2 Program EUROfusion. 2.1 Diagnostyki miękkiego promieniowania X emitowanego z plazmy w stellaratorze W7-X RAPORT ROCZNY 2015

Transkrypt

1 RAPORT ROCZNY Program EUROfusion 2.1 Diagnostyki miękkiego promieniowania X emitowanego z plazmy w stellaratorze W7-X Osoba kontaktowa: M. Kubkowska, monika.kubkowska@ifpilm.pl Zadanie realizowane było zgodnie z projektem Konsorcjum EUROfusion WPS1: Preparation and Exploitation of W7-X Campaigns. Przygotowanie układu diagnostycznego z zastosowaniem analizy amplitudowej impulsów z chłodzonego detektora półprzewodnikowego pracującego w reżimie zliczania kwantów dla stellaratora W7-X W 2015 r. układ diagnostyczny z zastosowaniem analizy amplitudowej impulsów z chłodzonego detektora półprzewodnikowego pracującego w reżimie zliczania kwantów, tzw. PHA (z ang. Pulse Height Analysis) dla stellaratora W7-X został pomyślnie przetestowany w laboratorium IFPiLM. System PHA został podłączony do komory próżniowej zlokalizowanej w laboratorium w IFPiLM w celu sprawdzenia próżni diagnostyki po zamontowaniu wewnątrz wszystkich komponentów. Rys prezentuje zainstalowaną na komorze diagnostykę PHA z widoczną główną komorą, lampą kalibracyjną oraz obudową przedwzmacniaczy. Układy szczelin o regulowanej szerokości wraz z układami wymiennych filtrów zostały odpowiednio okablowane, aby wszelkie zmiany ich położenia mogły być dokonywane zdalnie. Równolegle do prac testowych diagnostyki, rozwijany był kod do akwizycji i obsługi systemu. Rys Część diagnostyki PHA zainstalowana na komorze próżniowej w laboratorium IFPiLM. W połowie 2015 r. system, po pozytywnym przejściu wszystkich testów, został przetransportowany do Greifswaldu w Niemczech, do Instytutu Fizyki Plazmy im. Maksa Plancka (IPP). Początkowo został on ponownie złożony w laboratorium IPP, w celu przeprowadzenia kolejnych testów. Rys pokazuje zdjęcie z hali montażowej IPP, gdzie system był ponownie okablowany i testowany. Następnie układ został przetransportowany do hali stellaratora i zamontowany na porcie AEK50. Rysunek pokazuje diagnostykę zainstalowaną na W7-X. Podsumowując, wszystkie planowane zadania na 2015 r. zostały pomyślnie wykonane. Diagnostyka została zainstalowana na stellaratorze, oczekując pierwszych testów z plazmą. 10 grudnia 2015 r. odbyło się oficjalne uruchomienie urządzenia, gdzie poprzez wprowadzenie do komory stellaratora 1mg He oraz stosując grzanie mikrofalami 1.3MW uzyskano pierwszą plazmę, która trwała przez krótki czas 13

2 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY ok. 100 ms. Kolejne wyładowania i dalszy ciąg kampanii eksperymentalnej OP1.1 (z ang. Operational Phase) miał miejsce w styczniu 2016 r. Rys Zdjęcie z laboratorium w IPP w Greifswaldzie podczas testowania diagnostyki. Wyniki prac zrealizowanych w ramach tego zadania zostały zaprezentowane na międzynarodowej konferencji 1st EPS Conference on Plasma Diagnostics, która odbyła się w dniach kwietnia 2015 r. we Frascati we Włoszech. Poza prezentacją wyników i postępów realizowanych prac na licznych wideokonferencjach ze stroną niemiecką, które odbywały się średnio raz na miesiąc, najważniejsze rezultaty zostały opublikowane w następujących artykułach: 1. Laboratory tests of the Pulse Height Analysis system for Wendelstein 7-X, M. Kubkowska, A. Czarnecka, et al., Journal of Instrumentation, 10 (2015) P Startup impurity diagnostics in Wendelstein 7-X stellarator in the first operational phase, H. Thomsen, A. Langenberg, et al., Journal of Instrumentation 10 (2015) P The Set of Diagnostics for the First Operation Campaign of the Wendelstein 7-X Stellarator, Ralf Koenig, J. Baldzuhn et al., Journal of Instrumentation 10 (2015) P10002 Przygotowanie wielokanałowego układu diagnostycznego do pomiarów promieniowania rentgenowskiego z plazmy w stellaratorze W7-X Główne prace związane z diagnostyką wielokanałową MFS (z ang. multi-foils system) polegały na kontynuacji opracowywania dokumentu ze specyfikacją całej diagnostyki (tzw. Project specification document), który jest wymagany przez Instytut IPP w Greifswaldzie. Dokument ten zawiera, poza ogólnym opisem całej diagnostyki, szczegółowy opis poszczególnych komponentów wraz z opisem ich funkcji. Ze względu na brak dostępu z jednej strony portu, na którym ma być zainstalowana diagnostyka MFS na W7-X, okno montażowe zostało odpowiednio obrócone (rys ). Ponadto, ze względu na możliwość podłączenia pompy próżniowej w każdej chwili bez dostępu do torusa, w którym znajduje się stellarator, rozpoczęto projekt systemu z systemem próżniowym podłączonym do układu na stałe. 14

3 RAPORT ROCZNY 2015 Rys Zdjęcie zainstalowanej diagnostyki PHA na stellaratorze W7-X. Dodatkowo, rozpoczęto przygotowania dokumentu opisującego bezpieczeństwo związane z obsługą i uruchamianiem diagnostyki (tzw. safety document). Ze względu na priorytet pierwszej fazy eksperymentalnej na W7-X, planowana na koniec roku prezentacja koncepcji diagnostyki MFS (tzw. Conceptual Design Review (CDR)), została przeniesiona przez stronę niemiecką na początek 2016 r. Przygotowanie spektrometru C/O Monitor do pomiarów linii spektralnych głównych zanieczyszczeń plazmy w stellaratorze W7-X Projektowany spektrometr C/O Monitor dedykowany jest pomiarom miękkiego promieniowania rentgenowskiego ze stellaratora W7-X w celu rejestracji pojedynczych linii spektralnych z rozdzielczością czasową 1 ms. System ten zamontowany będzie w porcie AEK30 urządzenia i składać się 15

4 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY będzie z 4 niezależnych kanałów pomiarowych, którym odpowiadać będzie pomiar długości fali linii Lymana boru (4.9 nm), węgla (3.4 nm), azotu (2.5 nm) i tlenu (1.9 nm). Zadanie wykonywane jest we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Opolskiego. Diagnostyka składać się będzie z dwóch komór próżniowych, w których znajdować się będą po dwa elementy dyspersyjne (rys.1.3.1). Rys Model systemu MFS uwzględniający miejsce wokół portu diagnostycznego W7-X. Rys Schemat diagnostyki C/O monitor dla W7-X z zaznaczonymi głównymi elementami tego układu. W 2015 r. w ramach zadania wykonany został projekt uchwytów dla kryształów i wielowarstwowego lustra (rys.1.3.2), które zlokalizowane będą wewnątrz komór. Projekt uwzględnia zastosowanie napędów piezoelektrycznych, które umożliwią precyzyjny dobór kąta dla elementów dyspersyjnych z dokładnością ok W czerwcu 2015 r. koncepcja diagnostyki została zaprezentowana stronie niemieckiej na specjalnym spotkaniu poświęconym systemowi C/O monitor. W 2015 r. zaproponowano również detektory dla diagnostyki. Będą to kamery CCD typu Back Illuminated czułe odpowiednio w obszarze eV ( nm). 16

