Elfutóelektron-nyaláb szimulációja a DEMO fúziós reaktorban
Napjaink növekvő energiaigényére ígéretes megoldás a könnyű atommagok nukleáris fúziójának alkalmazása, ugyanakkor gyakorlati megvalósítása számos kihívással jár. A legfőbb problémát a nagyságrendileg 100 millió kelvin hőmérsékletű plazma megfelelően hosszú ideig történő összetartása okozza. Ehhez a Földön nem áll rendelkezésünkre a csillagokban levő nagy gravitáció, ezért a mágneses összetartású fúzió a kutatások fő iránya. Az ilyen elven alapuló fúziós berendezések közül az egyik típus az ún. tokamak, mely forgásszimmetrikus, tórusz alakú plazmát képes fenntartani [1].
Tokamak berendezések működése során több okból kifolyólag is előfordulhat, hogy a plazmában elfutó elektronok keletkeznek. Egy lehetséges ok az ún. diszrupció, mely során a plazmaösszetartás hirtelen megszűnik. Ilyenkor a hőmérséklet hirtelen leesik, a plazma ellenállása megnő, és az önindukció következtében a plazmaáram elektromos teret kelt, mely elfutó elektron keletkezéshez vezet. Az elfutó elektron nyaláb súlyos károkat okozhat a plazmát magában foglaló vákuumkamra falának védőköpenyében. A jelenség különösen veszélyes a nagy plazmaáramú berendezésekben, mert a keletkező elfutóelektron-mennyiség függ a kezdeti plazmaáramtól. Mivel egyre nagyobb berendezések épülnek egyre nagyobb áramokkal, például az ITER tokamak Franciaországban [2], egyre fontosabb az elfutó elektronok viselkedését vizsgálni, és valamilyen módon védekezni keletkezésük ellen.
Az Európai Fúziós Útitervben [3] szerepel két fontos mágneses összetartású berendezés. Az egyik, a jelenleg építés alatt álló, a nemzetközi fúziós kutatás mérföldkövének számító, tokamak típusú ITER, illetve szintén kiemelkedően fontos utódja a DEMO tokamak, mely a tervek szerint már elektromos energiát fog termelni a hálózatra, ezzel demonstrálva a fúziós energiatermelés gyakorlati megvalósíthatóságát. Ezekben a berendezésekben, méreteikből adódóan kifejezetten fontos az elfutó elektronok vizsgálata, melyhez jelenleg más tokamakokban végzett kísérletekből származó adatok, és szimulációs eszközök is rendelkezésünkre állnak. Az egyik ilyen eszköz a DREAM [4], mely elsősorban a diszrupciók során történő elfutóelektron-keletkezés modellezése céljából készült. Dolgozatomban a DREAM segítségével vizsgálom a DEMO paramétereire a diszrupció időbeni és térbeni lefolyását, illetve egy, az ITER-re javasolt, jelenleg tervezés alatt álló diszrupció-mitigációs rendszer használhatóságát különböző paraméterekkel.
Irodalom:
[1] - J. Wesson és D. Campbell, Tokamaks, International series of monographs on physics sor. Clarendon Press, 2004, ISBN: 9780198509226.
[2] – ITER ¬ the way to new energy. cím: https://iter.org
[3] – EUROfusion Roadmap - https://www.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/
[4] – M. Hoppe, O. Embreus, T. Fülöp, DREAM: A fluid-kinetic framework for tokamak disruption runaway electron simulations, Computer Physics Communications, 268, 2021, 108098, ISSN 0010-4655, https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108098
