Az ELM

ujrakapcsol´od´asa.

7.2. ´abra. Filamentumok a MAST tokamakban.

7.4. Az ELM

A mai f´uzi´os berendez´esek egyik legfontosabb instabilit´asa az ´un. Edge Localised Mode, a plazmasz´eli m´odus, r¨oviden ELM. Egy ´altal´anosan elfogadott szerint az ELM-eket csatolt peeling-ballooning m´odusok okozz´ak, l´etrehozva egy z´art ter¨uletet a plazmasz´eli ´aram (J_ped) - plazmasz´eli nyom´asgradiens (p^′_ped) ´abr´an, amelyben a plazma stabil ´allapotban lehet. A stabil ter¨uletet hat´arolja m´eg ”tiszta” peeling ´es ballooning instabilit´asok vonala is. A stabil z´ona m´erete er˝osen f¨ugg a plazma s˝ur˝us´eg ´es h˝om´ers´eklet profilj´at´ol, de legink´abb a plazma alakj´at´ol.

7.3. ´abra. Peeling-ballooning stabilit´asi z´ona k¨ul¨onb¨oz˝o plazmaalakok eset´en.

Ahogy az ´abr´an is l´athat´o, a peeling m´odusok nagy Jped eset´en instabilak, de a nagy p^′_ped stabiliz´alja ˝oket; ezzel szemben a magas m´odussz´am´u ballooning m´odusok nagy p^′_ped

´

es kis Jped eset´en instabilak; a csatolt peeling-ballooning m´odusok pedig nagy p^′_ped ´es nagy J_ped eset´en v´alnak instabill´a. A plazma jelent˝os elny´ujt´asa vagy h´aromsz¨ogess´ege sz´etcsatolja a peeling ´es ballooning m´odusokat, ez´ert a stabil z´ona kiterjedtebb ilyen plaz-m´ak eset´en. Tipikusan t¨obb m´odus is instabill´a v´alik egyszerre, amelyek m´odussz´ama igen nagy, tipikusan n=3-30. A m´odusok filamentumok sorozat´ab´ol ´allnak, amelyek a plazma z´art fluxusfel¨uletein k´ıv¨ul keletkeznek ´es n˝onek. Jellegzetes ballooning t´ erszerke-zettel rendelkeznek: amplit´ud´ojuk a k¨uls˝o, ”rossz” g¨orb¨uleti oldalon a legnagyobb, m´ıg a t´orusz bels˝o oldal´an nagyon kicsi. Snyder ´es munkat´arsai numerikus szimul´aci´okat v´ e-gezve olyan ELM modellt alkottak, amelyben a peeling-ballooning m´odusok id´ezik el˝o az ELM-et; az ELM m´eret´et, mind energiavesztes´eg, mind radi´alis sz´eless´eg tekintet´eben a legink´abb instabil m´odus kiterjed´ese hat´arozza meg. Vizsg´alataik kimutatt´ak, hogy az ELM-ek le´ır´asa t´ulmutat az instabilit´asok sz´am´ıt´asn´al leggyakrabban haszn´alt line´aris

´

es/vagy ide´alis MHD sz´am´ıt´asokon, ´es mindenk´eppen sz¨uks´eges a probl´ema nemline´ a-ris kezel´ese. Miel˝ott azonban tov´abb haladn´ank az elm´eletben, tekints¨uk az ELM-ekkel kapcsolatos k´ıs´erleti tapasztalatokat.

Az ELM kiz´ar´olag H-m´odban jelentkez˝o, nagyon gyors lefoly´as´u, igen heves instabi-lit´as: ´elettartama n´eh´any 100 µs, ami alatt azonban a plazma teljes energi´aj´anak ak´ar 10%-´at is kil¨okheti (r´eszecsk´ek form´aj´aban) a plazm´ab´ol. A kil¨ok˝od¨ott r´eszecsk´ek

jelen-t˝os r´esze a divertorba ´es a limiterekbe csap´odik, de eltal´alhatnak minden m´as, plazm´ahoz k¨ozeli alkatr´eszt is. Emiatt az ELM-ek vesz´elyesek lehetnek a plazm´ahoz k¨ozel helyezett diagnosztik´akra, szerkezeti elemekre, de ak´ar a legnagyobb h˝oterhel´esekre tervezett di-vertorra is. A kutat´asok eredm´enyei alapj´an jelenleg arra lehet k¨ovetkeztetni, hogy az ELM-ek a nagyobb f´uzi´os berendez´esekben vesz´elyesebbek, ´es a jelenleg ´ep¨ul˝o legna-gyobb f´uzi´os berendez´esben, az ITER-ben ak´ar 10-100 ELM is k´epes lehet t¨onkretenni a divertort. A f´uzi´os er˝om˝uvek pedig v´arhat´oan nagyobbak lesznek, mint az ITER.

Az ELM-ek valamilyen m´odon t¨ort´en˝o szab´alyoz´asa teh´at alapvet˝o fontoss´ag´u a f´uzi´os energiatermel´es megval´os´ıt´as´ahoz, ez´ert az ELM-ek vizsg´alata a f´uzi´os kutat´asok egyik kiemelt t´em´aja.

Az ELM-ekr˝ol el˝osz¨or H. Zohm publik´alt egy ¨osszefoglal´o cikket 1996-ban, ami jelen-leg is az alapj´at k´epezi az ELM-ek jellemz´es´enek. Az al´abbiakban a cikk f˝obb gondolatait k¨ovetj¨uk, kieg´esz´ıtve az ut´obbi m´asf´el ´evtized eredm´enyeivel. Az ELM-ek m´eret¨uket ´es viselked´es¨uket tekintve t¨obb oszt´alyba sorolhat´ok; ezek k¨oz¨ul kett˝o olyan, amely t¨obb berendez´esben is hasonl´o tulajdons´agokat mutat, ez´ert ezeket vizsg´aljuk meg r´ eszlete-sebben.

A III-as t´ıpus´u ELM-ek viszonylag kis energiavesztes´eggel j´ar´o, ´am s˝ur˝un ism´etl˝od˝o instabilit´asok. Alacsonyabb s˝ur˝us´egn´el ´es f˝ut´esi teljes´ıtm´enyn´el jelentkeznek, tipikusan l´enyegesen a nyom´asgradiens ide´alis ballooning hat´ara alatt (p^′_ped ≤ 0,5·p^′_crit). Gyako-ris´aguk a f˝ut´esi teljes´ıtm´eny n¨ovel´es´evel cs¨okken. A m´agneses szond´akon gyakran ´un.

prekurzor oszcill´aci´ok figyelhet˝ok meg, amelyek el˝ore jelzik az ELM megjelen´es´et.

Az I-es t´ıpus´u ELM-ek az eddig tapasztalt legnagyobb ´es emiatt legvesz´elyesebb plaz-masz´eli instabilit´asok. Legf˝obb jellemz˝oj¨uk, hogy bizonyos f˝ut´esi teljes´ıtm´eny f¨ol¨ott je-lennek meg, ´es ism´etl˝od´esi gyakoris´aguk a f˝ut´esi teljes. Az al´abbi ´abr´an l´athatjuk, ahogy a f˝ut´esi teljes´ıtm´eny n¨ovel´es´evel a III-as t´ıpus´u ELM-ek elt˝unnek, majd megjelennek az I-es t´ıpus´uak.

Az I-es t´ıpus´u ELM-ek a divertor sug´arz´as´aban k¨ul¨on´all´o, ´eles, nagy amplit´ud´oj´u cs´ucsokk´ent jelentkeznek, a m´agneses m´er´esekben (Mirnov-szond´ak ´es m´as tekercsek) szint´en nagy amplit´ud´oj´u, igen r¨ovid ´elettartam´u (ak´ar csak 1-2 hull´amhossznyi) osz-cill´aci´okat okoznak, amelyek spektruma ez´altal nehezen meghat´arozhat´o, ´es ink´abb sz´ e-less´av´u tranziens zaj, mint Fourier-sorba fejthet˝o stacion´arius hull´amz´as. M´eret¨uket a plazma energiatartalm´anak cs¨okken´ese jellemzi: a kil¨ok˝od¨ott energia mennyis´ege ak´ar 1 MJ is lehet (JET tokamak), ami 1 Hz-es gyakoris´aggal ism´etl˝odve 1 MW-os folyamatos energiavesztes´eget jelent. Azonban ha figyelembe vessz¨uk az instabilit´as ms-os ´ elettar-tam´at, akkor m´ar 1 GW-os cs´ucsteljes´ıtm´enyr˝ol besz´el¨unk. A probl´em´at tov´abb s´ ulyos-b´ıtja, hogy a divertor fel¨ulete 10 m² nagys´agrend˝u, teh´at ez 100 MW/m² pillanatnyi fel¨uleti h˝oterhel´est jelent. Szerencs´ere a kil¨ok˝od¨ott r´eszecsk´ek nem t¨ok´eletesen egyszerre

