Japánban megnyílt a világ legnagyobb fúziós reaktora, amelyben magyar kamera figyeli a plazmát
Hivatalosan is megnyitották pénteken a világ legnagyobb tokamak típusú kísérleti fúziós reaktorát. A Tokiótól másfél órányi autóútra északra található JT-60SA reaktor egy japán-európai együttműködés keretében épült meg, és az elmúlt hetekben már elő is állították benne az első plazmákat, amiket egy speciálisan fúziós kísérletekhez tervezett magyar kamera figyelt meg.
A japán reaktor nagyjából akkora, mint az oxfordi Joint European Torus (JET), amely 40 év után éppen idén fejezi be működését, de lényeges különbség közöttük, hogy a japán berendezés szupravezető tekercsekkel rendelkezik. Dunai Dániel, a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumának tudományos főmunkatársa a Qubitnek elmondta, hogy mivel „a szupravezető tekercsek folytonosan fenntartják a mágneses teret, a kísérlet egyik legfontosabb újdonsága az lesz, hogy a hosszú működési módokat lehet tesztelni, méghozzá remélhetőleg valamennyivel nagyobb fűtési teljesítménnyel, mint amit a JET tudott”. A szakember szerint a december 1-én hivatalosan is megnyitott JT-60SA tokamak kísérleti reaktortól a következő évtizedben sok fontos fizikai eredményt várhatunk.
Ennek Dunai szerint különösen amiatt van jelentősége, hogy a Franciaországban épülő Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor (ITER) indulása várhatóan a 2030-as évek elejére csúszik. A japán kísérleti reaktorban 40 százalékos az európai hozzájárulás, vagyis lényegében ez egy európai berendezés is, ami biztosítja majd a JET tokamak leállásával a nagy kísérleteken végzett európai fúziós kutatások folytonosságát. Dunai azt állítja, az ITER-nek most az a célkitűzése, hogy a teljes fúziós teljesítményű működés kezdete a lehető legkevesebbet csússzon.
A franciaországi kísérleti reaktor indításának nemcsak a dátumát tologatják, hanem változik a műszaki tartalma és a teljes kísérleti programot is átszervezik. Ezzel a kiindulási berendezés sokkal teljesebb lesz, mint ahogy az az eredeti tervekben szerepelt. Ebbe már beépítik azt a pelletbelövő rendszert is, amely a plazmadiszrupció káros hatásaitól védi majd a berendezést, és amelyen magyar szakemberek is dolgoznak – ahogy azt korábbi cikkünkben bemutattuk. Ezért Dunaiéknak nemhogy kevesebb dolguk nem lesz az ITER csúszása miatt, hanem valamivel több is lesz, mert „egy teljesebb ITER-rel próbálnak indulni”.
A legújabb elképzelés szerint a teljes teljesítményű üzemmódot, ahol a fúziós hőteljesítmény eléri az 500 MW-ot, egy rövid, de intenzív mérési kampányban előre hozzák – az ITER ebben a fázisban az élettartama során rendelkezésre álló neutronbüdzsé 1 százalékát használná el. Ez azért fontos, mert a reaktor elemei így nem aktiválódnak fel annyira, vagyis a kampány után még meg lehet ejteni egy jelentősebb átépítést.
Dunai szerint sem az ITER, sem a JT-60SA indítását nem úgy kell elképzelni, hogy „rögtön full gázzal teperünk az autópályán”, hanem inkább egy lassú bejáratásról van szó, ahol a berendezést időnként leállítják fejlesztés céljából. Az ITER például csak az első mérési kampány után kapja meg a teljes fűtési rendszerét, a vízhűtésű első falat és rengeteg mérőrendszert.
Hogyan született meg a JT-60SA?
Egy időben mindenki azt szerette volna, ha nála épül meg az ITER, és amikor végül a verseny Európára és Japánra szűkült, egyik fél sem akart engedni. Miután a projekt Franciaországba került, a konfliktust csak úgy lehetett feloldani, ha Japánt kompenzálják, és japán-európai együttműködésben felépítenek ott egy ITER-nél kisebb tokamak reaktort (ez a JT-60SA), egy fúziós kutatásokra használt szuperszámítógépet, valamint egy nagy energiás részecskenyaláb kísérletet, amivel plazma-fal kölcsönhatásokat lehet tesztelni – mondta a Qubitnek Szepesi Tamás, a Fúziós Plazmafizika Laboratórium tudományos főmunkatársa.
