a pellet a plazmában, amikor az ELM-et kiváltó perturbációt okozza. 2.1 Kísérleti elrendezés Kísérleteinket az ASDEX Upgrade közepes méretű tokamakon végeztük. A pelletbelövés a tórusz belső, nagy mágneses terű (High Field Side, HFS) oldala felől történt, a vízszinteshez képest 72°-os szögben. Target plazmának egy stabil, robosztus, I-es típusú ELMy H-módot választottunk, alacsony természetes ELM-frekvenciával (25–45 Hz). A pelletbelövési frekvenciát alacsonynak választottuk (6 Hz), hogy minimalizáljuk a pelletek mellékhatásait (pl. üzemanyag-bevitel, és az ebből eredő hűlés, az energiaösszetartási idő csökkenése stb.). Az alacsony belövési frekvencia következménye, hogy a pelletek az ELM-ciklusok különböző pillanataiban érkeznek meg, azaz a triggerelt ELM és az előző természetes ELM közötti időkésés változhat. Ez az időkésés (dteltelt) egy új paraméter, aminek hatását szintén vizsgálni kell. A pellet mozgásának vizsgálatához szükséges egy referenciaidő (tsep) és –hely (lsep) választása is. Referenciaidőnek azt az időpillanatot tekintettük, amikor a pellet áthalad a szeparátrixon; ennek megfelelően a referenciahely a szeparátrix és a pelletpálya metszéspontja. 2.2 Pelletpálya-meghatározás A pelletpálya meghatározására az ASDEX Upgrade tokamakon egy videódiagnosztika-
rendszer áll rendelkezésünkre [4]. A gyors, digitális CCD-kamerákból álló rendszerrel a látható fény tartományában figyelhetjük meg a pellet semleges felhőjének sugárzását, aminek segítségével 0,5 cm pontossággal meghatározható a pellet helye a belövés poloidális síkjában [5]. A szintén a rendszer részét képező, széles látószögű fotódiódákkal pedig a pellet fénysugárzásának időlefolyását követhetjük nyomon (ún. ablációs monitorjel), ami jó közelítéssel a pellet ablációjával (a pellet felületéről időegység alatt „elpárolgó” részecskék száma) arányos. Az itt bemutatott kísérletekben a belövés poloidális síkjára közel merőlegesen néző kamerák képét használtuk fel. A kamerákat maguk a pelletek triggerelték, amikor az ablációs monitorjelük egy előre beállított határérték fölé emelkedett. A kamerák az ún. többszörös expozíciós üzemmódban működtek, azaz a beállításoknak megfelelően egy képre 1-5 db, 5-10 μs hosszú, egymástól 95-90 μs késéssel elválasztott felvételt rögzítettek. Ennek megfelelően egy pellet felhőjéről 1-5 db felvétel készült ugyanarra a képre, más-más (ismert) időpontokban. A pozíciók és a hozzájuk tartozó időpillanatok ismeretében visszaszámolható, hogy mikor és hol haladt át a pellet a szeparátrixon. 2.3 Az ELM-ek kezdetének meghatározása Az ELM-ek a szélplazmában fellépő magneto-hidrodinamikai instabilitások, ezért megjelenésük jól érzékelhető a plazmához közel, de azon kívül elhelyezett mágnes tekercsekkel, amelyek a radiális mágneses tér változásait mérik. Ilyen nyomtatott áramkörű tekercsekből több rendszer is működik az ASDEX Upgrade tokamakon. A tekercsek jelein jól azonosítható fluktuáció jelenik meg az ELM kezdetekor, aminek alapján az ELM kezdete meghatározható. Az egyes tekercsek jeleit vizsgálva azt tapasztaltuk, hogy egy adott ELM kezdetét az összes tekercsen közel azonos időben (±10μs) lehet detektálni, ezért az ELM kezdetének az egyik tekercsrendszerrel mért átlagos időt tekintettük. Az 1. ábra láthatjuk az ablációs monitorjel és az egyik mágneses tekercs jelének időlefutását. Szintén ábrázolva vannak a divertor Hα-sugárzásának mért értékei is, amelyeken az ELM által okozott hőterhelés miatti sugárzás-növekedés figyelhető meg. Jól látható, hogy az abláció, az ELM és a divertor sugárzásának növekedése időben egymás után kezdődik meg.
1. ábra: Felső piros: külső divertor Hα, zöld: belső divertor Hα, kék: ablációs monitorjel. Alsó: egy mágneses tekercs jele 2.4 A vizsgálatok elve Korábbi pelletes kísérletekben az alábbiakat figyeltük meg: az ELM időkésése (dtELM) a referenciaidőhöz (amikor a pellet áthalad a szeparátrix-on) képest mindig pozitív, azaz a pelletnek be kell hatolnia az összetartott plazmába, hogy ELM-et triggereljen; valamint dtELM függ a pellet sebességétől. A fentiek alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a pelletnek el kell érnie egy adott pozíciót a plazmában (lpert.), hogy az ott okozott perturbáció végül egy ELM-mé fejlődhessen, ugyanakkor az instabilitás csak egy bizonyos belső késleltetési idő (t0) után válik észlelhető méretűvé. Így az ELM-késésnek van egy repülési idő és egy konstans összetevője, azaz: dt ELM = t ELM − t sep. =
l pert . − l sep v pellet
+ t0
(2)
A repülési idő tagot könnyen kiküszöbölhetjük a belőtt pelletek sebességének változtatásával, és a (2) összefüggés alapján lpert. és t0 értékeket megkaphatjuk. Ehhez természetesen az is kell, hogy dtELM ne függjön az előző ELM óta eltelt időtől (dteltelt) és a pellet tömegétől (mp). Erről a 2. ábra alapján győződhetünk meg.
2. ábra: Az előző ELM óta eltelt idő (a.) és a pellet tömegének (b.) hatása az ELM-késésre Más pelletsebességekre (240-1000m/s) is hasonló ábrákat kapunk, amelyek alapján arra következtethetünk, hogy ha dteltelt > 8ms, akkor az ELM-késés nem függ a pellet tömegétől és sebességétől.
3. Eredmények 3.1 Az ELM-et kiváltó perturbáció helyének meghatározása Az ASDEX Upgrade tokamakon működő centrifugás pelletbelövővel a pelleteket négy különböző sebességre lehet felgyorsítani – a sebességtől függően azonban a repülési csőben az eredetileg azonos tömegű pelletek különböző mértékben „kopnak”, így a plazmába nem azonos tömeggel érkeznek. Így a rendelkezésünkre álló pelletek a következők: 240m/s: 9·1019 D atom, 600m/s: 7·1019 D atom, 880m/s: 5·1019 D atom, 1000m/s: 3·1019 D atom. Fentebb láttuk, hogy az ELM-késés nem függ a pellet tömegétől, ha a dteltelt < 8ms eseteket kihagyjuk, ezért ábrázolhatjuk ilyen esetekre dtELM-et a pelletsebesség reciproka függvényében (3. ábra, a.) rész). Az adatpontokra egyenest illesztve a meredekség megadja az ELM-et kiváltó perturbáció legvalószínűbb helyét, az offset pedig a belső késleltetési időt. Az illesztés alapján a belső késleltetés 50 ± 7 μs-nak adódott. Ez azt jelenti, hogy még egy végtelen sebességű pellet esetén is lenne az ELM-nek 50 μs késése a pelletbelövéshez képest, más szóval az ELM-et kiváltó perturbáció megjelenésétől 50 μs-nak kell eltelnie ahhoz, hogy az ELM-et detektálni tudjuk. Továbbá az illesztésből azt kaptuk, hogy az ELM-et kiváltó perturbáció legvalószínűbb helye a szeparátrix-tól számított 2,7 ± 0,4 cm a pelletpálya mentén, ami a plazma pedestal közepét jelenti. Természetesen ez az érték minden pelletre különbözik, amit a belső késleltetési idő ismeretében most már az egyes pelletekre ki tudunk számolni (3. ábra, b.) rész). Az összehasonlíthatóság kedvéért a plazma nyomásprofilját is ábrázoltuk. Itt a legvalószínűbb érték 2 cm körüli, a csúcsos eloszlás félértékszélessége pedig 1,5 cm. Az ábráról az is jól látszik, hogy az ELM-et triggerelő események 90%-a a plazma pedestal tartományában található, amiből arra következtethetünk, hogy a pelletek valószínűleg nem tudnak ELM-et triggerelni az összetartott plazmán kívüli régióban.
3. ábra: Az ELM-késés függése a pelletsebességtől (a függőleges vonalak az ELM-késés becsült hibáját adják meg az adott inverz sebesség mellett), valamint az ELM-et okozó perturbáció helyének eloszlása a szeparátrix-tól mért távolság függvényében
4. Összefoglalás és jövőbeli kilátások A pelletekkel triggerelt ELM-ek vizsgálata kiemelkedően fontos a jövőbeli fúziós berendezések működése és biztonsága szempontjából. Munkánk során megállapítottuk, hogy minden, a tórusz belső oldala felől belőtt, fagyaszott deutérium pellet triggerel ELM-et a vizsgált paramétertartományon belül, függetlenül a pellet tömegétől, sebességétől és az előző ELM óta eltelt időtől. Feltételeztük, hogy ehhez a pelletnek el kell érnie egy adott helyet a plazmában, és ennek alapján megállapítottuk, hogy ennek a pozíciónak a legvalószínűbb értéke a plazma pedestal közepén található. Ugyanakkor az ELM-ek mintegy 50μs-mal azután jelentek csak meg, miután a pellet elérte ezt a pozíciót. Ennek a belső késési időnek az okát további kísérletekkel szeretnénk meghatározni. Jelenleg nem ismeretes, hogy a HFS-on belőtt pellet valóban a HFS-on triggereli-e az ELMet, vagy pedig a perturbációnak át kell-e terjednie a LFS-ra (ahol az elmélet szerint az ELMek instabilak). Ennek kiderítésére az ASDEX Upgrade tokamak következő kampányában egy új pelletbelövő áll majd rendelkezésre, amellyel a LFS-ról tudunk pelletbelövést végezni, és ezáltal vizsgálhatjuk, hogy valóban létezik-e HFS/LFS aszimmetria az ELM-triggerelést illetően. Természetesen a belső késleltetési idő is több részből adódhat; például figyelembe kell vennünk az instabilitás növekedési rátáját is.
Irodalomjegyzék [1]
Polevoi A.R. et al., Nuclear Fusion 43 (2003) 1072
[2]
P.T. Lang et al., Nuclear Fusion 43 (2003) 1110
[3]
P.T. Lang et al., Nuclear Fusion 44 (2004) 665
[4]
Kocsis G. et al., Review of Scientific Instruments 75 (2004) 4754
[5]
Kálvin S. et al., Europhysics Conference Abstracts 28G (2004) P-5.150
