Diszrupciók szimulációja az EU-DEMO fúziós reaktorban
A nukleáris fúzió a Földön megvalósítható többek között tokamakokban, melyek a nagyságrendileg 100 millió kelvin hőmérsékletű plazmát mágneses térben képesek távol tartani az azt magában foglaló berendezés falától. Tokamakok működése közben előfordulhatnak ún. diszrupciók, melyek során a plazmaösszetartás hirtelen megszűnik és a plazmában tárolt mágneses- és hőenergia rövid időskálán a plazmaközeli komponenseknek kerül átadásra. Ez történhet hőterhelés és elektromágneses hatásokból származó rendkívüli mechanikai erőhatások formájában. További veszély a diszrupciók során az ún. elfutó elektronok keletkezése, melyek rendkívül nagy energiájú, relativisztikus sebességű részecskék.
A dolgozatom fókuszában az EU-DEMO tokamak áll, mely jelenleg tervezés alatt van. A berendezés az Európai Fúziós Útiterv egyik fontos mérföldköve, melynek célja villamos energia hálózatra termelése fúziós energiából. Az EU-DEMO különösen érdekes a diszrupciók és az elfutóelektron-keletkezés szempontjából. Egyedi módon plazmájában a tervek szerint jelen lesz argon, mely az izotrop energia-lesugárzás szempontjából fontos. Ez a magas rendszámú szennyező ugyanakkor a plazma szélén termikus- és magneto-hidrodinamikai instabilitásokat okozhat, melyek diszrupcióhoz vezethetnek. A berendezés kiemelkedő méretei, plazmahőmérséklete és plazmaárama miatt pedig az elfutóelektron-keletkezés szempontjából is különösen veszélyeztetett.
Mivel az EU-DEMO tokamakhoz hasonló méretű berendezések még nem üzemelnek, így kísérleti eredmények hiányában a modellezés nyújt alapot a megfelelő tervezéshez. Az ehhez rendelkezésre álló egyik eszköz a DREAM, mely egy elsősorban a diszrupciók során történő elfutóelektron-keletkezés modellezése céljából készült, háromdimenziós (térben egy, momentumtérben kettő), pályaperiódusra átlagolt kód. Dolgozatomban bemutatott szimulációimban kinetikus módban futtattam a DREAM-et, hogy az elfutó elektronok energiaeloszlását tudjam modellezni. Mindehhez többek között az EU-DEMO plazmájának nemlineáris magneto-hidrodinamikai szimulációjából is vettem bemeneti adatokat, hogy a valóságoshoz minél közelebbi kiindulási alapom legyen. A modellezett energiaeloszlásokat továbbadtam egy, a berendezés falának hőterhelésével foglalkozó kutatónak. Fontos eredményeim, hogy a diszrupciót követő nagyságrendileg 100 ezredmásodpercben ennek az energiaeloszlás-függvénynek az alakja és a jellege is a transzport beállításaitól függően jelentősen változik, illetve hogy az elfutó elektronok kialakulása természetes diszrupciókban érzékeny az üzemi körülmények között plazmában jelen lévő argon mennyiségére.