A japán-európai együttműködést a fizikai távolság, az időeltolódás és a nyelvi akadályok is nehezítik, mondta Szepesi, de az ITER-ért felelős európai Fusion for Energy szervezet ezt szerinte ügyesen kezelte azzal, hogy Európában és Japánban is van egy „home team”, akik az ottani munkát koordinálják és egymással is kapcsolatot tartanak. Emellett létrehoztak egy online dokumentumszervert is, ahol a tervezési rajzoktól a megbeszélési jegyzetekig minden elérhető – ez annyira hatékonyan működött, hogy az EU nemzeti fúziós kutatási intézeteit egyesítő EUROfusion is átvette az ötletet. Míg a Fusion for Energy nagyrészt a JT-60SA építésével volt megbízva, a EUROfusion inkább a fizikai programot koordinálja.
A JT-60SA olyan tartományokban működik majd, amilyenekben az ITER nem, így olyan plazmasűrűség- és plazmahőmérséklet-kombinációkat is ki lehet majd próbálni benne, ami nem célja a nagyobb berendezésnek. Ezért a JT-60SA-t „szatellit tokamaknak” is nevezik, mondta Szepesi. A JT-60SA egy korábbi japán fúziós kísérlet, a JT-60U utódjának is tekinthető, de mint a szakember elmagyarázta, egy teljesen új berendezésről van szó, amihez a korábbiból néhány alkatrészt felhasználtak. „Amiatt, hogy ott volt korábban is egy tokamak, a japánoknál van egy nagyobb létszámú fúziós csoport, ami képes volt egyáltalán arra, hogy egy ilyen létesítményt befogadjon, és aztán tudják üzemeltetni” – mondta.
A kísérleti reaktor vákuumkamrájának (kriosztát) egyes részei, az elektromágneses tekercsek nagyjából fele, a kriogén hűtőrendszer és néhány tápegység is Európából érkezett, de ezeken túl rengeteg tervezőmérnöki munka is van a JT-60SA-ban európai oldalról, mondta Szepesi. Minél precízebben sikerül megépíteni egy ilyen berendezést, azon belül is az elektromágneseket, annál jobb eredményt lehet vele elérni, mivel minden hiba a plazmaösszetartás kárára megy. Ha nagy a pontosság, a „berendezésben kialakuló mágneses tér tényleg olyan lesz, mint amit papíron kiszámolunk” – mondta Szepesi. Ez a fizikus szerint maradéktalanul sikerült a japán szakembereknek, akik tizedmilliméteres pontosságú szupravezető tekercseket állítottak össze, ami korábban elképzelhetetlen volt.
Kisebb mint az ITER, de hosszú plazmaüzemre képes
A JT-60SA tokamakja 15 méter magas, ami fele az ITER-ének, plazmatérfogata pedig 135 köbméter, ami az európai berendezés hatoda. Más szempontokból viszont már jobban hasonlítanak: a JT-60SA-nak vannak olyan plazmaalakot formáló tekercsei, amelyekkel az ITER plazmájához hasonló formát lehet megvalósítani. Emellett el tud érni az ITER-hez hasonló sűrűség- és hőmérséklet-tartományt is. Ezek a jellemzők a plazmában zajló transzportfolyamatokat befolyásolják, és Szepesi szerint az ITER szempontjából nagyon fontos, hogy erről információt nyerjenek.
Az eddigi kísérletekhez képest a JT-60SA kifejezetten nagy fűtési teljesítménnyel is rendelkezik. Az úgynevezett semleges atomnyaláb fűtés 35 megawattra képes, de ezt a jelenlegi, kezdeti kampányban még nem használják – a plazmát most egy 2 megawattos mikrohullámú fűtés állítja elő, ami a fizikus szerint az elektronok gerjesztése révén fűti fel a plazmát, és lényegében egy mikrohullámú sütőhöz hasonlóan működik. A JT-60SA fűtési teljesítménye a jövőben összességében 41 megawattot ér majd el, a mikrohullámú fűtés fejlesztésével.
A JT-60SA kipróbálja majd a hosszú plazmaüzemet, ahol a cél a száz másodpercig létező plazma létrehozása. A tokamakban a plazmaösszetartást a külső mágneses tér és a plazmában hajtott áram által létrehozott mágneses tér közösen eredményezi, magyarázta a szakember. Ehhez a plazmaáramnak stabilan egy irányba kell folynia, és az értéke sem változhat – csakhogy a plazmaáramot transzformátor elven állítják elő, ami váltóárammal megy. Ezt úgy küszöbölik ki, hogy a váltóáramnak csak egy felfutását használják, aztán leállnak, mielőtt megfordulna az áramirány a plazmában is.
