Kriog´ en pelletek

Hidrog´en izot´op jeget a legegyszer˝ubben ´ugy k´esz´ıthet¨unk, hogy vesz¨unk egy 1-100mm

´atm´er˝oj˝u f´em cs¨ovet aminek a k´ıv´ant hossz´at foly´ekony h´eliummal kb. 10K^◦ leh˝utj¨uk, ezut´an hidrog´en g´azt ereszt¨unk a cs˝obe, mely a cs˝o fal´ara fagyva egy szil´ard dug´ot fog k´epezni (9.1 ´abra). Ha a cs˝o fal´at egy kicsit felmeleg´ıtj¨uk, akkor ez a dug´o lev´alik ´es egy g´azimpulzussal l´egpuskaszer˝uen a plazm´aba l˝ohet˝o. L´enyeg´eben ´ıgy m˝uk¨odtek a plazmafizikai c´elra haszn´alt els˝o kriog´en pellet injektorok.

Mivel a jelenleg m˝uk¨od˝o plazmafizikai berendez´esekhez viszonylag nagy frekvenci´aj´u (10-100Hz) ´es legal´abb 100 pelletet biztos´ıt´o pelletbel¨ov˝ore van sz¨uks´eg, ez´ert a 80-as

´

evekben k´et ´uj berendez´es fajt´at fejlesztettek ki: a centrifuga ´es a blower gun alap´u pelletbel¨ov˝oket. Ezt a k´et t´ıpust az ASDEX Upgrade tokamakon haszn´alt berendez´esek seg´ıts´eg´evel mutatjuk be ([Adelfinger,1993],[Lang,2007]) .

A centrifuga pelletbel¨ov˝ot a 90-es ´evekben ´all´ıtott´ak ¨uzembe, majd t¨obbsz¨ori to-v´abbfejleszt´es ut´an a rendszer maximum 120 pellet bel¨ov´es´ere alkalmas maximum 80

1. 2. 3. 4.

9.1. ´abra. A legegyszer˝ubb kriog´en pellet bel¨ov˝o m˝uk¨od´esi elve.

Hz ism´etl´esi frekvenci´aval. A centrifuga m˝uk¨od´es´et a9.2 ´abra szeml´elteti. Hasonl´oan a legegyszer˝ubb pellet bel¨ov˝oh¨oz a hidrog´en- vagy deut´eriumjeget a extr´ud´al´o krioszt´at (1)

´

all´ıtja el˝o: egy dugatty´u hengeres fal´at foly´ekony h´eliummal kb. 5 K h˝om´ers´ekletre h˝ u-tik, mit˝ol a beengedett hidrog´en izot´op g´az a henger fal´ara kondenz´al´odik. Az ´ıgy kapott kondenz´atumot a dugatty´u a henger alj´ara pr´eseli, majd valamivel magasabb h˝om´ers´ ek-leten (deut´eriumn´al kb. 13 K) ´es 300-400 bar nyom´assal a pr´esf´uv´ok´an (2) kereszt¨ul a t´arol´o krioszt´atba (3) nyomja. ´Igy egy j´egr´ud (6) keletkezik, amelynek keresztmetszet´et a pr´esf´uv´oka ny´ıl´asa hat´arozza meg. A jelenlegi rendszerben h´aromf´ele pr´esf´uv´oka k¨ o-z¨ul lehet v´alasztani: 1,4, 1,65 vagy 1,9 mm oldalhossz´us´ag´u n´egyzet keresztmetszettel.

A t´arol´o krioszt´at szint´en nagyon alacsony h˝om´ers´eklet˝u, feladata, hogy az elk´esz´ıtett j´egrudat ´eps´egben meg˝orizze a felhaszn´al´asig (ami ak´ar t¨obb 10 perc is lehet). A pelle-teket a j´egr´udb´ol szeletel´essel ´all´ıtj´ak el˝o: egy tol´okar (4) el˝oretolja a j´egrudat a k´ıv´ant pellethossz´us´ag el´er´es´eig, majd a v´ag´okar (5) lev´agja a r´ud v´eg´et ´es a lev´agott darabot a centrifuga k¨ozep´ere l¨oki, ahol egy kis bels˝o kar a pozicion´al´o hengerig (7) gyors´ıtja.

