94
0 5 10 15 20 25
0 20 40 60 80 100
A2's ILA LHCD NBI
n
z(Ni)( 10
14m
-3)
Moc grzania (MW)
Rys. 8.6 Gęstość zanieczyszczeń Ni w funkcji mocy grzania dla różnych systemów grzania plazmy w układzie JET wyznaczona przy zastosowaniu nowej metody opisanej w rozdziale 7.
Na podstawie przeprowadzonych analiz wyników badań zaobserwowano również, że dla takiej samej mocy grzania uwalnianie zanieczyszczeń Ni z anten jest dużo większe w przypadku grzania ICRH w stosunku do grzania NBI i LHCD. Potwierdza to założenie, że anteny do grzania ICRH są źródłem zanieczyszczeń jonami Ni w plazmie w układzie JET.
Jednak trzeba rozpatrzyć jeszcze inne mechanizmy odpowiedzialne za uwalnianie zanieczyszczeń z powierzchni otaczających plazmę. Bardziej szczegółowe analizy zostały przedstawione w kolejnych rozdziałach.
8.2 Wpływ anteny ILA (ITER-like Antenna) do grzania ICRH na
95 położonych części, w celu zapewnienia wysokiej gęstość mocy grzania. Zadaniem przygotowywanego systemu będzie dostarczenie 20 MW mocy dodatkowego grzania przez każdą z anten do plazmy deuterowo-trytowej, w której występują zjawiska ELM. Stosowana będzie druga harmoniczna fali RF, która będzie w rezonansie z oscylacjami jonów trytu w centrum plazmy ([Swain2007]). System ma pracować w zakresie częstości fali 40-55 MHz w czasie wyładowania do 3600 s. Przewiduje się, że odległość anteny od separatrysy będzie wynosiła około 19 cm, jak to wynika z opracowywanej konstrukcji anteny.
Z względu na rozmiary plazmy, możliwość osiągnięcia różnych konfiguracji i reżimów wyładowania w plazmie (mody L i H), występowanie zjawiska ELM oraz stosowanie wielu diagnostyk, tokamak JET stał się idealnym urządzeniem do testowania nowych rozwiązań aparaturowych dla przyszłych dużych tokamaków. W 2001 roku rozpoczęto realizację projektu, którego celem było zaprojektowanie, budowa i testowanie anteny o nazwie ILA (ITER-like Antenna) na potrzeby tokamaka ITER ([Durodie2003], [Ddurodie2005]). Wyniki pierwszych testów tej anteny, przeprowadzonych jeszcze przed jej instalacją w układzie JET, zostały opisane w pracach [Goulding2005], [Durodie2007]. W skład systemu wchodzą generatory, linie transmisyjne i właściwa antena. Zastosowane w układzie typy generatorów i linii przesyłowych używane są komercyjnie w technologii radiowej. Jednakże konstrukcja samej anteny była wielkim wyzwaniem technicznym dla inżynierów, ponieważ musiała ona spełnić kilka warunków. Najważniejszymi z nich były: a) duża gęstość mocy emitowanego promieniowania – około 8 MW/m2, b) maksymalna moc grzania 7,2 MW, c) praca w zakresie częstości 30-55 MHz, d) odporność na zaburzenia spowodowane zjawiskiem ELM ([Keilhacker1984]) powodującym zmianę charakterystyki anteny, e) działanie anteny przy długich czasach wyładowania w plazmie i f) odporność na inne czynniki powodujące destrukcję plazmy. Przewidywano, że dzięki nowej antenie całkowita moc grzania falami radiowymi w układzie JET ulegnie podwojeniu.
Rys. 8.7 przedstawia nową antenę ILA przed instalacją w układzie JET ze wskazaniem ośmiu części ponumerowanych od 1 do 8. Dwie poloidalne przyległe do siebie części stanowią pętlę, tzw. RDL (Resonant Double Loop) ([Bosia2003], [Durodie2001], [Durodie2003]).
Cztery pętle RDL, oznaczone jako 12, 34, 56 i 78, tworzą matrycę 2×2 w kierunku, poloidalnym i toroidalnym.
96 Rys. 8.7 Widok anteny ILA przed instalacją w tokamaku JET.
W układzie JET nowa antena ILA została zainstalowana w oktanie 2 (zobacz Rys. 8.1).
