Másodpercenként egymillió képkocka és nagyenergiájú nátriumnyaláb: magyar kutatók műszerei a fúziós kutatás élvonalában
5 perc olvasásAz MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont fúziós kutatócsoportjai a világ legnagyobb és legbonyolultabb sztellarátoránál, a Wendelstein 7-X-nél két különböző berendezést is építettek és üzemeltetnek. A most véget ért kísérleti időszak eredményeit foglaljuk össze cikkünkben.
A Wendelstein 7-X – vagy röviden W7-X – Európa egyik ambiciózus fúziós kísérlete. A németországi Greifswaldban működő ún. sztellarátor típusú reaktor egy furcsán csavart tóruszban keringeti a több tízmillió fokos hőmérsékletű plazmát.
A reaktor vezérlőtermében másfél évvel ezelőtt maga Angela Merkel indította az első kísérleteket, és a sztellarátorban zajló eseményekről az MTA Wigner FK-ban fejlesztett és a Max Planck Plazmafizikai Intézettel közösen üzemeltetett videodiagnosztikai rendszer közvetítette az első képeket. A pár hónapos működést több mint egy évig tartó átépítés követte, melynek feladataiból az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Plazmafizikai Osztályának fúziós kutatócsoportjai jócskán kivették a részüket. Végül a kísérletek 2017 szeptemberében indulhattak újra. Az azóta készült érdekesebb felvételekből az alábbi videó ad összefoglalót.
A mostani három hónapos kísérleti időszakra a magyar fizikusok és mérnökök számos fejlesztéssel és egy új diagnosztikával is készültek, mivel maga a berendezés is nagy átalakuláson ment keresztül. Beépült egy ideiglenes divertor, amely a plazma és a környezet közötti gázcserét szolgálja. Ezzel a W7-X még nagyobb energiájú és még hosszabb plazmakisüléseket tud produkálni. A tavalyi 7,5 másodperces kisülésekhez képest a mostaniak között 30 másodpercesek is voltak, jövőre pedig 100 másodperc a terv. A végleges hűtött divertor beépítése után már 30 perces és nagyobb teljesítményű működés a végcél.
Az MTA Wigner FK Plazmafizikai Osztályának Pellet és Videodiagnosztika Csoportjának tagjai, akik a sztellarátor „szemét”, a kamerarendszert fejlesztették és építették, egy további ultragyors kamerával bővítették a felhozatalt,
amely akár egymillió képkockát is képes készíteni másodpercenként.
Emellett a már meglévő intelligens gyorskamerák is „okosodtak”, új funkciókat kaptak, hogy még részletesebb méréseket tudjanak készíteni a berendezésben végbemenő folyamatokról. E folyamatok észlelése és rögzítése nagyon fontos a berendezés védelme érdekében – annál is inkább, mivel ez a kamerarendszer fő feladata. A különleges kameranézeteknek és egyedi feldolgozási megoldásoknak köszönhetően a rendszer az egész sztellarátor belsejét monitorozza, így – a kísérleti mérések elvégzése mellett – hosszabb távon képes ellátni a biztonsági feladatokat is.
Az előző kísérleti időszakhoz képest a rendszer most kb. 2,5-szer több adatot gyűjtött, ami nagyjából 10 TB-nyi képet és videót jelent. Ez azonban még messze van attól, amikor a kameráknak fél óráig kell majd egyhuzamban működniük: akkor ugyanis egy kamera önmagában is képes lesz 1,6 TB adatot generálni.
A továbbfejlesztett berendezésben most először voltak úgynevezett pelletek, vagyis apró, néhány Kelvin hőmérsékletű hidrogénjég-darabok. Ezekkel táplálják majd a plazmát egy későbbi fúziós erőműben.
A W7-X-en a néhány 100 m/s sebességgel repülő pelleteket elsőként a magyar kamerákkal sikerült megfigyelni.
A rendszert a magyar kutatók és mérnökök több lépésben szállították ki és szerelték össze. A helyszíni összeszerelés után a rendszer folyamatosan tesztelés és fejlesztés alatt állt, egészen a legelső kísérletekig. A fejlesztés természetesen ezután sem állt le, ugyanis a vezérlő és adatfeldolgozó szoftverek funkcionalitását folyamatosan a mindenkori kísérletekhez igazítják.
A másik magyar berendezést, az alkáliatomnyaláb-diagnosztikát, az MTA Wigner FK Nyalábemissziós Spektroszkópia Csoportja fejlesztette és szállította tavasszal a W7-X-hez, hogy aztán a nyár elején a helyszínen először összerakják, majd felszereljék a sztellarátorra. A berendezés egy nagyenergiájú nátriumnyalábot lő a plazmába. A nyalábot alkotó atomok a plazma elektronjaival való ütközés során gerjesztődnek, és fényt bocsátanak ki – ennek mérésével a plazma sűrűsége és a benne lévő örvények tulajdonságai számíthatók ki. A fény méréséhez egy nagy érzékenységű optikai és detektorrendszert fejlesztettek ki.
Az azóta eltelt időben a fizikusok és mérnökök folyamatosan dolgoztak a helyszínen, hogy még a tervezett idő előtt, ebben a kísérleti időszakban sikerüljön belőni az első nyalábot a plazmába. Az alábbi képen, bal oldalon látható egy nyaláb a laborban, jobb oldalon pedig már a plazmában lencsevégre kapott nyaláb látható.
Természetesen a plazmában nem lesz fekete-fehér a nyaláb, de a fúziós kutatásokban interferenciaszűrővel felszerelt monokróm kamerákat használnak, hogy a zavaró háttérfényeket kiszűrjék, míg a laborban lehetőség van fényképezőgéppel is megörökíteni számos jelenséget.
A Wendelstein 7-X további fejlesztések miatt fél évre most újra leáll, hogy aztán a nyáron induló új kampányban akár 100 másodperc hosszú plazmakisüléseket produkáljon. A magyar csapat addig sem tétlenkedik, hiszen a video- és az atomnyaláb-diagnosztikát is fel kell készíteni az újabb kihívásokra.
Szabolics Tamás, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont
