Oddziaływania PWI w tokamakach

Oddziaływania Plazma-Ściana są bardzo istotną dziedziną międzynarodowego wysiłku mającego na celu opanowanie energetyki opartej na fuzji termojądrowej. Są one wyraźnie zaznaczone na mapie drogowej tych badań o czym świadczy powołanie poświęconego im w organizacji EUROfusion pakietu prac WP PFC (Work Package: Plasma Facing Components) oraz przewijaniu się ich tematyki w innych programach jak MST (Medium Size Tokamaks ).

Celem badań jest opracowanie materiałów, elementów, technik diagnostyki oraz konserwacji, która zapewni prawidłową pracę nowej generacji tokamaków pod względem trwałości, bezpieczeństwa oraz minimalizacji wpływu na plazmę ściany wewnętrznej tych urządzeń. Zakres badań jest bardzo szeroki, ponieważ uwzględnia nie tylko wpływ niszczących czynników oddziałującej plazmy (wysokoenergetyczne jony, elektrony, promieniowanie oraz neutrony), ale również skomplikowane zjawiska, które pod ich wpływem zachodzą. Wśród nich można wymienić erozję fizyczną i chemiczną, re- oraz ko-depozycję, recycling, wyładowania łukowe, retencję paliwa, powstawanie pęknięć, bąbli i mikroporów oraz aktywacja materiału.

Potrzebna jest diagnostyka

W obliczu skomplikowania tych procesów bardzo istotne jest opracowanie odpowiedniej diagnostyki, która pozwalałaby na charakteryzację istotnych parametrów zachodzących zjawisk, takich jak skala retencji paliwa, migracji materiałów z innych obszarów urządzenia czy przewaga zjawiska erozji lub depozycji w danym obszarze urządzenia. Informacji takich mogłaby dostarczyć metoda pozwalająca na pomiary składu chemicznego, lecz należy zdawać sobie sprawę, że w przypadku tokamaka, na metodę nałożony jest szereg trudnych do spełnienia wymagań.

Aby nie wdawać się w obszerne rozważania: metoda musi być bezkontaktowa, odporna na niszczące czynniki środowiskowe takie jak temperatura oraz promieniowanie elektromagnetyczne, ale również sama nie może powodować takich zakłóceń. Według obecnego stanu wiedzy, wymagania te może spełnić jedynie metoda LIBS.

Działanie i zalety LIBS

LIBS (Laser induced Breakdown Spectroscopy), czyli laserowa spektroskopia wzbudzeniowa polega na pobudzeniu badanego materiału intensywnym impulsem laserowym (ale o małej energii) i zaobserwowaniu widma powstałej na skutek tego plazmy. Na podstawie takiego pomiaru można uzyskać informację o składzie chemicznym próbki, nie jest to jednak trywialne, ponieważ widma różnych pierwiastków składają się czasami z wielu linii położanych blisko siebie i przez to trudnych do jednoznacznej identyfikacji.  Mimo to, w zastosowaniach tokamakowych metoda ta jest niezastąpiona i dzięki pracy i doświadczeniu licznych zespołów świetnie się sprawdza do identyfikacji składu chemicznego tzw. próbek kalibracyjnych symulujących skład warstw powstających na skutek transportu materiałów w tokamakach nowej generacji, elementów zdemontowanych z zamkniętych oraz obecnie pracujących urządzeń, jak również nawet wewnątrz samego tokamaka dzięki zastosowaniu układu zdalnego sterowania. To ostatnie z osiągnięć stało się możliwe dzięki współpracy zespołu PSPWL z naukowcami z włoskiego ENEA Frascati.

Zadania i wyzwania dla LIBS w energetyce termojądrowej

Zadaniem, w kontekście którego LIBS zaistniało w badaniach nad fuzją termojądrową była retencja paliwa, początkowo w kodepozycie węglowym, a później w tzw. mixed materials. Pierwotnie LIBS zostało zaproponowane jako diagnostyka towarzysząca usuwaniu paliwa (nota bene przez zespół z IFPiLM), lecz właśnie dzięki rosnącej roli mixed materials mogących zawierać również zanieczyszczenia, LIBS uznano za metodę uniwersalną. W dotychczasowych badaniach nad materiałami technologii fuzyjnej metoda wykazała się zdolnością wykrywania nie tylko izotopów wodoru, ale również węgla, wolframu, molibdenu, berylu, aluminium, żelaza, miedzi, tantalu i innych pierwiastków rozpatrywanych zarówno jako materiały konstrukcyjne, jak i potencjalne zanieczyszczenia.

Aby wykazać się skutecznością, metoda musiała sprostać kilku istotnym wyzwaniom. W pierwszym rzędzie można wymienić potrzebę charakteryzacji ilościowej izotopów wodoru, co wymaga nie tylko wysokiej jakości sygnału i małego błędu pomiarowego lecz również odpowiedniego przeliczenia parametrów sygnału optycznego na koncentrację atomów rozpatrywanego izotopu. Jest to zadanie bardzo trudne ze względu na rozrzut parametrów warstw zawierających cząstki paliwa, które mogą być złożone z różnych matryc materiałów, posiadać różne współczynniki ablacji oraz różne dynamiki usuwania warstwy. Wszystkie te parametry mają wpływ na sygnał optyczny, który staje się trudny do interpretacji. W takich warunkach przeprowadzenie uniwersalnej kalibracji staje się praktycznie niewykonalne… zatem stosuje się metodę bezkalibracyjną.

Metoda bezkalibracyjna LIBS w odniesieniu do charakteryzacji izotopów wodoru musi spełniać dwa sprzeczne ze sobą wymagania: posiadać wysoką rozdzielczość zapewniającą możliwość rozróżnienia blisko położonych linii izotopów wodoru oraz posiadać na tyle szerokie pasmo, aby zaobserwować linie innych pierwiastków i prawidłowo wyznaczyć parametry plazmy (takich jak temperatura i gęstość elektronowa) koniecznych do obliczeń, na których jest oparta. Problem ten został rozwiązany przy współpracy zespołów polskiego i włoskiego przez jednoczesne zastosowanie dwu spektrometrów: spektrometru z ENEA umożliwiającego separację izotopów oraz spektrometru IFPiLM pozwalającego na detekcję innych pierwiastków i wyznaczenie parametrów plazmy.

Kolejnym problemem były zasygnalizowane już poprzednio trudności z separacją linii poszczególnych izotopów wodoru, znajdujących się bardzo blisko siebie. Nawet przy pomiarach spektrometrem o bardzo dużej rozdzielczości ich separacja może być niemożliwa ze względu na zjawisko poszerzenia Starka, które powoduje, że linie całkowicie nakładają się na siebie. Aby poradzić sobie z tym problemem, podczas wspólnego eksperymentu ENEA/ IFPiLM zastosowano specjalną głowicę pomiarową umożliwiającą obniżenie ciśnienia i wykonanie pomiaru w atmosferze argonu. Dzięki temu możliwe stało się ograniczenie efektu Starka i separacja linii wodoru i deuteru.

Z problemem poprawy stosunku sygnału do szumu potrzebnej w celu minimalizacji błędu pomiarowego można radzić sobie na różne sposoby. Popularnym zabiegiem jest uśrednianie dużej ilości pomiarów wykonanych w pobliskich miejscach badanej próbki. Inną metodą jest stosowanie dodatkowego wyładowania elektrycznego zsynchronizowanego z wytworzoną laserowo plazmą. W PSPWL natomiast stosowany jest wariant dwu-impulsowy (Dual-Pulse LIBS). Jest to bardzo eleganckie rozwiązanie, ponieważ pozwala uniknąć uśredniania, co skraca czas pomiaru i ogranicza uszkodzenie powierzchni, a przy tym nie wymaga stosowania dodatkowego sprzętu, jak w przypadku metody wspomaganej wyładowaniem. Konieczne jest jedynie wykorzystanie dwu-impulsowego lasera (który nie jest dużo droższy od standardowego) oraz sporo pracy związanej z optymalizacją odstępu dwu-impulsowego, na którą duży wpływ mają warunki eksperymentu. Doświadczenie zespołu pozwala jednak na dość szybkie radzenie sobie z takimi pracami.

Jeszcze innym problemem jest samo wykonywanie pomiarów wewnątrz tokamaka, czyli urządzenia, w którym dostęp do ściany wewnętrznej jest skomplikowanym zadaniem i wymaga zaawansowanych systemów opto-mechanicznych. Zespoły z IFPiLM i ENEA przeprowadziły udany eksperyment najpierw na makiecie, następnie już na samym tokamaku FTU, w którym za pomocą zdalnie sterowanego ramienia wyposażonego w głowicę pomiarową dokonano skutecznych pomiarów składu ściany wewnętrznej jak i skalibrowanych próbek umieszczonych wewnątrz urządzenia.

Kontynuacja tego eksperymentu przewidziana jest na 2021 rok, kiedy postaramy się zbudować analogiczny system dla większego tokamaka: JETa, albo WESTA. Do tego czasu na pewno nie będziemy próżnować. Po wykonaniu pomiarów na próbkach kalibracyjnych, jesteśmy przygotowani na charakteryzację próbek, które otrzymamy z działających obecnie urządzeń, m.in. tokamaka AUG oraz stellaratora W-7X. Czekają nas również inne zadania, takie jak automatyzacja wykonywania pomiarów i analizy danych oraz zastosowanie w niej nowoczesnych metod uczenia maszynowego. Więcej na ten temat można przeczytać tutaj __link.

HiPER fusionForEnergyLogo logo EUROfusion iter Laserlab Europe Fusenet European Commission

Szukaj na stronie

Projekty badawcze realizowane przez IFPiLM są finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Narodowego Centrum Nauki oraz ze środków Komisji Europejskiej na podstawie umowy grantowej No 633053, w ramach Konsorcjum EUROfusion. Wsparcia finansowego udzielają także: Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej, Agencja Fusion for Energy, Europejska Agencja Kosmiczna i Konsorcjum LaserLab.

 

Początek strony