Ez erőművi szempontból nem túl jó Szepesi szerint, ezért „kitalálták, hogy más módon, különböző speciális fűtésekkel lehet a plazmában áramot hajtani, ha már egyszer létrehoztuk” – mondta. Ezeket nem induktív áramhajtásnak hívják, ami különböző hőmérsékleti gradiensek létrehozásával segít áramot létrehozni. A JT-60SA most először teszteli ezeket ilyen nagy méretű berendezésben, ami a szakemberek reményei szerint lehetővé teszi majd, hogy 100 másodpercig létezzen a plazma. „Ha sikerül igazolni a kísérletekkel ezeket a számolásokat, elméleteket, akkor ez a folyamatos tokamak-üzemeltetés szempontjából nagyon nagy jelentőségű, és bizonyítja, hogy erőműként is lehet működtetni folyamatosan” – mondta.
Magyar kamera figyeli a plazmát
A magyar szakembereknek eleve fúziós kísérletekhez tervezett EDICAM kamerarendszere már 2015 óta működik a németországi Wendelstein 7-X kísérleten. A sztellarátor típusú fúziós kísérleten 10 darab magyar kamera üzemel, amivel a teljes belső fal belátható. A videódiagnosztikai feladatokat ellátó EDICAM egy átlagos kamerához hasonlóan látható fényt érzékel, amivel feltárja, hogy mi történik a plazmában, vagy a plazmával és a berendezés falával, és emiatt „már az első működési naptól kezdve van érdemi jelentősége” – mondta Szepesi. A japán berendezés épüléséről 2015-ben hallottak Dunaival, és utána még abban az évben csatlakozni is tudtak a kezdeményezéshez, mert biztosak voltak benne, hogy az „jövőbe mutató lesz”.
A JT-60SA belsejében zajló folyamatokat öt, azt teljesen lefedő kamera segítségével figyelik a szakemberek, ezek közül az egyik a magyar EDICAM, míg kettő még az előző kísérletből maradt, egyszerű japán CCD-s kamera. A JT-60SA kezdeti néhány hetes kampánya Szepesi szerint már igazolta, hogy a videódiagnosztika elengedhetetlen a berendezés működtetéséhez, hiszen tökéletesen jelzi, hogy mikor nem sikerült plazmát kelteni. „Mindenki csodálkozott rajta, hogy [az EDICAM] mennyivel jobb képet ad, mint az ő kamerájuk” – mondta az EDICAM projektet vezető szakember, ami miatt már van is érdeklődés a japánok részéről újabb magyar kamerarendszerek iránt.
Szepesi, aki november végén is Japánban dolgozik, szinte az egész októbert az országban töltötte az EDICAM fő tervezőmérnökével, Kovácsik Ákossal, Kocsis Gábor fizikussal, Szabolics Tamás szoftvermérnökkel, valamint Buzás Attila és Réfy Dániel fizikusokkal, míg Cseh Gábor fizikus otthonról támogatta kollégáinak munkáját, a kameranézet térbeli kalibrációjának elkészítésével. A japánok két műszakban mérnek, heti négy nap, amit Szepesi szerint nem lehet magyar részről egy-két emberrel támogatni, így egy nagyobb csapatnak, legalább három embernek kint kell lennie.
A másodpercenként 200 felvételt készítő magyar műszer összehasonlíthatatlanul magasabb minőséget ad az egyszerű CCD-s kamerákhoz képest, még úgy is, hogy a szenzora mindössze 1,3 megapixeles felbontású, azaz jóval elmarad az okostelefonokban vagy fényképezőgépekben megszokottól. A fizikus szerint ennek ellenére az optika, amit elé terveztek, teljes mértékben ki tudja használni ezt a felbontást, és telefonokkal ellentétben nem kell számolni zajcsökkentő szoftverrel sem, ami elkenhetné a pixeleket.
A három nagy kihívás: a mágneses tér, a sugárzás és a hő
De miben különbözik még az EDICAM egy átlagos kamerától? Az ilyen kameráknak ellenállónak kell lenniük az erős mágneses térrel szemben, ami a fúziós berendezések működése során elérheti az 1-3 teslát is. Mint Szepesi elmondta, erre a legtöbb kamera nem képes, mert mindig van bennük egy-két olyan alkatrész, ami erős mágneses térben kikapcsol, vagy rosszul működik. Ezért az egészet úgy tervezték, hogy a képeket készítő szenzoron kívül a lehető legkevesebb elektronikai alkatrész legyen a fejegységben, és a kép egy optikai kapcsolaton jusson ki egy adatgyűjtő kártyába, ami egyben a kameravezérlést is végzi.
