Trícium kalorimetria – részvétel egy EFDA tréning programban Bükki-Deme András Tudományos munkatárs / TRI-TOFFY trainee MTA ATOMKI – Elektronikai osztály
Debrecen, 2012.05.24
TRI-TOFFY projekt (TRItium TechnOlogies for Fusion Fuel cYcle) • Egy EFDA GOT (Goal Oriented Training) program: – TRI-TOFFY: 6 kutatóintézet – 6 tanonc
– Cél: „toborzás” fúziós kutatási területekre + DT üzemanyag ciklus fejlesztése – Kutatási / fejlesztési témák: • trícium üzemanyagciklus TOKAMAK-ban (ITER, DEMO) • Izotóp szeparáció (cryo-desztilláció, molekuláris szűrők, membrántechnológia) • trícium tenyésztés (lítiumból, jelenleg több féle koncepció létezik) • trícium detektálása (spektroszkópiai módszerek, kalorimetria, …)
– 3 éves projekt (2010 március – 2013 március): • 1 hónap JET (Joint European Torus, Culham, Anglia) • 6+11 hónap TLK (Tritium Laboratory Karlsruhe)
Karlsruhe Institute of Technology • 9 000 alkalmazott (oktató/kutató: 5 600) • 22 000 hallgató (ebből 9 600 mérnök, 7 000 természettudományi szakos) • Költségvetés: 371+361 millió EUR (Egyetem+kutatóintézet, 2010-es adat) • Fúzióhoz kapcsolódó kutatások (ITER több komponensét itt fejlesztik): – DT üzemanyagciklus – Vákuumtechnológia – Mikrohullámú plazmafűtés – Szupravezető technológiák
– Plazma-fal kölcsönhatások – Robotika („remote handling”) – Magnetohidrodinamika (folyékony PbLi tenyésztő, kísérlet NaK-al)
Trícium labor Karlsruhe (TLK)
TLK • A két fő feladata: – DT üzemanyag ciklus kidolgozása
– Neutrínó tömeg mérés (KATRIN kísérlet, építés alatt) • Licensz 40 g trícium tárolására, jelenleg 2̴ 0 g a laborban
TLK • A két fő feladata: – DT üzemanyag ciklus kidolgozása
– Neutrínó tömeg mérés (KATRIN kísérlet, építés alatt) • Licensz 40 g trícium tárolására, jelenleg 2̴ 0 g a laborban
Trícium
Alacsony energiás β- bomlás (átlagos elektron energia: 5,7 keV)
Atomtömeg
3,01605 g
Felezési idő
12,3232 ± 0,0043 év
Bomlási hő
0,324 W/g ± 0,3 %
1 g trícium
̴10 000 Ci
1 Watt
̴3 g trícium
1 Ci
̴33 µW
Elektron behatolási mélység - levegő
~ mm
Emberi bőr
~ µm
Motiváció
DT fúzió
Fúziós reaktor
• ITER: csak impulzus üzem, 10 g trícium / impulzus (1 kg készlet) • DEMO: 1 GWhő (=2,7 GWfúziós) 400 g trícium naponta (1%-os hozam miatt 40 kg trícium processzálandó / nap!)
Fourier-Kirchhoff egyenlet
Thideg
π
Σ
Tmeleg Δ
Belső energia változása
Hőforrás Hő transzport
Kaloriméter típusok Izotermális kaloriméter
ΔTmintatartó
Mért jel
Seebeckfeszültség
Abszolút
Szenzor
Derivatív
Hőkapacitás függő
Kalibráció
Hőkapacitás független
Nem igazán alkalmas nagy mintatérfogat / kis teljesítmények esetén!
Termoelektromos szenzor
T=állandó
Izotermális Minta T=áll.
Minta ΔT=?
Hőszigetelés
Adiabatikus
Hőszigetelés
Adiabatikus kaloriméter
Termoelektromos szenzorok Termoelektromos modul (TM): •Termopárok nyalábban •n és p szennyezett BiTe lábak •Modul Seebeck-együtthatója: •US ∝ termopárok száma (V/K) •Modul hővezető képessége: •K ∝ termopárok száma (W/K) •Szenzor érzékenysége: S (V/W)
S
US
Tulajdonságok: •Passzív mérési mód • >1 V/K jel termosztátként •Fordított módban: Peltier-
K
hőpumpa
Kis teljesítmények mérése nagy mintatérfogatban – Izotermális kaloriméter • Termoelektromos szenzorok •Mérési idő ∝ •hőkapacitás/ hővezetőképesség • Megnövelt szenzor felület:
•érzékenység állandó •rövidebb mérési idő •mérési hiba növekszik •Pl.: S = 0,3 V/W érzékenység •U = 300 nV jelszint 1 µW forrásnál
Minta 1 µW hőforrással
•A hőmérséklet stabilitás létfontosságú!!!
Hőmérséklet stabilitás fontossága • U = 300 nV jelszint 1 µW forrásnál
• USeebeck = 1,6 V/K • Hagyományos termosztát: •Tfluktuációk = 10-4 Kelvin Tfluktuációk
• Zajszint: 160 000 nV !!!
• „Inerciális termosztát”: •Tfluktuációk = 3· 10-8 Kelvin •Zajszint: 48 nV
Inerciális szabályzású vákuum kaloriméter Hőpumpa Termoelektromos szenzor
U
Sugárpajzsok
10-5 mbar
Mintatartó
“Inerciális tömeg”
Finom szab.
Alap
Durva szab.
RTD 2 Támasztás
RTD 1 Hőcserélő
Vízkör szab.
*J. L. Hemmerich, J.-C. Loos, and A. Miller, Review of Scientific Instruments 67, 3877 (1996).
IGC-V0.5
IGC-V0.5
IGC-V0.5 – megnövelt stabilitás
IGC-V0.5 hosszú távú (in)stabilitás
Kigázosodás a szenzoroknál
IGC-V0.5 hosszú távú (in)stabilitás 22:35 20:35 21:35
20:35
Utolsó projekt – IGC-V25
Trícium kaloriméterek összehasonlítása
ANTECH HF400-7200 SETARAM LVC-390
Cél IGC-V25 (2002)
ANTECH 351 (1998)
IGC-V0.5 (1999)
…és még néhány ötlet TRTD2 Zsilip
Hőmérséklet szabályzott tartomány
Vákuum
10-5
mbar
@ durva szabályzás
Mintatartó Hélium
Alap RTD 2 Támasztás Hőcserélő
Summer school on calorimetry
Köszönöm a figyelmet!
