Zadanie realizowane w ramach projektu Eurofusion WPMST2: Preparation of exploitation of MSTs były kontynuacją i zarazem ukoronowaniem prac prowadzonych w roku poprzednim, które polegały na wykonaniu pomiarów DP LIBS za pomocą zdalnie sterowanej głowicy na makiecie tokamaka. W roku 2019 wykonany został analogiczny eksperyment, jednak tym razem już wewnątrz tokamaku FTU w celu uzyskania diagnostyki retencji paliwa . Tym samym były to pierwsze na świecie pomiary LIBS wykonane in-situ za pomocą dedykowanego systemu na układzie eksperymentalnego reaktora termojądrowego.

Wymiernymi efektami eksperymentu była charakteryzacja powierzchni wewnętrznej tokamaka FTU obsługiwanego przez ENEA Frascati oraz przeprowadzenie pomiarów zawartości izotopów wodoru w specjalnie przygotowanych próbkach kalibracyjnych, które zostały zainstalowane w arbitralnie wybranych miejscach na powierzchni wewnętrznej tokamaka. Realizacja tych celów wymagała adaptacji opracowanej wcześniej na makiecie głowicy pomiarowej, przetransportowania jej do hali FTU oraz instalacji jej wewnątrz tokamaka przez jeden z portów. Widok FTU z góry oraz sonda umieszczona w jego wnętrzu przedstawione są na rysunku nr 1.

Rys. 1. Widok FTU z góry oraz zdalnie sterowane ramię z głowicą wewnątrz FTU.

Główną modyfikacją układu była wymiana jej końcówki na kompatybilny próżniowo stożek, który teraz pozwolił na szczelny kontakt z badaną powierzchnią umożliwiający odpompowanie jej wnętrza, a tym samym wykonanie pomiarów w warunkach próżniowych, przy których jest możliwa separacji bardzo bliskich sobie linii wodoru, deuteru i trytu, będących obiektem głównego zainteresowania przy pomiarach retencji paliwa.  Dzięki tej modyfikacji możliwe stało się uzyskanie ciśnienia rzędu 10-2-10-3 mbarr.  Całość głowicy oraz jej stożkowa końcówka przedstawione są na rysunku nr 2.

Rys. 2. Zdjęcie głowicy pomiarowej oraz próżniowej stożkowej końcówki.

Do pomiarów zastosowany został laser dwuimpulsowy o energii każdego z impulsów 65 mJ i odstępie między nimi 500 ns. W obu zastosowanych w eksperymencie spektrometrach (wąskopasmowym ENEA i szerokopasmowym IFPiLM) opóźnienie akwizycji wynosiło 2 μs, a czas otwarcia bramki 750 ns.

Istotnym wynikiem pomiarów było wykazanie powodzenia modyfikacji głowicy pomiarowej i uzyskanie rozdzielczości pozwalającej na rozróżnienie linii wodoru i deuteru, które byłoby niemożliwe w przypadku ciśnienia atmosferycznego, co przedstawia rysunek nr 3.

Rys. 3. Porównanie linii wodorowej uzyskanej przy ciśnieniu atmosferycznym i w obniżonym potwierdzające skuteczność modyfikacji głowicy.

Badania zostały przeprowadzone po kampanii eksperymentalnej, w której testowano pokrycie limitera litem, a więc za argument potwierdzający ich skuteczność może być również uznane wykrycie litu w powierzchniowej warstwie urządzenia. Co więcej, możliwym okazało się wyznaczenie profilu zawartości chemicznej tego pierwiastka na tle molibdenu, z którego wykonany jest limiter FTU, będący obiektem badania. Profil ten jest przedstawiony na rysunku nr 4.

Rys. 4. Profil zawartości chemicznej litu na tle molibdenu stanowiącego materiał konstrukcyjny limitera FTU.

Poza litem w limiterze wykryte zostały również popularne zanieczyszczenia, czyli Fe, Cr, Ti, Ni, Cr, w większości pochodzące ze stali stanowiącej materiał konstrukcyjny komory.

Ostatnim etapem eksperymentu było przeprowadzenie pomiarów dla skalibrowanych próbek zawierających deuter i zainstalowanych wewnątrz komory FTU. Zgodnie z przewidywaniami, udało się uzyskać odpowiednią separację linii odpowiadających wodorowi i deuterowi. Przykładowe widmo przedstawione jest na rysunku nr 5.

Rys. 5. Przykładowe widmo uzyskane dla próbki kalibracyjnej. W lewym górnym rogu dopasowanie linii wodorowej i deuterowej.

Zakończone sukcesem badania w ramach projektu MST2 potwierdziły możliwość zastosowania DP LIBS w reaktorach termojądrowych, tym samym wypełniając swój cel. Dalszy kierunek prac bazujących na wyżej opisanych osiągnięciach został ustalony na spotkaniu, które odbyło się w lutym 2020. Ustalono wtedy, że kolejny krok zostanie podjęty w 2021 i będzie polegać na zainstalowaniu analogicznego system na JET lub WEST, oczywiście przy współpracy z zespołami ENEA i IFPiLM.

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