5 RAPORT ROCZNY Badanie i optymalizacja procesów oddziaływania impulsów laserowych i strumieni plazmy z materiałami przewidzianymi, jako element wewnętrzny komory tokamaka oraz badania pyłu powstającego w tych procesach Osoba kontaktowa: M. Kubkowska, monika.kubkowska@ifpilm.pl Zadanie realizowane było zgodnie z projektem Konsorcjum EUROfusion WPPFC: Preparation of efficient PFC operation for ITER and DEMO oraz w ramach projektu WP15-ER-01/IPPLM-06-Laser fuel removal; optimization and concept study of the device dedicated for ITER-like tokamak. Rys Projekt uchwytów dla elementów dyspersyjnych diagnostyki C/O monitor. Symulacja oddziaływań plazma-ściana właściwych dla zjawisk typu disruption za pomocą urządzenia PF-1000U w ramach projektu EUROfusion WPPFC: Preparation of efficient PFC operation for ITER and DEMO Na początku 2015 r. przeprowadzono szereg eksperymentów, mających na celu znalezienie optymalnych warunków pracy urządzenia PF-1000U, gdzie na badanej próbce, w wyniku oddziaływania ze strumieniami plazmy, nie zostaną osadzone zanieczyszczenia materiału elektrod. Wobec powyższego, próbki wykonane z wolframu o czystości 99.95% zamontowano w różnych odległościach od czoła elektrod (6 i 8 cm) oraz zastosowano różne warunki wyładowania (U=16, 19, 21 i 23 kv, p D= 2.7, 1.2 lub 0.9 Torr). Następnie, analiza powierzchni próbek mikroskopem optycznym pokazała, że optymalnym miejscem umieszczenia docelowych próbek, jest 6 cm od końca elektrod przy następujących parametrach urządzenia: U = 16-19kV, p D= 2.7 Torr. Rys przedstawia zdjęcie wyładowania w PF-1000 wraz z zaznaczoną lokalizacją badanych próbek. Na rysunku zaznaczono również opcję z pochyloną próbką o Docelowy eksperyment przeprowadzono z próbkami wolframu ( cm) wykonanymi dokładnie z takiego materiału, jaki przewidziany jest w reaktorze ITER. Dodatkowo próbki były wcześniej poddane oddziaływaniu plazmy helowej na urządzeniu Magnum PSI. Warunki eksperymentalne przedstawione są w tabeli 2.1.1, która zawiera informacje o parametrach urządzenia (napięcie i ciśnienie gazu w komorze), jak również informacje o sposobie umieszczenia próbki (prostopadle 90 0 lub pochylona pod kątem 45 0 ) i ilości oddanych na powierzchnię wyładowań. 17

6 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY Rys Zdjęcie wyładowania w urządzeniu PF-1000 wraz z pokazanym miejscem lokalizacji badanych próbek na osi układu. Szczegółowa analiza materiałowa mikroskopem elektronowym wykazała, że dodanie do komory argonu (Ar) powoduje zmniejszenie ilości osadzonego na powierzchni próbki materiału elektrod, głównie miedzi (Cu). Zaobserwowano to głównie w obszarze krawędzi próbek, natomiast nie dało się całkowicie wyeliminować Cu z obszaru centralnego. Ponadto, wykazano, że ilość zanieczyszczeń osadzonych na powierzchni próbki, zmniejsza się wraz z obniżeniem napięcia przyłożonego do kondensatorów urządzenia PF-1000U. Dodatkowo, umieszczenie próbki pod kątem na osi układu również wpływa pozytywnie na zmniejszenie ilości zanieczyszczeń. Rysunek przedstawia porównanie powierzchni próbki nr 1 i 3, z którego widać, że pochylenie powierzchni w stosunku do kierunku padania strumieni plazmy powoduje mniejsze pęknięcia powierzchni. Badania materiałowe zostały wykonane we współpracy z Wydziałem Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Tabela Zestawienie warunków eksperymentalnych Numer próbki Materiał Odległość od elektrod [cm] Ilość odda-nych wyładowań Rodzaj gazu w komorze p [Torr] U [kv] Kąt na osi PF-1000U [< 0 ] 1 W+He 6 2 D W+He 6 2 D +Ar D - 2.5; Ar W+He 6 3 D W+He 6 2 D +Ar D Ar W+He 6 2 D +Ar D - 0.5; Ar

7 RAPORT ROCZNY W 6 2 D +Ar D - 0.5; Ar Rys Porównanie powierzchni próbki nr 1 (a) i próbki nr 2 (b). Badanie efektów zoptymalizowanego usuwania paliwa w połączeniu z dwuimpulsową metodą LIBS (jako techniką monitorowania składu chemicznego ściany reaktorów termojądrowych) pod kątem uszkodzeń powierzchni, skłonności do reabsorpcji paliwa oraz emisji pyłów w ramach projektu EUROfusion WP15-ER-01/IPPLM-06 (Laser fuel removal; optimization and concept study of the device dedicated for ITER-like tokamak) W 2015 roku kontynuowano badania diagnostyki LIBS, w szczególności dwuimpulsowej, pod kątem jej użyteczności do charakteryzacji depozycji materiałów oraz retencji i usuwania paliwa w obszarze dywertora w reaktorach termojądrowych nowej generacji. Badania prowadzone są głównie we współpracy z ENEA Frascati (Włochy) (również w ramach projektu EUROfusion WPPFC: Preparation of efficient PFC operation for ITER and DEMO). W celu poszerzenia wiedzy o możliwościach dwuimpulsowej metody LIBS oraz optymalizacji jej działania dla warunków i materiałów przewidzianych w reaktorach termojądrowych przeprowadzone zostały wspólne prace z ENEA Frascati, które odbywały się zarówno w Warszawie, jak i we Włoszech. Główny eksperyment odbył się we Frascati i wykorzystywał dwuimpulsowy system laserowy Nd:YAG (impuls o czasie trwania 8-12 ns o energii do 0.2 J, na długości fali 1064 nm i częstotliwości repetycji do 10, f=10hz) oraz spektrometry: Mechelle 5000 z kamerą wyposażoną we wzmacniacz obrazu istar oraz ISA Jobin-Ivon 550 typu Czerny-Tuner z kamerą ANDOR DH520/18mm F-03 CCD. Eksperymenty wykazały, że w porównaniu z metodą standardową (tj. jednoimpulsowy LIBS) metoda dwuimpulsowa umożliwia uzyskanie lepszego stosunku sygnału do szumu (SNR Signal to Noise Ratio), co umożliwia zastosowanie metody bezkalibracyjnej (Callibration free) do szacowania składu chemicznego warstw deponowanych na powierzchni wewnętrznej reaktora termojądrowego oraz ich usuwania. Na rysunku przedstawiono przykładowe widma. Widać na nich, że zachowując te same skale dla wykresów, metoda dwuimpulsowa umożliwia rejestrację widm o większej intensywności. Metoda bezkalibracyjna wymaga znajomości składu próbki, do czego posłużył spektrometr o niższej rozdzielczości Me5000, który rejestrował widma w szerokim obszarze spektralnym, co z kolei umożliwiło rejestracje linii należących do poszczególnych elementów badanej próbki. Spektrometr o wysokiej rozdzielczości wykorzystywany był do pomiarów widm w obszarze występowania linii Deuteru Dβ, co umożliwiło rozdzielić linie wolframu, wodoru i deuteru. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie metody dwuimpulsowej umożliwia zarejestrowanie i rozseparowanie linii D i H, ponieważ linie te mają odpowiednie intensywności. W 19

8 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY przypadku metody LIBS z pojedynczym impulsem, jeżeli w próbce znajdują się śladowe ilości paliwa, metoda ta praktycznie nie jest w stanie wykryć tego elementu. Przykład zarejestrowanych widm i porównanie metody jedno- i dwu-impulsowej do identyfikacji linii H i D pokazany jest na rysunku W 2015 r. prowadzono również badania usuwania paliwa (deuteru) za pomocą lasera światłowodowego po raz pierwszy w warunkach próżniowych oraz w atmosferze azotowej przy jednoczesnej charakteryzacji procesu przy użyciu DP LIBS oraz pirometrii. Znaczna część eksperymentu była przeprowadzona przy współudziale współpracowników z CIEMAT, Madryt (Hiszpania). Rys Seria widm uzyskanych podczas kolejnych impulsów laserowych zarejestrowanych przy użyciu metody jednoimpulsowej (z lewej) i dwuimpulsowej (z prawej). Eksperymenty przeprowadzone zostały w zaawansowanym układzie umożliwiającym jednoczesną pracę lasera światłowodowego (za pomocą którego usuwano cząsteczki paliwa) oraz Nd:YAG (zastosowanego w celu przeprowadzenia w czasie rzeczywistym diagnostyki LIBS). Dodatkową diagnostyką służącą monitorowaniu procesu usuwania była pirometria. Jako badane próbki wykorzystane zostały płytki wolframowe poddane wcześniej oddziaływaniom z plazmą deuterową w IFPiLM na urządzeniu PF-1000U, w celu zasymulowania procesów prowadzących do retencji paliwa. Obecność paliwa została potwierdzona przez wstępne badania LIBS. Próbki były montowane na zdalnie sterowanym za pomocą komputera stoliku przesuwnym umieszczonym wewnątrz komory próżniowej. W seriach eksperymentów mających na celu badania usuwania laserowego w warunkach próżniowych była ona odpompowana do ciśnienia na poziomie ~5*10 5 mbarr, w eksperymentach, w których badano wpływ atmosfery azotowej, po odpompowaniu, za pomocą mikrozaworów była napełniana N 2 do ciśnienia Pa. Stolik przesuwny umożliwiał skanowanie wiązką laserową z prędkościami z zakresu cm/s. W celu wykonania badań LIBS, laser Nd:YAG dostarczał impulsów o czasie trwania 8-12 ns i energii do 200 mj na długości fali 1064, co przekładało się na gęstość mocy sięgającą W/cm 2 podczas gdy laser światłowodowy, wykorzystany do czyszczenia emitował 100 ns, 1 mj impulsy o długości fali 1080 nm, co przekładało się na średnią moc optyczną 100 W. Na skutek impulsów laserowych przed tarczą wytwarzała się plazma, której promieniowanie z obszaru ok. 2 cm przed powierzchnią było obserwowane przy pomocy spektrometru Mechelle 5000 wyposażonego we wzmacniacz obrazu istar 20

9 RAPORT ROCZNY 2015 (zakres widmowy nm, dokładność 0.05 nm, i rozdzielczość ~4000). Ponadto HAT (Heat Affected Zone Obszar oddziaływania termicznego) obserwowany był za pomocą pirometru zamontowanego za portem komory wyposażonym w okno wykonane ze specjalnego szkła umożliwiającego obserwację w zakresie podczerwieni. Eksperymenty zostały przeprowadzone we współpracy z CIEMAT. Rys Widmo uzyskane dla próbki Mo z warstwą 2µm W:80%, Al:20 % zawierającą D&H. Widmo przedstawione kolorem czarnym odpowiada metodzie DP LIBS, natomiast czerwone SP LIBS. Na rysunku przedstawiono również sposób dopasowania linii Wyniki LIBS potwierdziły, że impulsy lasera światłowodowego pozwoliły na całkowite usunięcie paliwa nawet po stosunkowo szybkim jednorazowym przeskanowaniu. Przykładowe wyniki przedstawione są na rysunku 2.2.3, na którym widać, że już podczas drugiego skanowania linia odpowiadająca deuterowi (jednoznacznie zarejestrowana podczas pierwszego skanowania) jest poniżej poziomu tła. Efekt ten jest nieco niespodziewanie znacznie słabszy podczas zastosowania atmosfery azotowej. Można to tłumaczyć niższą temperaturą powierzchni, która jest chłodzona cząsteczkami azotu. Podczas pierwszego skanowania pirometr zarejestrował wyższą temperaturę niż podczas kolejnych skanowań, co można wyjaśnić znacznie słabszym przewodnictwem cieplnym warstw zawierających izotopy wodoru. Zaobserwowane zjawisko potwierdza, że do monitorowania usuwania paliwa za pomocą laserów światłowodowych mogą być wykorzystywane pirometry. Istotnym wynikiem przeprowadzonych badań było potwierdzenie możliwości usuwania paliwa ze ściany reaktora termojądrowego za pomocą laserów światłowodowych. Kolejnym rodzajem badań przeprowadzonych w ramach niniejszego zadania były badania efektów powierzchniowych powstających na skutek oddziaływań laserowych podczas usuwania paliwa, w 2015 r. realizowane we współpracy z IPP Praga (Republika Czeska). Po przeprowadzeniu prób laserowych (opisanych powyżej) próbki zostały poddane badaniom materiałowym mającym na celu weryfikację skuteczności usuwania paliwa oraz czy impulsy laserowe nie doprowadziły do nadmiernych uszkodzeń powierzchni zwłaszcza takich, które mogłyby prowadzić do podwyższonej akumulacji paliwa. Spośród tego typu uszkodzeń należy wymienić formowanie pęknięć (cracking), struktur gąbczastych, bąbli, płatków, itp. Wstępne badania SEM (mikroskopii elektronowej) wykazały, że morfologia obszarów poddanych oddziaływaniu laserowemu nie odbiegała wyraźnie od obszarów poddanych oddziaływaniom 21

10 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY plazmowym w PF-1000U. W niektórych obszarach można nawet stwierdzić, że oddziaływania laserowe przyczyniły się do ujednorodnienia powierzchni z częściowym złagodzeniem pęknięć. Wyniki wskazały również, że na skutek bardzo starannego ogniskowania wiązki, w niektórych obszarach (odpowiadającym centralnej pozycji wiązki) gęstość mocy promieniowania przekroczyła optymalną wartość, co skutkowało tworzeniem się niedużych bąbli. Z uwagi na potencjalne zagrożenie wzrostem retencji paliwa w tych obszarach, w przyszłych badaniach należy unikać tak intensywnej ekspozycji (tzn. stosować łagodniejsze ogniskowanie). Pozytywnym odkryciem związanym z przekroczeniem progu gęstości mocy w tym obszarze było natomiast stwierdzenie, że deuter został usunięty również z obszarów sąsiadujących na skutek mechanizmów termicznych. Rys Widma uzyskane podczas kolejnych skanowań wiązką laserową. Przykładowe fotografie SEM przedstawione są na rysunku W ramach zadania w 2015 r. prowadzono również badania zjawisk fizycznych zachodzących podczas dwuimpulsowych oddziaływań impulsów laserowych z ciałami stałymi w próżni przy zastosowaniu diagnostyki czasu przelotu jonów. Z uwagi na fakt, że zachowanie się metody DP LIBS umykało czasem prostym tłumaczeniom opartym na procesach fizycznych, w pewnej części eksperymentów prowadzonych w próżni diagnostyka została wzbogacona detektorami czasu przelotu jonów w celu zbadania rozkładu energetycznego naładowanych cząsteczek opuszczających obszar plazmy. Badania te potwierdziły złożoność występujących procesów, m. in. wykazały, że odpowiedź uzyskiwana dla oddziaływania dwuimpulsowego w szerokim zakresie opóźnień nie jest kombinacją liniową odpowiedzi uzyskiwanych dla pojedynczych impulsów. Świadczy to o występowaniu efektów nieliniowych, które w dodatku silnie zależą od opóźnienia między impulsami. Mimo że procesy te nie są jeszcze udokumentowane w literaturze naukowej ich badanie przekracza zakres prowadzonych prac i powinny zostać przeprowadzone w ramach innych projektów. Podsumowując, badania wykonane w 2015 roku wniosły poważny wkład do stanu wiedzy na temat technik usuwania paliwa ze ściany reaktorów termojądrowych nowej generacji, która jest bardzo istotna do prawidłowej pracy reaktorów. Ponadto w badaniach pojawiły się spekulacje na temat 22

11 RAPORT ROCZNY 2015 zastosowania nowego typu laserów dużej mocy VCSEL, których rozwój przechodzi obecnie dynamiczną fazę. Rys Przykładowe obrazy SEM obszarów poddanych oddziaływaniu laserowemu. Projekt przyczynił się również do integracji wysiłków międzynarodowych, co w najbliższym czasie przypuszczalnie zaowocuje inicjacją nowych projektów naukowych dotyczących badania oddziaływań plazma-ściana. Praca w ramach projektu będzie kontynuowana w roku Wyniki wieloletnich prac zostały opublikowane w 2015 r. w następujących artykułach: Double pulse Laser Induced Breakdown Spectroscopy measurementson ITER-like samples, Salvatore Almaviva, Luisa Caneve, Francesco Colao, Pawel Gasior, Monika Kubkowska, Michał Łepek, Giorgio Maddaluno, Fusion Engineering and Design (2015) ; Thermo-oxidation of carbon codeposits and particles release duringlaser ablation in an oxygen atmosphere and its extrapolation to ITER codeposits, D.Alegre, P.Gasior, M.Kubkowska, F.Tabares, Fusion Engineering and Design 100, (2015); Overview of processing technologies for tungsten-steel composites and FGMs for fusion applications, M.Vilémová, J. Matějíček, B.Nevrlá, M.Chernyshova, P.Gasior, Nukleonika 60 (2), (2015) 23

12 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY 2.3 Rozwój diagnostyk dla układów z magnetycznym utrzymaniem gorącej plazmy Osoba kontaktowa: M. Chernyshova, maryna.chernyshova@ifpilm.pl Zadania realizowane w ramach projektów Eurofusion WPER i WPJET3. W ramach europejskiej przestrzeni badawczej EURATOM Instytut rozwija diagnostyki do badania plazmy deuterowej lub deuterowo-trytowej, utrzymywanej polem magnetycznym, która będzie paliwem przyszłego doświadczalnego reaktora termojądrowego ITER. Plazma deuterowa lub deuterowo-trytowa wytwarzana w układach z magnetycznym utrzymaniem plazmy jest grzana do temperatury rzędu kiloelektronowoltów (ok. kilka 107 do 108 Kelwinów) i emituje, w wyniku zachodzących w niej procesów, promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie widma (od widzialnego po promieniowanie gamma). Jednocześnie w wyniku reakcji syntezy lekkich jąder emitowane są produkty tych reakcji, które z jednej strony niosą informację o szybkości reakcji w plazmie (neutrony), a z drugiej o czasie utrzymania i przekazie energii do plazmy cząstek naładowanych (trytony, cząstki alfa). Promieniowanie elektromagnetyczne i korpuskularne emitowane z istniejących układów eksperymentalnych takich jak JET, czy znajdującego się w IFPiLM układu DPF-1000U, jak również te, które będą emitowane w budowanych obecnie urządzeniach W7-X czy ITER, są nie tylko źródłem informacji o zjawiskach fizycznych zachodzących w plazmie wytwarzanej w tych układach, ale również informacji o ich parametrach energetyczno-technologicznych. Wobec powyższego, pomiary widm energetycznych, strumieni kwantów, czy wysokoenergetycznych cząstek są bardzo istotne i dostarczają bezpośredniej informacji o parametrach plazmy oraz szybkości reakcji termojądrowej, czyli mocy urządzenia. Pomiary emisji promieniowania w szerokim zakresie spektralnym, wskazują na skuteczność grzania plazmy, czy to omowo prądem płynącym w plazmie, czy zewnętrznymi źródłami fal elektromagnetycznych dużej mocy, lub też wiązkami cząstek neutralnych deuteronów albo trytonów. Na wszystkich działających obecnie na świecie tokamakach o termojądrowych parametrach plazmy, takich jak JET, MAST (Wielka Brytania) czy ASDEX-Upgrade (Niemcy), odpowiednie diagnostyki monitorują promieniowanie w zakresie miękkiego i twardego promieniowania X, jak również produktów reakcji syntezy jądrowej. Wymienione diagnostyki będą również zainstalowane w przyszłym termojądrowym reaktorze badawczym ITER we Francji. Przedmiotem prac pracowników Instytutu w roku 2015 było podjęcie badań związanych z rozwojem diagnostyk dedykowanych do pomiarów procesów fizycznych zachodzących w plazmie utrzymywanej polem magnetycznym, z dużą szybkością reakcji termojądrowych, mianowicie: Diagnostyki do pomiarów miękkiego promieniowania X w zakresie kilku kev, Diagnostyki służące do pomiarów produktów reakcji syntezy ciężkich izotopów wodoru. Diagnostyki do pomiarów miękkiego promieniowania X w zakresie kilku kev Realizowany w roku 2015 projekt dotyczy globalnego rozwoju pomiaru miękkiego promieniowania rentgenowskiego na rzecz realizacji projektów ITER i DEMO i uzupełnia projekty Enabling Research WP14-ER-01/IPPLM-04 oraz Complementary Research CR-WP15_IPPLM-04 (Development of soft X-ray GEM based detecting system for tomographic tungsten focused transport monitoring), które zostały złożone i zaakceptowane do realizacji w latach Odnosi się natomiast do badań wpływu wolframu na charakterystyki plazmy poprzez rozwój i budowę nowych detektorów w oparciu o technologię GEM (Gas Electron Multiplier). Z zastosowaniem ich do badań tomograficznych transportu wolframu w tokamakach zorientowanych na ITER takich jak projekt WEST. Generalnie detektory GEM są wykorzystywane do celów obrazowania, a nie w trybie detekcji tomograficznej w systemie zliczania pojedynczych fotonów, co czyni ten projekt znacząco innowacyjnym przedsięwzięciem. Większa uwaga poświęcana wolframowi jest związana z faktem, iż materiał ten stał się głównym kandydatem na 24

13 RAPORT ROCZNY 2015 materiał pierwszej ściany oddziałującej z plazmą w reaktorze ITER oraz przyszłych reaktorach syntezy termojądrowej. Pomiar miękkiego promieniowania rentgenowskiego (SXR) w zakresie 0,1-20 kev z plazmy o magnetycznym utrzymaniu jest standardowym sposobem dostarczania cennych informacji na temat transportu cząstek i konfiguracji magnetycznej. Odnosimy się w tym projekcie do opracowania koncepcji, rozwoju i budowy systemu opartego o detektory GEM. System ma na celu badania tomograficzne ukierunkowane na emisję promieniowania wolframu z plazmy dla przyszłych ITERpodobnych maszyn np. projekt WEST. W ramach tego projektu chcielibyśmy zrealizować trzyletni plan, który obejmuje finalizację projektowania, rozwój, budowę i wytwarzanie końcowych detektorów wraz z zintegrowaną elektroniką. A co za tym idzie, realizację pierwszego prototypu modułu detekcji opartej o technologię GEM dla dwuwymiarowej tomografii poloidalnej do badań transportu zanieczyszczeń w plazmie dla projektu WEST. Projekt realizowany we współpracy z Komisariatem Energii Atomowej (Commissariat à l'énergie Atomique, CEA) w Cadarache we Francji, Instytutem Fizyki Plazmy w Garching w Niemczech, Uniwersytetem Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz Politechniką Warszawską, dotyczył będzie przygotowania dwóch komplementarnych układów detekcyjnych (diagnostyczny port pionowy i poziomy) miękkiego promieniowania rentgenowskiego w celu uzyskania dwuwymiarowej poloidalnej tomografii rentgenowskiej na tokamaku WEST. W roku 2015 prace zespołu skupiały się nad skonstruowaniem detektora prototypowego do pierwszych testów w warunkach laboratoryjnych. W tym celu skupiono się nad doborem materiałów do produkcji komory detektora ze szczególną uwagą poświęcaną charakterystykom tych materiałów, które docelowo będą pracować w specjalnych warunkach. Takich jak pole magnetyczne, wysoka temperatura, obecność promieniowania neutronowego lub jakiejkolwiek inne ingerencje. Ponieważ elementy konstrukcyjne detektora nie mogą zakłócić jego działania, do budowy komory detektora należy używać wyłącznie certyfikowanych materiałów, które są materiałami niegazującymi, posiadającymi odporność na promieniowanie jak również na starzenie i odpowiednie własności elektryczne i mechaniczne. Pierwsze prace montażowe pozwoliły na wybór materiałów, których ostatecznie użyto do stworzenia detektora prototypowego (rys ), skonstruowanego w celu weryfikacji w warunkach laboratoryjnych opracowanej koncepcji. Rys Zdjęcia komory gazowej detektora prototypowego 10x10 cm 2. W ramach wspólnych prac z CEA nad integracją modułów detekcyjnych zostały opracowane projekty pomocniczego systemu mocującego w porcie tokamaka WEST w Cadarache wraz z chłodzeniem detektora oraz elektroniki analogowej. Powstał również projekt bufora helowego oraz układu źródeł do kalibracji systemu. Ponadto zespół z IFPiLM zaprojektował komory detektorów finalnych dla pionowego (o prostokątnym kształcie) oraz poziomego (o cylindrycznym kształcie) portu wraz z kasetą detektora dla elektroniki analogowej, które będą umieszczone w pionowym porcie tokamaka oraz na zewnątrz poziomego portu. Rozpoczęto produkcję niezbędnych elementów diagnostyki. Jak również planowane, testy z modelowym detektorem GEM-owym zostały rozpoczęte na tokamaku ASDEX-Upgrade w warunkach eksperymentalnych panujących na tokamakach. Detektor wraz z elektroniką został najpierw umieszczony przy komorze tokamaka w różnych miejscach w celu sprawdzenia tła radiacyjnego i zakłóceń elektromagnetycznych, które mogą wpływać na prawidłową 25

14 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY pracę urządzenia. W tym układzie zmierzono tło radiacyjne pochodzące zarówno od promieniowania gamma oraz twardego promieniowania X z plazmy jak i produktów reakcji neutronów z materiałami otoczenia. Zdjęcia umieszczonego detektora oraz uzyskane wyniki razem z zależnościami niektórych parametrów plazmy w wyładowaniu #32516, takich jak gęstość promieniowania X, intensywność twardego promieniowania X itd., są przedstawione na rys Dalsze testy będą dotyczyły instalacji detektora przy porcie diagnostycznym służącym do obserwacji plazmy w miękkim promieniowaniu X. Wstępne wyniki pokazują, że wpływ promieniowania neutronowego jest słaby w porównaniu z sygnałem mierzonym przez detektor podczas wyładowania z plazmy, oraz że praca układu elektronicznego i zasilającego jest stabilna w warunkach tokamaka ASDEX-Upgrade. Dodatkowo, w tym roku wykonano eksperyment polegający na napromienieniu detektora GEM neutronami pochodzącymi z izotopowego źródła 241 Am-Be. Następnie zmierzono wzbudzone promieniowanie gamma za pomocą spektrometru HPGe. Eksperyment został poprzedzony analizą składu materiałowego detektora GEM oraz wytypowaniem reakcji zachodzących z neutronami emitowanymi ze źródła. Jednocześnie przeprowadzono analizę promieniowania jonizującego, które może zostać wzbudzone przez neutrony w materiałach konstrukcyjnych detektora. Skupiono się przy tym na natychmiastowym promieniowaniu gamma emitowanym w wyniku wychwytu radiacyjnego neutronów. Pod wpływem neutronów w aluminium zachodzi reakcja 27 Al(n,γ) 28 Al, z której powstają gammy o energii 30 kev. Miedź i inne metale mogące być stosowane w detektorze (oprócz manganu będącego m.in. domieszką stali) emitują zazwyczaj gammy powyżej 100 kev. Takie promieniowanie może wzbudzać przejścia elektronowe w miedzi, będącej głównym materiałem folii GEM-owych. Rezultatem tych badań było wprowadzenie eliminacji, wymiany lub ograniczenia niektórych pierwiastków występujących w komponentach elektroniki i komory detektora. Zdecydowano o eliminacji ołowiu, ograniczeniu miedzi do niezbędnego minimum, zastąpieniu kondensatorów tantalowych innymi, wykonaniu kasety z plastiku zamiast aluminium. W ramach projektu rozwijano także niezbędne algorytmy dla rekonstrukcji energii i pozycji fotonu. Serialna akwizycja danych została zweryfikowana ze źródłem promieniowania gamma 55 Fe oraz za pomocą emisji promieniowania rentgenowskiego o wysokiej intensywności z tarcz metalowych wzbudzanych przez laser o dużej mocy. W trakcie tych testów ze względu na specyfikę pracy lasera i co się z tym wiąże dużą gęstość promieniowania w bardzo krótkich interwałach czasowych, rzędu kilkuset nanosekund, zaproponowano nowy algorytm, który pozwala odseparować nakładające się sygnały z detektora. Wiele symulacji doświadczalnych zostało przeanalizowane w celu sprawdzenia rozdzielenia nakładających się na siebie impulsów. Po pierwsze, znormalizowane ogony sygnałów zostały oszacowane dla kanałów pomiarowych. Wartości średnie z wielu serii stosowano jako referencyjną wartość opadania sygnału dla każdego kanału. Po drugie, kilka zwykłych sygnałów zostało wybranych z pomiarów w celu symulacji. Wybrane impulsy były nakładane na siebie w funkcji różnych wzajemnych przesunięć. Efektywność separacji jest niezawodna dla sygnałów znajdujących się w odległości czasowej przekraczającej określoną wartość progową. Badania eksperymentalne wykazały, że maksimum pierwszego impulsu można znaleźć jako maksimum lokalne, albo mając tylko punkt przegięcia na sumarycznym sygnale złożonym z dwóch nakładających się przebiegów. Proponowany algorytm można zastosować iteracyjnie do wielu nałożonych impulsów. Seria z dziesięciu sztucznie nałożonych na siebie impulsów jest przedstawiona na rys wraz z rekonstrukcją sygnałów. Jak wydać, algorytm bardzo dobrze odseparowuje i rekonstruuje oryginalne impulsy. W tym roku kontynuowano również symulację sygnałów detektora w polu magnetycznym spodziewanym w miejscu instalacji detektora w porcie pionowym. Dla pięciu wartości pola magnetycznego dostarczonych przez grupę z CEA dla najgorszych scenariuszy spodziewanych na tokamaku za pomocą kodu Garfield++ przeprowadziliśmy symulacje ruchu lawiny elektronów w detektorze GEM. Uzyskane wyniki wskazują, że największe odchylenie jest podobne dla pięciu punktów i wynosi 0.5 mm w kierunku prostopadłym do stripów detektora. Oznacza to, że wpływ pola 26

15 RAPORT ROCZNY 2015 magnetycznego na rozdzielczość przestrzenną może być skorygowany przez wprowadzenie współczynnika korekcji pozycji sygnału na płycie odczytu. Ponadto w laboratorium Instytutu, w ciągu tego roku prowadzone były testy z użyciem źródeł żelaza oraz generatora miękkiego promieniowania rentgenowskiego do weryfikacji koncepcji detektora. W wyniku tych testów została określona szerokość klastra ładunku w detektorze dla różnych mieszanek gazowych Ar:CO 2 70:30%, 85:15% oraz Ar:CO 2:CF 4 45:15:40% w całym zakresie pracy detektora. Testy te pozwoliły na określenie szerokości stripów/linii tomograficznych w detektorach finalnych dla diagnostyki tomograficznej. Bazując na uzyskanych wynikach pracy rozpoczęto produkcję detektora finalnego dla portu pionowego. Rys Podstawowe charakterystyki wyładowania w plazmie na tokamaku ASDEX-Upgrade wraz z danymi z testowanego systemu. Warto podkreślić, że projekt ten ma duże znaczenie dla nawiązania i rozwoju współpracy międzynarodowej w obszarze fizyki plazmy, elektroniki oraz mechaniki detektorów GEM-owych, uwzględniając fakt, iż detektor jest przygotowywany dla testów w ośrodku we Francji oraz w Niemczech, a więc wszystkie powiązane z tym zagadnienia wymagały dyskusji oraz wspólnej pracy nad nimi. Rozwój proponowanych detektorów GEM-owych ukierunkowany jest na zastosowanie 27

16 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY detektorów w przyszłych reaktorach termojądrowych, a więc uzyskane wyniki mają ważne znaczenie dla fizyki plazmy oraz dla rozwoju technologii detektorów gazowych. Rys Wyniki symulacji dziesięciu nałożonych impulsów. Wyniki badań przeprowadzonych w ramach projektu zostały opublikowane w czasopismach oraz przestawione na międzynarodowych konferencjach: 1. GEM detector development for tokamak plasma radiation diagnostics: SXR poloidal tomography, M. Chernyshova et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2015, (September 11, 2015). 2. Serial data acquisition for the X-ray plasma diagnostics with selected GEM detector structures, T. Czarski et al., JINST 10 (2015) P Conceptual design and development of GEM based detecting system for tomographic tungsten focused transport monitoring, M. Chernyshova et al., JINST 10 (2015) P FPGA based charge acquisition algorithm for soft x-ray diagnostics system, A. Wojenski et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High- Energy Physics Experiments 2015, 96622K. (September 11, 2015). 5. On line separation of overlapped signals from multi-time photons for the GEM-based detection system, T. Czarski et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2015, 96622W. (September 11, 2015). 6. Results of neutron irradiation of GEM detector for plasma radiation detection, S. Jednorog et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High- Energy Physics Experiments 2015, 96622Y. (September 11, 2015). 7. On algorithmic optimization of histogramming functions for GEM systems, R.D. Krawczyk et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High- Energy Physics Experiments 2015, 96622M. (September 11, 2015). 28

17 RAPORT ROCZNY Introducing parallelism to histogramming functions for GEM systems, R.D. Krawczyk et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments 2015, 96622N. (September 11, 2015). 9. Fast data transmission from serial data acquisition for the GEM detector system, P. Kolasinski et al., Proc. SPIE. 9662, Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High- Energy Physics Experiments 2015, 96622J. (September 11, 2015). 10. Multichannel reconfigurable measurement system for hot plasma diagnostics based on GEM-2D detector, A.J. Wojenski et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 364 (2015) Design of soft-x-ray tomographic system in WEST using GEM detectors, D. Mazon et al., Fusion Engineering and Design, Volumes (2015) Data processing for soft X-ray diagnostics based on GEM detector measurements for fusion plasma imaging, T. Czarski et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B 364 (2015) Modelling of the soft X-ray tungsten spectra expected to be registered by GEM detection system for WEST, Ł. Syrocki et al., 2015, submitted to Nukleonika. 14. Modelling of the soft x-ray spectra from tungsten radiation for different WEST plasma parameters, Ł. Syrocki et al., 2015, submitted to Physica Scripta. 15. On the design aspects affecting performance of GEM based detector development for plasma diagnostics, M. Chernyshova et al., 2015, submitted to Physica Scripta. 16. Concept and current status of data acquisition technique for GEM detector based SXR diagnostics, A. Wojenski et al., 2015, accepted for publication in Fusion Science and Technology. Udział w konferencjach: 1. 1st EPS Conference on Plasma Diagnostics (1 st ECPD), April 2015, Frascati, Italy: - Fast data acquisition measurement system, A. Wojenski et al., plakat; - Serial data acquisition for the X-ray plasma diagnostics with selected GEM detector structures, T. Czarski et al., plakat; - Conceptual design and development of GEM based detecting system for tomographic tungsten focused transport monitoring, M. Chernyshova et al., plakat. 2. XXXVIth IEEE-SPIE Joint Symposium on Photonics, Web Engineering, Electronics for Astronomy and High Energy Physics Experiments, May 2015, Warsaw, Poland: - GEM detector application in plasma radiation diagnostics, M. Chernyshova et al, wygłoszenie prezentacji; - Fast charge acquisition algorithm for soft X-ray diagnostics system based on GEM detector, A. Wojenski et al, wygłoszenie prezentacji; - Separation of overlapped signals from multi-time photons for the GEM based detection system, T. Czarski et al, wygłoszenie prezentacji; - Results of neutron irradiation of GEM detector for plasma radiation detection, S. Jednorog et al., wygłoszenie prezentacji; - Optimization and parallelization of GEM data analysis, R.D. Krawczyk et al., wygłoszenie prezentacji; - Serial data acquisition development, P. Kolasinski et al., wygłoszenie prezentacji; 29

18 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY - Distributed diagnostic system for tokamaks' high-voltage power supply section, A. Wojenski et al., wygłoszenie prezentacji. 3. 4th Conference on Micro-Pattern Gaseous Detectors and RD51 Collaboration meeting, October 2015, Trieste, Italy: - GEM based detecting system for tungsten radiation focused tomography at WEST tokamak, M. Chernyshova et al., plakat; - Design and assembling of GEM detector sensitive volume for plasma radiation application, E. Kowalska-Strzeciwilk et al., plakat; - Simulations of electron avalanches in the GEM detector, K. Malinowski et al., plakat; - Essential data processing for soft X-ray diagnostics based on GEM detector measurements for fusion plasma imaging, T. Czarski et al., plakat. 4. 1st IAEA TM on Fusion Data Processing, Validation and Analysis, 1-3 June 2015 Nice, - Concept and current status of data acquisition technique for GEM detector based SXR diagnostics, A. Wojenski et al., wygłoszenie prezentacji. 5. PLASMA-2015, International Conference on Research and Applications of Plasmas, 7-11 September 2015, Warsaw, Poland: - Modelling of the soft x-ray spectra from tungsten radiation for different WEST scenarios, M. Polasik et al., plakat; - GEM detector for plasma diagnostics, M. Chernyshova et al., wygłoszenie prezentacji. Diagnostyki służące do pomiarów produktów reakcji syntezy ciężkich izotopów wodoru. WP14- JET3/IPPLM: Technical Exploitation of DT Operation NC14 (Kalibracja systemu detektorów neutronów w JET dla energii 14 MeV) W ciągu kilku najbliższych lat na tokamaku JET planowana jest druga w jego historii kampania z wykorzystaniem trytu - DTE2. Ekstrapolacja współczynników kalibracyjnych poprzedniej kalibracji, w której brał udział zespół z IFPiLM, na współczynniki dla neutronów kampanii DTE2 jest niemożliwa przy zachowaniu zakładanej dokładności 5 %. Do kalibracji źródła neutronów użyto metody aktywacyjnej pozwalającej na otrzymanie wartości bezwzględnych aktywności. Do celów aktywacyjnych zespół z 56 IFPiLM wytypował następujące reakcje jądrowe: Fe(n,p) Mn, Al(n,a) Na, Al(n,p) 26 Mg, 93 Nb(n,2n) 92m Nb. Jako monitora reakcji syntezy deuteru użyto 115 In(n,n') 115m In. Do kalibracji diagnostyk neutronowych tokamaka JET wytypowano generator neutronów 14 MeV. Symulacje numeryczne widm z generatora przeprowadzono metodą MCNP (praca zespołowa). Obliczenia spodziewanych poziomów aktywności przeprowadzono metodą FISTPAK na platformie obliczeniowej EASY II. Badanie charakteryzujące emisyjność generatora neutronów przeprowadzono w Narodowym Laboratorium Fizycznym w Anglii. W specjalnie skonstruowanym stanowisku umieszczano zestawy ośmiu folii dozymetrycznych (załączona rycina). W ciągu kolejnych dni wykonano dziewięć serii aktywacji. Mierzono spektrometryczne zawartości następujących radionuklidów Na-24, Mg-26, Mn-56, Nb-92m, In-115m oraz wykrywano mierzalne poziomy Y-90. Aktywności i dokładności pomiaru poszczególnych radionuklidów były następujące Na-24: Bq ± 2,5%, Mg-26: Bq ± 3,7%, Mn-56: Bq ± 2,8%, Nb-92m: Bq ± 3,5%, Y-90: 50 Bq ± 4,9%. Tym samym osiągnięto żądany poziom błędu poniżej 5%. Do celów dekonwolucji widm neutronowych wdrożono metodę Gravel będąca ulepszonym następcą metody SAND II. Otrzymano zadawalającą zgodność metod obliczeniowych i doświadczalnych. Otrzymane rezultaty wraz z metodyką zostały już wdrożone do badania rozkładów neutronów ze źródeł eksploatowanych w Polsce. Jak do tej pory dokonano pomiarów charakterystyk neutronów dla generatora neutronów pracującego w Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Wyniki opublikowano. 30