Arra is gondolni kellett, hogy emiatt hűtőventillátorokat sem lehet alkalmazni, így az alkatrészek túlmelegedését sűrített levegő befújásával és 3D nyomtatott légterelőkkel oldják meg. Az EDICAM képes a beérkező képadatok valós idejű elemzésére is, még mielőtt azok a számítógépbe jutnának. Így a kamera a szakember által előre megadott módon képes reagálni a képen megjelenő eseményekre, és meg tudja változtatni a működését, ha például a kép egy adott területét nagyobb sebességgel kell rögzíteni.
Ezek a módosítások a mágneses tér hatásainak minimalizálása mellett egyben a sugárzásállóbbá is teszik a kamerát, ami miatt a kameraszenzor pixeleit eltaláló röntgensugárzás sokkal kevésbé zavarja a megfigyeléseket, mint egy normál CCD kamera esetén. Ennek ellenére a sugárzás az EDICAM-on is megjelenik, amit ki is lehet használni, és a kép kevésbé fontos részeinek elemzésével „tulajdonképpen röntgensugárzás-érzékelőként tudunk működni” – mondta a fizikus. Erre a lehetőségre Réfy Dániel jött rá, és meg is valósította azt egy algoritmus segítségével.
A magyar szakembereknek nem csak szimplán egy kamerát kellett leszállítaniuk, hanem mellé egy egész „bemerülő csőnek” nevezett szerkezetet, amivel a műszer beszerelhető a tokamakba. Egy szupravezető tokamakban van egy alap vákuumkamra, amiben található a plazma (ez a plazmakamra), majd a körülötte található mágnesek egy másik vákuumkamrában helyezkednek el, a kriosztátban. Ahhoz, hogy meg tudják figyelni a plazmát, egy ezen a kriosztáton áthaladó, háromméteres vákuumcsőre volt szükségük.
Ennek az optikai rendszert tartalmazó részében található két lencsecsoport, valamint közte egy prizma, ami lehetővé teszi, hogy a kamera 40 fokkal oldalra nézzen, és nagy látószögben tudja megfigyelni a plazmát, úgy, hogy közben 3-8 méteres tartományon belül éles képet ad. Az optikát emellett úgy tervezték, hogy ha kell, a lencséket ki lehessen cserélni sugárzásálló üvegekből készültekre. „Ez még egyelőre nem szükséges, mert nincsen nagy teljesítmény” – mondta Szepesi, de idővel a sugárzástól bebarnulhatnak az üvegek, ami miatt egyre nehezebb a szenzornak átlátni rajta. Az optikát egy, a budai KFKI telephelyen működő, optikai rendszerekre specializálódott technológiai cég, az OMI-Optika munkatársai tervezték.
A kamera a plazma miatt nemcsak a mágneses térnek és a radioaktivitásnak, hanem rendkívüli hőterhelésnek is ki van téve, így nem nézhet bele közvetlenül. Hogy ezt megoldják, a cső végén egy rozsdamentes acélból készült, vízzel hűtött hővédőpajzs található, amin keresztül csak egy öt milliméteres lyukon tud kilátni. Ez a lyuk lényegében egy kamera objektív íriszeként funkcionál, és része az optikai rendszernek, ami nélkül az nem is tudna jól működni. Az acél hővédőpajzs és az optikai rendszer közé szűrőket is lehet illeszteni, ha valamiért a szakemberek például csak a hidrogénnek vagy a héliumnak a karakterisztikus sugárzását szeretnék rögzíteni.
Az első plazmák után hosszabb leállás jön
Az EDICAM most főleg berendezésvédelmi funkciókat lát el, és segít az operátoroknak a tokamak működtetésében. Szepesi szerint a későbbiekben fizikai vizsgálatokra is lehet majd használni, már egyszerűen azzal, hogy meg lehet nézni, jó helyen érintkezik-e a divertor elemek felületével a plazma, amit össze lehet hasonlítani az elméleti modellekkel és számításokkal. Emellett a másodpercenként 200 képet rögzíteni képes kamera még ennél is gyorsabb jelenségek kimutatására is használható, mert egy kis területet akár 10-50-szer gyorsabban ki tudnak olvasni.
Az első működési kampány még december elejéig folytatódik, ami alatt Szepesi szerint megpróbálják a maximumot kihozni a jelenlegi rendszerekből. Ezután egy hosszabb leállás jön, majd 2026 körül indul újra a kísérlet, megnövelt fűtési teljesítménnyel. A leállást a magyar szakemberek is kihasználják majd, hogy korszerűbbre cseréljék az EDICAM adatgyűjtő kártyáját, amivel nagyobb adatátviteli sebességet érnek majd el.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
