Diagnosztikai atomnyaláb optimalizálása W7-X sztellarátorra
A XXI. század növekvő energiaigényének kielégítésére ígéretes lehetőséggel szolgál, a fúziós energiatermelés [1]. A magfúziós folyamatok földi körülmények között való megteremtéséhez létrehozott fúziós reaktorok egyik típusa, az ún. sztellarátorok biztosítják világszerte a magas hőmérsékletű plazma összetartását mágneses tér segítségével. Munkám középpontjában a Wendelstein 7-X (röviden: W7-X) nevű, sztellarátor típusú magfúziós reaktor áll. A W7-X a világ legnagyobb sztellarátora, mely idén lép működésbe. A sztellarátorban lévő plazma vizsgálatát segítő plazmadiagnosztikai rendszerek egyik legfontosabb eleme a nyaláb emissziós spektroszkópia (BES).
A nyaláb emissziós spektroszkópia egy hidrogén vagy alkáli fém, pl. lítium vagy nátrium anyagú atomnyaláb plazmába való belövésével és a gerjesztett atomok által kibocsájtott karakterisztikus fotonok detektálásával és elemzésével ad részletes képet a plazma nyalábmenti sűrűségéről. A BES rendszer egyik alapeleme az ionforrás. Az emissziós anyag a lítium alumíniumszilikátok egyik fajtája, a β-eucryptite. Ezt az anyagot körülbelül 1300 °C hőmérsékletre fűtve és megfelelő elektromos teret alkalmazva ionok lépnek ki a felületéről. Ezen ionokat különböző elektromos terekkel felgyorsítva hozzuk létre a nyalábot.
A dolgozatban bemutatott mérésekhez a JET tokamakhoz épült BES rendszer klón gyorsítóját használtam lítium ionforrással. A nyaláb paramétereit egy speciális Faraday-csészével vizsgáltam, amelyben az ionáram mérése mellett lehetőség van – a nyaláb fényének egyidejű detektálásával - nyalábárameloszlás mérésére is. Ennek a mérésnek a célja egyrészt annak eldöntése, hogy a diagnosztika hatásfoka (a plazmába juttatott atomnyaláb fluxus) növelhető-e az újonnan kifejlesztett ionforrással, másrészt az új ionforrás nyalábparaméterekre való hatásának vizsgálata.
Ezt követően lítium és nátrium anyagú nyalábokat szimuláltam különböző energiákon és különböző sűrűségű plazmákon egyaránt a W7-X geometriájában. Ezt a RENATE (Rate Equations for Neutral Alkali beam TEchnique) nevű, BME NTI-ben fejlesztett nyaláb emissziós spektroszkópiát szimuláló program segítségével tettem. Megállapítottam, hogy a nátrium atomnyaláb a plazmába való kis behatolási mélysége miatt a plazma külső részének, ún. SOL régiójának vizsgálására alkalmas. Továbbá egyértelművé vált, hogy a lítium atomnyaláb nagyobb behatolási mélysége megfelelő a kisebb sűrűségű plazma belsőbb, ún. pedesztál régiójának diagnosztizálására is, melyhez az ajánlott nyalábenergia 40 - 60 keV. Nagyobb plazmasűrűség esetén a nyalábenergia növelése nem vezet célra, a behatolási mélység így nem növelhető számottevően. Mindemellett arra a következtetésre jutottam, hogy mindkét nyaláb alkalmas mágneses szigetek tanulmányozására [2]. Szimulációs eredményeimmel a jövő évben induló W7-X BES rendszerének koncepcionális tervezését alapoztam meg.
Irodalom:
1. John Wesson, „Tokamaks”, Clarendon Press, Oxford, third edition, (2004).
2. Ö. Asztalos, K. Z. Németh, G. I. Pokol, „Feasibility study on W7-X BES system”, Report presented at Eurofusion WPS1 workshop on Alkali beam concepts, Greifswald, Németország (2015.04.20.).
szerző
-
Németh Kristóf Zoltán
Energetikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
konzulensek
-
-
Dr. Anda Gábor
tudományos főmunkatárs, Energiatudományi Kutatóközpont (külső)