ziós s plazmafizikába 10

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 10. Laboratóriumi kísérletek: plazma előállítás, fűtés, plazma-fal kapcsolat Dr. Zoletnik Sándor, Pokol Gergő KFKI-RMKI

BME NTI

Bevezetés a fúziós plazmafizikába 2008. november 17.

Dr. Zoletnik Sándor, Pokol Gergő: 10. Laboratóriumi kísérletek

Mágneses összetartású berendezések Lineáris berendezések: 2XIIB, Te=13 keV, nτe=1017 m-3s (1976) Veszteség a végeken nem megoldott! Néhány még működik. Sztellarátorok: sokféle elrendezés mágneses konfiguráció külső tekercsekkel Tokamakok: toroidális plazmaáram fúziós energiatermelés, ITER Kompakt tokamakok: ~ tokamak, de R~r Æ sok részecske banán pályán Egyéb: RFP (Reversed Field Pinch), Spheromak, Levitated dipole, ... Bevezetés a fúziós plazmafizikába, 2008. november 17.

2


Vákuum Példa (vákuum): Mágneses tér: Bt < 10 T (szupravezető tekercsek, mechanikai stabilitás) Maximális béta: β < 5% Æ p < 2*106 Pa (20 atm) Hőmérséklet: kT = 25 keV Æ n < 5*1020 m-3 = 10-5 nair

Vákuum 10-4 torr (1 torr = 133 Pa) alatt Æ kétlépcsős vákuumrendszer: elővákuum szivattyú + turbomolecular vagy kriopumpa, (esetleg iongetter) Vákuumkamra (liner): erős (nyomástartó) és vékony (mágneses tér) külső kriosztátban kis vákuum Æ kisebb nyomás a vákuumkamrán 3

Bevezetés a fúziós plazmafizikába, 2008. november 17.


Vákuumkamra

ITER

W7-X 4



W7-X vákuumkamra

5



Első fal Nagyvákuum Æ falon a felületi adszorpció jelentős hatása Fal kondícionálás: kifűtés, fal bombázása ionokkal (Glow-discharge, plazma kisülés) Speciális borítás az első falon: szén (CFC), wolfram, berillium boronizálás

6



Plazma-fal kölcsönhatás lokalizálása Limiter

Divertor

SOL (Scrape-off layer): nyílt erővonalak

Középsík

X-pont Vákuumkamra

Belső

Külső 7



Limiterek

8



Divertor Elsődleges plazma-fal kapcsolat az erővonalak mentén a mag-plazmától távol.

9



Limiter és divertor A kisülés elején limiteres plazma (JET)

10



SOL plazma Párhuzamos és merőleges diffúzió, valamint az atomfizikai folyamatok is fontosak!

11



Csatolt és lecsatolt plazma Csatolt (attached): direkt plazma-fal kapcsolat Lecsatolt (detached): nagysűrűségű helyi plazma lesugározza a teljesítményt ASDEX-Upgrade csatolt plazma

ASDEX-Upgrade lecsatolt plazma

12



ELM alatti terhelés

13



Egyéb lokalizált terhelések

diszrupció (JET)

filamentumok (MAST)

gyorsrészecske nyalábok

14



Első fal Első fal anyagának kiválasztása: - hő tranziensek hatása - erózió és újra lerakódás (hidrogénnel együtt) - plazma szennyezése - egyéb praktikus tulajdonságok

15



Plazma kísérlet menete

1. Mágneses tér létrehozása 2. Gázbeeresztés – anyagutánpótlás 3. Ionizáció 4. Fűtés 5. Áramhajtás 6. Leállítás 16



Mágneses tér létrehozása Erős mágneses térhez (~ 5 T) erős áram kell a toroidális tekercsekben (~ 10 MA). Ez réz tekercsekkel ~ 100 MW teljesítmény! Áramellátás: - kondenzátortelepekkel - lendkerekes generátorokkal

Szupravezető tekercsek: - magashőmérsékletű szupravezetők nem bírják a mágneses teret - folyékony He hűtés - a mágneses tér marad a lövések között - a fluxusváltozás sebessége véges! 17



Anyagutánpótlás Gázbeeresztés (gas puffing): - plazma szélének anyagutánpótlása Pelletek: - fagyott hidrogén golyók (~cm) - gyorsítás centrifugával, gázpisztollyal, ... ~1000 m/s-ra - plazma közepének anyagutánpótlása Semleges atomnyaláb: - ionnyaláb semlegesítéséből - 50 keV – 1 MeV - töltöttrészecske-ekvivalens ~10 A - plazma közepének anyagutánpótlása 18



Ionizáció Egyenfeszültségű lebomlás: - tokamakokban működik - elég sok fluxust fogyaszt a transzformátor primer tekercsén Mikrohullámú lebomlás (microwave breakdown): - sztellarátorokban mindig - tokamakokban is gyakran - általában elektron-ciklotron rezonancia fűtéssel (ECRH)

19



Fűtés Ohmikus fűtés: - tokamakokban működik - hőmérséklettel csökken a teljesítménye

ICRH

Semleges atomnyaláb fűtés (NBI): - több nyaláb is lehet, ~ 10 MW Ion ciklotron rezonancia fűtés (ICRH): - hurokantennák közel a plazmához - mikrohullám ~ 10 MHz, ~ 10 MW Elektron ciklotron rezonancia fűtés (ECRH): - optikai hullámterjedés - mikrohullám ~ 10-100 GHz, ~ 1 MW - lokalizált fűtés

ECRH 20



Áramhajtás (tokamak) Transzformátorral: - véges fluxusváltozás a központi tekercsben (transzformátor primer köre) Alsó hibrid hullámmal (LHCD): Mikrohullámú - sikerült vele indítani tokamakot (lower hibrid) Elektron ciklotron hullámmal (ECCD): antenna - nemmerőleges belövés esetén - lokális áramhajtás Æ áramprofil szabályozása Semleges atomnyalábbal (NBI): - toroidális belövés - a nagyenergiájú atomokból ionok lesznek töltéscserével - az ionok magukkal rántják a plazma elektronjait Bootstrap áram: - neoklasszikus plazmaáram, ~ gradp - belső transzportgátak Æ bootstrap áram a plazma közepén - volt 100% bootstrap tokamak plazma (TCV) 21 Bevezetés a fúziós plazmafizikába, 2008. november 17.


Leállítás Fokozatos leállítás (plasma ramp down): - tokamakokban kritikus a plazmaáram miatt - nem akarunk diszrupciót - nem akarunk elfutó elektronokat - fluxust fogyaszt a transzformátor primer tekercsén - Tervezni kell!

22



Plazma kísérlet menete 1. Gázbeeresztés 2. Ionizáció (3. Áramhajtás) 4. Fűtés 5. Leállítás

Plazmaenergia

W7-AS sztellarátor

Sűrűség

Gázbefecskendezés

Hőmérséklet

Fűtés Sugárzás

Ürülés 23


ziós s plazmafizikába 10

Recommend Documents