´

erkeznek be a divertorba, az impulzus kiss´e sz´etken˝odik, ezzel egy ´ujabb nagys´agrendet nyerhet¨unk. A sz´am´ıt´asok szerint azonban m´eg a 10 MW/m² is t´ul sok lenne, ´es n´ e-h´any plazmakis¨ul´es alatt t¨onkremenne az ITER divertora, ez´ert mindenk´eppen sz¨uks´eg lesz az ELM-ek hat´asait cs¨okkent˝o megold´asokra. Napjainkig azonban makacsul tartja

7.4. ´abra. ELM-es viselked´es az ASDEX tokamakon.

mag´at az az ´all´aspont, miszerint az ELM-ekre nagy sz¨uks´eg van H-m´odban, mert ez a repetit´ıv instabilit´as k´epes megakad´alyozni a szennyez˝ok felhalmoz´od´as´at, ez´altal pedig meg´ovja a plazm´at a sug´arz´asos ¨osszeoml´ast´ol. Sok´aig ´ugy t˝unt, hogy nem lehet olyan H-m´od´u plazm´at l´etrehozni, ami ELM-ek n´elk¨ul is stabil lehetne, ez´ert a kutat´asok arra ir´anyultak, hogy az ELM-ek gyakoris´ag´at megn¨ovelj´ek. Ugyanis a megfigyel´esek szerint az ELM-ek sor´an id˝oegys´eg alatt kil¨ok˝od¨ott energia mennyis´ege ´alland´o, azaz a kev´es nagy ELM-et fel lehet bontani sok kis ELM-re, ha siker¨ul valamilyen kev´ess´e invaz´ıv m´odszerrel s˝ur´ıteni az ELM-eket. Az ITER-es sz´am´ıt´asok szerint egy 10x-es gyakoris´ ag-n¨oveked´es elegend˝o lenne. A probl´em´ara sz´amtalan m´odszert dolgoztak ki:

• F¨ugg˝oleges l¨ok´esek/r´az´as. A m´odszer sor´an a plazm´at f¨ugg˝oleges ir´anyban hirtelen elmozd´ıtj´ak, majd eredeti hely´ere visszateszik, vagy pedig valamilyen frekvenci´ a-val f¨ugg˝oleges ir´anyban r´azz´ak. A k´ıs´erletek felem´as eredm´enyt adtak, a JET-en megism´etelhet˝o m´odon m˝uk¨od¨ott a m´odszer, azaz a hirtelen elmozdul´asok ELM-et v´altottak ki, azonban az ASDEX Upgrade-en nem siker¨ult ELM-eket kelteni sem

elmozd´ıt´assal, sem pedig r´az´assal.

• M´as plazma´allapotok keres´ese. Ez az ir´anyzat az I-es t´ıpus´u H-m´od elhagy´as´at jelenti, ´es olyan ¨uzem´allapotok megval´os´ıt´as´ara koncentr´al, amelyeket s˝ur˝u, kis ELM-ek domin´alnak. Ezeket t¨obbnyire II-es t´ıpus´u vagy ”grassy” ELM-eknek ne-vezz¨uk, ´am ezek az ¨uzem´allapotok berendez´esenk´ent igen elt´er˝o m´odon ´erhet˝ok el,

´

es sz´amottev˝oen rontj´ak a plazma teljes´ıtm´eny´et.

• Pelletbel¨ov´es. Kor´abbi megfigyel´esek szerint a plazm´aba l˝ott ¨uzemanyag-ut´anp´otl´asra haszn´alt pelletek k´epesek ELM-et kelteni, m´eghozz´a igen megb´ızhat´oan: k´ıs´erletek sor´an megfigyel´et´ek, hogy ha a pelletbel¨ov´esi gyakoris´ag meghaladja a term´eszetes ELM-gyakoris´ag m´asf´elszeres´et, akkor az ELM-ek be´allnak a pelletbel¨ov´esi gyako-ris´agra. Egy megfelel˝o pelletbel¨ov˝ovel teh´at nagyon pontosan be´all´ıthat´o lenne az ELM-gyakoris´ag. A t´em´at r´eszletesen t´argyaljuk a 9. fejezetben.

