Kriogén pellet gyorsítás vizsgálata
Kriogén pellet gyorsítás vizsgálata
Kovács Ákos, BME 2. évf energetikai mérnök hallgató
Témavezető: Zoletnik Sándor, Energiatudományi Kutatóközpont
2021. szeptember 28.
A téma az Energiatudományi Kutatóközpont (EK) Fúziós Plazmafizika Laboratóriumában (FPL) folyó ITER tört pellet belövő (Shattered Pellet Injector, SPI) technológia fejlesztéshez kapcsolódik. Az eszköz és technológia megtervezését az ITER (Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor) rendelte meg, mely a világ legnagyobb tokamak típusú fúziós reaktor kutatás-fejlesztési projektje. A jelenleg is épülő létesítménynek biztonsági szempontból van szüksége a berendezésre. Az ITER-ben létrehozott magas hőmérsékletű plazma esetleges instabil állapotba kerülésekor rövid idő alatt le kell állítani a reakciót a tokamak sérülésének elkerülése végett. A plazma bomlása esetén ugyanis kis pontra hatalmas hőterhelés összpontosulhat, mely a divertorban és más plazmával érintkező eszközökben is kárt tehet. Korábbi tokamakokon (JET, DIII-D) már kipróbált módszerként alkalmaznak nagy mennyiségű Neon/Argon/Deutérium gáz beeresztését (Massive Gas Injection), aminek köszönhetően az energiatöbblet jelentős hányadát képesek lesugározni, és eloszlatni a berendezés belsejében. Az ITER megnövekedett méretei miatt azonban az MGI nem bír kellő hatékonysággal. Jelenleg a plazma gyors lehűtését alacsony hőmérsékletű kriogén pelletek töredékeinek belövésével, SPI berendezés segítségével tervezik [1].
Az EK-FPL laboratóriumában egy SPI prototípus elemeinek, valamint a törési folyamatnak a tesztelése zajlik. A fagyasztani tervezett 19, illetve 28.5mm átmérőjű hidrogén, neon és keverék pelleteket nagy nyomású gázimpulzussal fogják felgyorsítani. A gyorsítást követően egy fém lappal ütköztetik, és meghatározott irányba térítik a tört darabokat.
Dolgozatomban a pellet gyorsítási folyamatát, valamint a laboratóriumban fejlesztett speciális nagy nyomású gázszelep működését vizsgálom. Kiindulásként rendelkezésre állt egy egyszerű Python nyelven írt nulldimenziós modell, amely kiszámítja a gáznyomás, gázszelep nyitási sebesség, a geometria és más paraméterek függvényében a pellet gyorsítását. A munkám során az Oak Ridge National Laboratory mérései [2] alapján a modellt kiegészítettem a pellet nyírószilárdságának hőmérséklet függésével, valamint a FPL munkatársának az OpenFoam programban végzett gázáramlási számításaival is. Részt vettem a speciális szelep tesztelésében és a kapott nyitási karakterisztikát is beépítettem a programba.
Mivel az EK FPL laboratóriumban mérések csak 2021 végén várhatók, ezért a modell eredményeit a garchingi ASDEX Upgrade tokamaknál működő SPI berendezés méréseivel hasonlítottam össze. Bár itt sokkal kisebb, 4 mm átmérőjű, pelleteket készítenek, azonban nagyszámú szisztematikus mérési adat áll rendelkezésre, így lehetőség nyílik különböző paraméteres változások összevetésére.
[1] Gebhart Baylor IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE 10.1109/TPS.2019.295796808 (2019)
[2] Report for Shear Strength of Cryogenic Solids from the Barrel of a Shattered Pellet Injector for Disruption Mitigation 424W76 v1.0 (2021)
szerző
-
Kovács Ákos
Fizika alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)
