Naukowcy i inżynierowie z ośmiu krajów, w tym z Polski, z powodzeniem zademonstrowali zastosowanie laserów na tokamaku Joint European Torus (JET), udowadniając, że jest to opłacalna technologia pomiaru retencji paliwa termojądrowego w przyszłych urządzeniach fuzyjnych.
Spektroskopia rozkładu indukowanego laserem (LIBS) to technika analityczna wykorzystująca laser o dużej mocy do pomiaru składu materiału. Jej wdrożenie odbyło się przy użyciu zdalnie sterowanego systemu robotyki na JET.
Wstępne wyniki wskazały na pomyślne wykorzystanie systemu LIBS, ponieważ na skierowanych w stronę plazmy elementach tokamaka wykryto izotopy wodoru z mieszanki paliwowej deuteru i trytu.
JET zapewnia idealne inżynieryjne i diagnostyczne stanowisko testowe do opracowywania technologii zarządzania zapasami trytu w przyszłych elektrowniach.
„Eksperyment był ukoronowaniem prowadzonych od kilkunastu lat wysiłków nad stworzeniem metody pomiaru retencji paliwa oraz akumulacji zanieczyszczeń w ścianach reaktorów termojądrowych takich jak ITER. W badaniach tych Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy od początku odgrywał ważną rolę, która teraz skupi się na opracowaniu modeli sztucznej inteligencji w celu analizy pomiarów LIBS w czasie rzeczywistym. Ze względu na liczne niewiadome związane z funkcjonowaniem przyszłych elektrowni fuzyjnych jest to na pewno duże wyzwanie, lecz kiedy ponad dekadę temu zaczynaliśmy pracę z LIBS, sukcesy osiągnięte teraz na JET wydawały się nie mniejszym” – powiedział dr Paweł Gąsior z Zakładu Badań Plazmy Termojądrowej w IFPiLM, podkreślając znaczenie tych badań dla przyszłości energetyki fuzyjnej.
W międzynarodowej współpracy oprócz Polskich naukowców udział wzięły także zespoły badawcze z Finlandii, Niemiec, Włoch, Estonii, Łotwy, Słowacji i Wielkiej Brytanii. Kraje te należą do EUROfusion, konsorcjum zaangażowanego w badania i rozwój energii termojądrowej.
Partnerami projektu są:
- ENEA, Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development (Włochy),
- Forschungszentrum Jülich (Niemcy),
- VTT Technical Research Centre of Finland Ltd,
- United Kingdom Atomic Energy Authority.
Prace są wspierane przez:
- Comenius University of Bratislava (Słowacja),
- Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (Polska),
- Institute of Solid State Physics, University of Latvia,
- University of Tartu (Estonia).
 |
 |
 |
 |
| LIBS on JET, Credit: UKAEA | |
Jak działa technologia LIBS
Jari Likonen, główny naukowiec w Fińskim Centrum Badań Technicznych, wyjaśnił: „LIBS działa poprzez szybkie wystrzeliwanie wiązki lasera na powierzchnię płytki lub elementu. Generuje to małą plazmę zawierającą atomy, jony i wolne elektrony, które emitują światło, które z kolei jest mierzone za pomocą spektrometru”.
Technologia LIBS jest już szeroko stosowana w sektorach przemysłu stanowiących wyzwanie dla człowieka i wymagających szybkiej i kompleksowej analizy chemicznej na poziomie atomowym. Jej zastosowania obejmują analizę geologiczną w eksploracji kosmosu, diagnostykę artefaktów archeologicznych oraz badanie dyfuzji metali w słonecznych ogniwach fotowoltaicznych.
Na potrzeby wdrożenia tej technologii na JET wprowadzono modyfikacje w celu jej dostosowania do panującego w urządzeniu środowiska w kształcie pierścienia pod ciśnieniem. Salvatore Almaviva, badacz ds. metrologii laserowej w ENEA, Włoskiej Narodowej Agencji Nowych Technologii, Energii i Zrównoważonego Rozwoju Gospodarczego, powiedział: „Powstała technologia jest zwarta, lekka, niezawodna i solidna na tyle, by umożliwić wykonanie setek pomiarów na JET”.
Czujnik LIBS zamontowano na MASCOT, zdalnie sterowanym systemie robotycznym JET zaprojektowanym do zadań konserwacyjnych, naprawczych i diagnostycznych w środowisku radioaktywnym. Almaviva dodał: „Za pomocą jednego strzału lasera czujnik może wykryć wszystkie pierwiastki chemiczne obecne w analizowanej płytce lub elemencie oraz w ograniczony sposób ich izotopy”.
Rahul Rayaprolu, z Forschungszentrum Jülich (FZJ) w Nimeczech, omówił proces gromadzenia danych: „Jednostka LIBS przenosi zebrane światło przez 20-metrowy światłowód do czterech spektrometrów o wysokiej rozdzielczości w celu analizy widmowej. Jeden spektrometr zapewnia szczegółowy wgląd w zatrzymane paliwo, podczas gdy kompaktowy spektrometr o dużej rozdzielczości jednocześnie przechwytuje i rejestruje ogólny przegląd widma”.
Ionut Jepu, naukowiec zajmujący się badaniami materiałowymi w brytyjskim Urzędzie Energii Atomowej, podkreślił znaczenie tego urządzenia: „JET oferuje doskonałe stanowisko testowe. W następstwie niedawnych eksperymentów z deuterem i trytem możemy dokonać ważnych pomiarów trytu w płytkach i komponentach, zmniejszając jednocześnie zagrożenie dla ludzi i minimalizując potencjalny czas przestoju”.
Ponad 800 lokalizacji we wnętrzu JET poddano działaniu systemu LIBS. Wyniki zostaną zaprezentowane podczas konferencji - 20th International Conference on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications - która odbędzie się w maju 2025 w Słowenii.
Wspólny wysiłek wskazuje na potencjał przyszłych inicjatyw w zakresie projektowania, bezpieczeństwa i wydajności operacyjnej technologii zastosowanych w przyszłych urządzeniach fuzyjnych i stanowi bazę do usprawnienia zarządzania retencją paliwa.
Źródło: EUROfusion