Snyder ´es munkat´arsainak elm´elete a k¨ul¨onb¨oz˝o ELM t´ıpusokra is megpr´ob´al ma-gyar´azatot adni. Szerint¨uk az egyes ELM t´ıpusok a fenti stabilit´asi diagram k¨ul¨onb¨oz˝o ter¨uletein lezajl´o ciklusok. A III-assal jel¨olt ciklus alacsony s˝ur˝us´eg ´es f˝ut´esi teljes´ıtm´eny mellett k¨ovetkezik be: a plazmasz´eli ´aram itt j´oval azel˝ott ´atl´epi a peeling stabilit´asi hat´art, miel˝ott a nyom´asgradiens megk¨ozel´ıten´e a ballooning hat´art. Ezek az ELM-ek v´arhat´oan kism´eret˝uek lesznek, egyr´eszt mivel az ˝oket kiv´alt´o peeling instabilit´asok ra-di´alisan igen keskeny kiterjed´es˝uek, a pedeszt´alnak csak egy nagyon kis r´esz´et ´erintik, m´asr´eszt pedig alacsony pedeszt´al h˝om´ers´ekletn´el jelentkeznek. Az ism´etl˝od´esi gyako-ris´ag v´arhat´oan cs¨okkenni fog a f˝ut´esi teljes´ıtm´eny n¨ovel´es´evel, mert ez´altal a nyom´ as-gradiens gyorsabban n˝o ´es stabiliz´alja a peeling m´odust. Ez a modell j´ol r´aillik a III-as t´ıpus´u ELM-ekre (alacsony plazmas˝ur˝us´eg eset´en).

Nagy f˝ut´esi teljes´ıtm´eny ´es alacsony s˝ur˝us´eg eset´en az I-es ciklus val´osul meg, amely nagy ELM-eket eredm´enyez: a viszonylag alacsony m´odussz´am´u peeling-balloning m´ o-dusok radi´alisan kiterjedtebbek, r´aad´asul az ´altaluk okozott plazmasz´eli nyom´as-¨osszeoml´as ut´an a pedeszt´al m´eg az instabil z´on´aban marad eg´eszen addig, m´ıg az ´aramer˝oss´eg sz´ a-mottev˝oen nem cs¨okken. Ebben az esetben az ism´etl˝od´esi gyakoris´ag v´arhat´oan n˝oni fog a f˝ut´esi teljes´ıtm´ennyel, ami a nagym´eret˝u I-es t´ıpus´u ELM-ek modellj´enek felel meg.

A szerz˝ok egy II-essel jel¨olt ciklust is le´ırnak, ami akkor jelentkezik, ha a plazma sz´el´en a nyom´asgradiens hat´ar´an vagyunk, de az ´aramer˝oss´eg nem haladja meg a peeling hat´art.

Ilyen ´allapot k´et esetben v´arhat´o: nagy s˝ur˝us´eg mellett, amikor a nagy ¨utk¨oz´esess´eg alacsony bootstrap-´aramot eredm´enyez (ez a ”kis” I-es t´ıpus´u ELM-ek modellje), vagy valamivel alacsonyabb s˝ur˝us´eg eset´en, ahol az er˝osen form´alt plazma alak vagy a nagy m´agneses ny´ır´as miatt magas a peeling-hat´ar. A II-es t´ıpus´u ELM-ek m´erete kicsinek v´arhat´o, mivel mind az alacsony ´aram mellett instabill´a v´al´o nagy-n ballooning m´odusok, mind a nagy biztons´agi t´enyez˝o mellett instabil k¨ozepes-n m´odusok radi´alisan korl´atozott kiterjed´es˝uek, tov´abb´a az ELM ´altal okozott nyom´asvesztes´eg k¨ozvetlen¨ul a stabil r´egi´oba juttatja vissza a pedeszt´alt.

7.5. ´abra. Az egyes ELM t´ıpusok ism´etl˝od´esi ciklusai stabilit´asi diagramon.

Fontos megjegyezni, hogy az ELM-ek er˝osen nemline´aris jelens´egek, ez´ert nem lehet

˝

oket line´aris k¨ozel´ıt´esben rendesen le´ırni. Nemline´aris szimul´aci´okkal azonban tov´abbi

´

ert´ekes inform´aci´okat kaphatunk az instabilit´asr´ol. Snyder ´es munkat´arsai v´egeztek ilyen szimul´aci´okat, ´es a k´ıs´erleti eredm´enyekkel ¨osszhangban azt tal´alt´ak, hogy az ELM rob-ban´asszer˝uen alakul ki: a nemline´aris f´azis korai szakasz´aban a domin´ans tagok cs¨ okken-tik az er˝ovonalak g¨orb¨ulete miatti stabiliz´al´o hat´ast, ez´altal az instabilit´as n¨oveked´esi

¨uteme folyamatosan gyorsul. Ez azt eredm´enyezi, hogy b´ar a m´odus line´arisan instabil, n¨oveked´ese is line´arisan indul, bizonyos id˝o eltelt´evel azonban robban´asszer˝uen megn˝o.