Montaż anteny ILA w tym układzie został zakończony w 2007 roku. Testowanie tej anteny odbywało się w okresie od maja 2008 roku do kwietnia 2009 roku podczas kampanii eksperymentalnych C20 – C26. W pracach [Durodie2009], [Mayoral2009]
i [Nightingale2009] zawarty jest przegląd prac dotyczących testowania anteny ILA. Pierwszy etap prac wykonano dla małych mocy grzania, poniżej 2 MW. Po rozwiązaniu napotkanych problemów, moc grzania była sukcesywnie zwiększana i duża część sesji eksperymentalnych była poświęcona testowaniu anteny przy mocach grzania powyżej 2 MW. Testy anteny odbywały się dla wyładowań w plazmie zarówno w modzie L, jak i w modzie H przy różnych częstościach rezonansowych - 33, 42 i 47 MHz, okazyjnie przy 49 MHz w fazie dipolowej.
Testy wykonywano także dla różnych odległości anteny od plazmy. Odległość tę zmieniono poprzez zmianę wartości ROG (Radial Outer Gap) między 4-7 cm, co odpowiadało odległości 13-16 cm pomiędzy anteną a brzegiem plazmy. Większość sesji poświęcona była badaniom sprzężenia wytwarzanej fali radiowej z plazmą i efektywności jej absorpcji w plazmie.
Maksymalne napięcie w obwodzie anteny, jakie udało się uzyskać wynosiło około 42 kV.
Uzyskiwano je wielokrotnie, zarówno w modzie L, jak i modzie H. Ze względu na warunki bezpieczeństwa nie udało się uzyskać większej wartości tego napięcia. Ze względu na pewne ograniczenia generatora, maksymalna moc, jaką uzyskano w modzie L wynosiła 4,76 MW (wyładowanie nr 73329). Przy wyładowaniu w modzie H uzyskano z górnej połowy anteny maksymalnie 1,88 MW mocy grzania (wyładowanie nr 73941). Maksymalna gęstość mocy, jaką uzyskano dla plazmy w modzie L wynosiła 6,2 MW/m2 (osiągnięta podczas działania dolnej połowy anteny w wyładowaniu 73941). Dla plazmy w modzie H osiągnięto maksymalnie 4,1 MW/m2 gęstości mocy dla górnej pary RDL w wyładowaniu 78070.
97 Bardzo ważnym zagadnieniem było sprawdzenie, w jakim stopniu duża gęstość mocy grzania ICRH, uzyskana dzięki kompaktowej budowie anteny ILA ma wpływ na koncentrację zanieczyszczeń w plazmie w układzie JET. W szczególności należało sprawdzić, czy antena ILA, ze względu na większą gęstość mocy emitowanego promieniowania, może uwalniać więcej zanieczyszczeń niż antena A2. Każdy z czterech modułów anteny A2 ma powierzchnię 2,25 m2, dużo większą niż powierzchnia anteny ILA, która wynosi 0,91 m2. Porównanie dwóch różnych systemów anten pozwoli odpowiedzieć na pytanie stawiane przez inżynierów dotyczące możliwości maksymalizacji mocy grzania ICRH przy jednoczesnej minimalizacji koncentracji zanieczyszczeń w plazmie. Wnioski z tych analiz będą miały znaczenie przy projektowaniu, konstrukcji i obsłudze przyszłych urządzeń tego typu.
Na Rys. 8.8 przedstawiono koncentrację niklu w plazmie, efektywny ładunek plazmy Zeff, wartości ∆Zeff i współczynnika rozrzedzenia plazmy pochodzący od zanieczyszczeń niklu w funkcji zastosowanej mocy grzania dla różnych odległości plazmy od anteny, zdefiniowanej wielkością ROG.
0 1 2 3 4 5
0 2 4 6
8 ROG 4 a)
ROG 5 ROG 6-7
-5 n z/n(10e) (Ni)e
PILA (MW)
0 1 2 3 4 5
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
ROG 4 ROG 5 ROG 6-7
Z eff
PILA (MW)
b)
0 1 2 3 4 5
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
0,05 ROG 4 ROG 5 c)
ROG 6-7
∆Z eff (Ni)
PILA (MW)
0 1 2 3 4 5
0 5 10 15
20 ROG 4 d)
ROG 5 ROG 6-7
∆n HDT(Ni)/n e (10-4 )
PILA (MW)
Rys. 8.8 Parametry charakteryzujące zanieczyszczenie plazmy jonami niklu w układzie JET w funkcji mocy grzania dla różnych odległości plazmy od anteny, zdefiniowanej wielkością ROG: a) koncentracja Ni (dla r/a ≈ 0,5–0,6), b) Zeff wyznaczone na podstawie diagnostyki KS3
(spektroskopia z zakresu widzialnego), c) wkład zanieczyszczeń Ni do efektywnego ładunku
98 jonów w plazmie Zeff, d) rozrzedzenie plazmy na skutek obecności zanieczyszczeń Ni
w plazmie.