A pozicion´al´o henger nem forog a centrifug´aval egy¨utt, c´elja, hogy a gyors´ıt´as ut´an a pelletek mindig ugyanazon a helyen hagyj´ak el a centrifug´at (10). A pozicion´al´o henge-ren csak egy kb. 60-nyi r´es tal´alhat´o, amelyen kereszt¨ul a pellet csak akkor tud t´avozni, amikor a k¨uls˝o gyors´ıt´okar (9) oda´er.

A centrifug´aval kezdetben a LFS (k¨or¨ulbel¨ul a plazma k¨oz´epvonal´an) fel˝ol l˝ott´ek be a pelleteket, azonban felfedezt´ek, hogy a HFS fel˝ol bel˝ott pelletek sokkal effekt´ıvebben p´otoljak a plazma ¨uzemanyag´at (l´asd a k´es˝obbi fejezeteket) ez´ert az´ota a HFS fel˝ol lehet a pelleteket a plazm´aba juttatni. Annak ´erdek´eben, hogy az 1 km/s sebess´eg˝u pelletek is ´eps´egben el´erj´ek a k´ıv´ant bel¨ov´esi poz´ıci´ot, a pelleteket nem a t´orusz fel´e, hanem ´epp az ellenkez˝o ir´anyban ind´ıtj´ak, ´es egy optimaliz´alt, elliptikus rep¨ul´esi cs˝o (’pellet hurok’) ir´any´ıtja ˝oket a megfelel˝o helyre (9.3 ´abra). A pellet minim´alis g¨orb¨ulet´et az hat´arozta meg, hogy az 1000m/s m´eret˝u pelletek se fragment´al´odjanak ´es a cs˝obeli rep¨ul´es k¨ozben bek¨ovetkez˝o anyagvesztes´eg se legyen jelent˝os.

Hi´aba optimaliz´alt´ak a pellet furkot, itt is fell´epnek vesztes´egek. A pellet t¨omeg´enek egy r´esze - a Leidenfrost effektus ellen´ere - elp´arolog a szoba h˝om´ers´eklet˝u, 17m hoss´u

9.2. ´abra. A centrifuga pelletbel¨ov˝o sematikus rajza. Jel¨ol´esek: extr´ud´al´o krioszt´at (1), pr´esf´uv´ok´ak (2), t´arol´o krioszt´at (3), tol´okar (4), v´ag´okar (5) ¨uzemanyagr´ud (6), pozicion´al´o henger (7), gyors´ıt´asi ter¨ulet (8), k¨uls˝o gyors´ıt´okar (9), pellet kimenet (10).

rep¨ul´esi cs˝oben. Az anyagvesztes´eg m´ert´eke a pellet sebess´eg´et˝ol is f¨ugg, a gyorsabb pelletek nagyobb vesztes´eget szenvednek el.

A Blower-gun pelletbel¨ov˝ot arra fejlesztett´ek ki, hogy viszonylag lass´u (< 300 m/s)

´

es kism´eret˝u pelletek el˝o´all´ıt´as´ara legyen alkalmas, nagy pelletbel¨ov´esi gyakoris´ag (max.

143 Hz) mellett. Itt a pelletet egy r¨ovid g´azimpulzussal gyors´ıtj´ak, de a l´egpuska-elvvel szemben a pellet jelent˝osen kisebb ´atm´er˝oj˝u, mint a cs˝o, amiben a gyors´ıt´as zajlik. Emi-att a g´azimpulzus nem maga el˝ott tolja, hanem viszkozit´as´an´al fogva mag´aval ragadja, elf´ujja a pelletet innen a Blower-gun elnevez´es.