19 RAPORT ROCZNY 2015 Opracowano metodę monitoringu neutronów z urządzeń typu Plasma Focus w oparciu o radioitr. Metodę wdrożono, opublikowano i ogłoszono na konferencji naukowej. ACT - Pomiary aktywacji neutronami materiałów przewidzianych do budowy tokamaka ITER W ramach projektu ACT - Pomiary aktywacji neutronami materiałów przewidzianych do budowy tokamaka ITER zrealizowane zostały wszystkie zadania zaplanowane na rok Wybrane zostały materiały aktywacyjne, które wchodzą w skład elementów składowych tokamaka ITER i napromieniowane zostaną w strumieniu neutronów w tokamaku JET w plazmie DD i DT pochodzącej z generatora. Podczas selekcji brano pod uwagę częstotliwość występowania danego materiału w strukturach konstrukcyjnych. Wybrane reakcje i ich parametry przedstawiono w Tabeli 1. Reakcja Tab. 1. Najważniejsze parametry wybranych materiałów aktywacyjnych. Abundancja Czas połowicznego rozpadu Eprogowa [MeV] Energia kwantów (kev) Intensywność γ kwantów γ Gęstość (g cm -3 ) 27 Al(n,p) 27 Mg min Fe(n,p) 56 Mn h Mg(n,p) 24 Na h Al(n,a) 24 Na h Ni(n,2n) 57 Ni h Zr(n,2n) 89 Zr h Nb(n,2n) 92m Nb day Analizy pomiarowe dawek pochodzących od promieniowana przeprowadzone zostały na urządzeniu plazmowym PF Wzięto pod uwagę dawki pochodzące od aktywacji materiałów konstrukcyjnych, natychmiastowego jonizującego promieniowania elektromagnetycznego oraz neutronów uwalnianych w wyładowaniu plazmowym. Badania modelowe aktywności indukowanej w wybranych materiałach zostały przeprowadzone z użyciem generatora neutronów o energii 14 MeV. Pomiary zostały przeprowadzone dla następujących założeń: emisja neutronów 1,5 108 n/s, odległość pomiędzy próbką a generatorem 7 cm, na każdy dzień zaplanowano 9 strzałów (20 minut napromieniowania, 20 minut chłodzenia generatora) po czym próbka była mierzona za pomocą detektora germanowego. Rezultaty przedstawione zostały w tabelach 2 i 3. Tab. 2. Aktywność zmierzona w wyniku napromieniowania próbki aluminiowej w strumieniu neutronów pochodzącym z NG. 27Al(n,p)27Mg 27Al(n,α)24Na i Sample date A [Bq] Unc. N netto [%] Unc. A [%] A [Bq] Unc. N netto [%] Unc. A [%] 9 XI 2015/ 17:51:15 972,32 1,15 3,56 49,04 0,50 2,86 10 XI 2015/ 15:54:25 945,87 1,22 3,67 208,12 0,24 2,84 11 XI 2015/ 14:15:05 935,56 1,20 3,70 187,38 0,25 2,84 12 XI 2015/ 17:11: ,50 1,15 3,63 190,01 1,18 3,00 13 XI 2015/ 14:32:11 968,08 1,22 3,68 187,08 0,80 2,91 16 XI 2015/ 15:03:35 922,68 1,20 3,70 176,24 0,24 2,84 17 XI 2015/ 14:44:07 979,29 1,20 3,63 187,64 0,25 2,84 18 XI 2015/ 17:02:36 953,73 1,21 3,66 174,48 0,35 2,84 31

20 INSTYTUT FIZYKI PLAZMY I LASEROWEJ MIKROSYNTEZY Tab. 3. Aktywność zmierzona w wyniku napromieniowania próbki żelaza i niobu w strumieniu neutronów pochodzącym z NG. 56Fe(n,p)56Mn 93Nb(n,2n)92mNb Sample date A [Bq] Unc. Nnetto [%] Unc. A [%] A [Bq] Unc. Nnetto [%] Unc. A [%] 9 XI 2015/ 17:51:15 314,59 0,81 2,96 25,37 0,76 4,68 10 XI 2015/ 15:54:25 812,48 0,51 2,60 107,52 0,41 3,65 11 XI 2015/ 14:15:05 856,17 0,50 2,60 104,70 0,35 3,45 12 XI 2015/ 17:11:11 900,80 0,48 2,58 102,70 0,42 3,58 13 XI 2015/ 14:32:11 891,56 0,51 2,61 103,29 0,20 3,04 16 XI 2015/ 15:03:35 764,58 0,51 2,60 80,14 0,45 3,69 17 XI 2015/ 14:44:07 786,67 0,52 2,62 84,86 0,40 3,64 18 XI 2015/ 17:02:36 766,54 0,52 2,69 86,11 0,43 3,70 19 XI 2015/ 14:48:00 744,21 0,37 2,43 97,22 0,69 4,28 Dla wybranych reakcji jądrowych dokonano również analizy czasów zaniku przewidywanej aktywności. Rezultaty przedstawione zostały na poniższym rysunku. Wyniki pomiarów porównane zostaną z wynikami analiz wykonanych za pomocą najnowszych kodów komputerowych wykorzystywanych w trakcie projektowania ITER-a (codes validation). Dodatkowo, podobne analizy przeprowadzone zostaną dla plazmy DD oraz TT. Badania wykonalności oraz badania koncepcyjne diagnostyki twardego promieniowania rentgenowskiego oraz promieniowania gamma emitowanego w tokamakach W roku 2015 zespół naukowców IFPiLM (Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy) we współpracy z naukowcami z NCBJ (Narodowego Centrum Badań Jądrowych) oraz asocjacji włoskiej ENEA - Frascati i angielskiej CCFE (Culham Science Centre) kontynuował rozwój diagnostyki twardego promieniowania rentgenowskiego/promieniowania gamma dla potrzeb przyszłych reaktorów termojądrowych, w tym największego obecnie tokamaka JET oraz budowanego badawczego reaktora termojądrowego ITER. Pomiary twardego promieniowania rentgenowskiego oraz promieniowania gamma w warunkach plazmy wysokotemperaturowej (Te~5-20 kev) wymagają systemów detekcyjnych charakteryzujących się dużą wydajnością oraz wysoką energetyczną zdolnością rozdzielczą. Badania prowadzone w ostatnich latach potwierdziły, że detektory scyntylacyjne spełniają powyższe wymagania stawiane diagnostyce gamma dla tokamaków. Co więcej, scyntylatory charakteryzują się dość wysoką odpornością na strumienie neutronowe, dzięki czemu mogą być rozważane, jako systemy diagnostyczne dla przyszłych reaktorów termojądrowych. 32

21 RAPORT ROCZNY 2015 W roku 2015 w ramach niniejszego zadania przeprowadzono pomiary funkcji odpowiedzi scyntylatorów LaCl3:Ce, CeBr3 oraz LaBr3 na wysokoenergetyczne promieniowanie gamma przy użyciu silnych źródeł promieniotwórczych. W szczególności, wcześniejsze badania zestawu scyntylatorów o rozmiarach mm 3 rozszerzono o testy pomiarowe dla detektorów LaCl3:Ce, CeBr 3 i LaBr 3:Ce o rozmiarach 1 1 i 3 3 o kształcie cylindrycznym. Badania potwierdziły, że zarówno CeBr 3 i LaBr 3:Ce mogą zostać użyte w systemie diagnostycznym promieniowania gamma na tokamaku JET podczas kampanii eksperymentalnej DT, w czasie których spodziewane są silne strumienie promieniowania gamma. Ponadto potwierdzono krótkie czasy zaniku sygnałów scyntylacyjnych (~20 ns) oraz dobrą energetyczną zdolność rozdzielczą ~3% dla energii promieniowania gamma ~1.1 MeV. Określono wydajność detekcyjną obu kryształów o rozmiarach 1 1 (~6-7%) oraz 3 3 (~27-29%). Badania pokazały również, że w przypadku pomiarów promieniowania o wysokiej intensywności (dla tzw. wysokich rateów) przy zastosowaniu małych scyntylatorów (np. 1 1 ) najlepszym rozwiązaniem fotodetekcyjnym może być MPPC (ang. multi-pixel photon counter). Analiza danych przeprowadzona była w oparciu o analogowe i cyfrowe systemy elektroniczne, które zostały przygotowane lub zmodyfikowane w ramach niniejszego projektu. W szczególności przeprowadzono pomiary wydajności w funkcji energii fotonów gamma dla energii 4.4 MeV oraz struktury spektralnej w szczególności współczynniki Pik Pełnej Energii do Pojedynczy Pik Ucieczki i Podwójny Pik Ucieczki. Charakterystyki te są kluczowe dla planowanych diagnostyk tzw. kamery gamma dla tokamaka JET i ITER. 33