Pomimo dużego rozrzutu punktów pomiarowych, obserwuje się wzrost poziomu niklu w plazmie wraz ze wzrostem mocy grzania. Rozrzut ten jest skutkiem dodatkowych czynników, które występują przy uwalnianiu strumienia zanieczyszczeń z anten. Nie zaobserwowano znacznej zmiany koncentracji Ni w plazmie, kiedy odległość między anteną a plazmą była zmieniana przez zmianę wartości ROG między 4 a 7 cm. Porównanie koncentracji Ni w plazmie podczas działania anteny A2 i nowej anteny ILA w funkcji mocy i gęstości mocy promieniowania stasowanego do grzania plazmy przedstawiono na Rys. 8.9.
Punkty pomiarowe uzyskane przy stosowaniu anteny A2 odpowiadają wyładowaniom o parametrach plazmy podobnych do wyładowań, w których używano antenę ILA.
Wyselekcjonowane zostały wyładowania plazmowe charakteryzujące się następującymi parametrami: mała trójkątność plazmy (plasma triangularity), Ip ~ 2 MA, BT = 2,2 – 2,9 T i wartość ROG pomiędzy 4-7 cm. W celu prawidłowego porównania obu systemów w kontekście produkcji zanieczyszczeń Ni, zarówno moc grzania jak i koncentracja Ni zostały unormowane do powierzchni czynnej anteny S. W ten sposób podjęto próbę oceny produkcji zanieczyszczeń z jednostki powierzchni każdej z anten niezależnie od tego, która część anteny była w użyciu. Zaobserwowano, że dla zerowej mocy grzania, koncentracja Ni w plazmie jest zerowa, oznacza to, że uwalnianie zanieczyszczeń Ni jest wynikiem działania anten ICRH.
Rys. 8.10 przedstawia zależność koncentracji zanieczyszczeń Ni w plazmie od gęstości mocy grzania dla różnych par RDL (zobacz Rys. 8.7) i różnych modułów anteny A2 będących w użyciu.
99
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 1 2 3 4 5
A2 ILA
n z(Ni)/n e (10-4 )
PICRH (MW) a)
0 1 2 3 4 5
0 3 6 9 12
b) A2 (antena C lub D) ILA (RDL 12, 34, 56, 78)
n z(Ni)/n e (10-5 )
PICRH (MW)
0 2 4 6
0 5 10
A2
c) ILA
(n z(Ni)/n e)/S (10-5 /m2 )
Gęstość mocy (MW/m2)
Rys. 8.9 Porównanie koncentracji Ni (dla r/a ≈ 0,5–0,6) podczas działania anteny ILA i anteny A2 w funkcji a) mocy grzania ICRH, b) mocy grzania ICRH jednego modułu anteny
A2 i całej anteny ILA, c) gęstości mocy anteny.
0 2 4 6 8
0 2 4 6 8 10
RDL 12, 34, 56, 78 a)
RDL 34, 78 RDL 12, 56 one RDL
n z/n e (10-5 )
Gęstość mocy ILA (MW/m2)
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25
0 1 2 3 4 5
ABCD b)
ABD or ABC AB or CD C or D
n z(Ni)/n e (10-4 )
Gęstość mocy A2 (MW/m2) Rys. 8.10 Koncentracja zanieczyszczeń Ni w plazmie w funkcji gęstości mocy anteny dla
różnych modułów anten a) ILA, b) A2 będących w użyciu podczas eksperymentu.
Na podstawie przeprowadzonych analiz wyciągnięto wniosek, że antena ILA dla takiej samej całkowitej mocy grzania, lecz dużo większej gęstości mocy (do 6.2 MW/m2
100 w modzie L) funkcjonuje bardzo dobrze, a koncentracja zanieczyszczeń Ni w plazmie centralnej jest mniejsza w porównaniu z anteną A2. Ponadto okazało się, że dla tej samej gęstości mocy więcej zanieczyszczeń jest uwalnianych, kiedy działa cała antena. Poziom zanieczyszczeń w plazmie zależy zatem od rozmiarów anteny, a nie zależy od gęstości mocy grzania. Fizyczne przyczyny większej koncentracji Ni w plazmie podczas korzystania z anteny A2 są złożone. Ważną przyczyną występowania tego efektu jest różnica konstrukcji obu anten.
Pojedyncza antena A2 posiada o rząd wielkości więcej Ni w swojej konstrukcji niż antena ILA. Ponadto nie wyklucza się faktu, że podczas wieloletniej pracy anteny A2 na jej powierzchni i w jej najbliższym sąsiedztwie został odłożony kodepozyt złożony z C, Be i niezidentyfikowanego jeszcze metalu, którym może być nikiel. Wymaga to jednak dodatkowych badań składu powierzchni.