A hidrog´en izot´op j´eg a Blower-gunban hasonl´oan k´esz¨ul, mint a centrifug´aban. Hogy megdupl´azzuk a pellet bel¨ov´es frekvenci´aj´at k´et gyors´ıt´o cs¨ovet is alkalmaztak (9.4´abra).

A Blower-gunban a tol´okar a j´egr´ud v´eg´et a k´et furattal rendelkez˝o, apr´o v´ag´oegys´eg egyik furat´aba tolja. A v´ag´oegys´eget oldalra elmozd´ıtva egyr´eszt egy a v´ag´oegys´eg vastags´ a-g´aval megegyez˝o pellet darabot lev´agnak, m´asr´eszt a gyors´ıt´o cs˝obe mozgatnak. Ekkor

9.3. ´abra. HFS pellet bel¨ov´esi geometria: a pellet hurok az ASDEX Upgrade tokamakon.

a m´asodik furat ker¨ul a t´arol´o krioszt´athoz. Mialatt az els˝o pelletet be´araml´o hajt´og´az a gyors´ıt´ocs˝obe f´ujja a m´asodik furatot is megt¨oltj¨uk a j´egr´uddal. Ezut´an a v´ag´oegys´eget visszamozgatva a m´asodik pellet a m´asodik gyors´ıt´o cs˝obe ker¨ul. Az egyidej˝u kil¨ov´essel

´es bet¨olt´essel id˝o sp´orolhat´o meg, ez´altal a bel¨ov˝o ism´etl´esi frekvenci´aja a 140 Hz-et is

el-´

eri. A k´et kil¨ov˝ooldal gyors´ıt´ocs¨ovei egy k¨oz¨os rep¨ul´esi cs˝oben egyes¨ulnek. A gyors´ıt´og´az a jelenlegi k´ıs´erletekben h´elium vagy deut´erium.

A g´azgyors´ıt´asnak k´et f˝o h´atr´anya van. Egyr´eszt a gyors´ıt´og´az a kis t´erfogatot k´ epvi-sel˝o rep¨ul´esi cs˝obe jutva megsz¨unteti a v´akuumot, ezzel lerontja a rendszer h˝oszigetel´es´et, ami a pelletek szublim´aci´oj´ahoz azaz t¨omegvesztes´eghez vezet. M´asr´eszt a gyors´ıt´og´az -a pellettel egy¨utt rep¨ulve - nemk´ıv´anatos (szennyez˝o) g´azbeereszt´est a tokamakba. En-nek cs¨okkent´es´ere szolg´al a t´agul´asi tart´aly, amelyben a rep¨ul´esi cs˝o egy r¨ovid t´avon (kb. 1 cm) megszakad. Ezen a t´avols´agon a pellet szabadon rep¨ul, majd a rep¨ul´esi cs˝o t´uloldal´an elhelyezett t¨olcs´eren kereszt¨ul ism´et egy cs˝oben folytatja az ´utj´at. A nagy-nyom´as´u gyors´ıt´og´az jelent˝os r´esze azonban sz´etterjed a t´agul´asi tart´alyban, ahonnan a v´akuumszivatty´uk elsz´ıvj´ak.

9.4. ´abra. HFS pellet bel¨ov´esi geometria: a pellet hurok az ASDEX Upgrade tokamakon.

Erdemes megeml´ıteni, hogy l´´ eteznek olyan extr´uderek is amelyek folyamatosan k´ epe-sek a hidrog´en izot´op j´egrudat el˝o´all´ıtani. A folytonos extr´uderek m˝uk¨od´esi elve nagyon hasonlatos a dugatty´us t´arsaik´ehoz: ezekn´el is egy hengert h˝ut¨unk le csak a dugatty´u helyett egy csavar fogja a henger fal´ara kifagyott jeget a pr´esf´uv´ok´an kinyomni. Ilyen csavar extr´uder kb. 100mm j´egrudat tud k´esz´ıteni 1s alatt.