De Upper Port Viewer
Optische Detectie Systemen
De kwaliteit van het fusieplasma in de ITER reactor wordt continu gemeten, met behulp van meer dan vijftig verschillende diagnostische systemen, met samen duizenden sensoren. ITER-NL is actief in twee optische detectie systemen: spectroscopie en LIDAR.
• Spectroscopie
Het principe van de diagnostiek is gebaseerd op Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS). De Upper Port Viewer (UPV) meet de emissie die wordt uitgezonden ten gevolge van de interactie van het plasma met neutrale atomen. Deze zijn afkomstig van een zogenaamde ‘Diagnostic Neutral Beam’ die door India zal worden geleverd. Met de UPV zullen diverse belangrijke ITER plasmaparameters worden gemeten, zoals de ionentemperatuur, plasmarotatiesnelheden, heliumconcentratie en de aanwezigheid van diverse verontreinigingen. Met het UPV-systeem kunnen belangrijke uitspraken worden gedaan over de plasmaperformance van ITER.
• LIDAR
LIDAR (LIght Detection And Ranging ) is een optisch detectiesysteem waarmee de plasmadruk gemeten kan worden. De plasmadruk geeft informatie over het vermogen van de reactor. Het LIDAR systeem is geplaatst in een Equatorial Port Plug.
Een diagnostische poortplug
De UPV poortplug is in technisch opzicht vergelijkbaar met de hierna omschreven Upper Port Launcher. Het binnenwerk bestaat in het geval van de UPV uit optische transmissiesystemen, waar de UPL golfpijpen en stuurbare spiegels bevat. Uit het perspectief van het onderzoek is juist de beheersing van de combinatie – de UPL als actuator, en de UPV als sensor – bijzonder interessant. Uit oogpunt van productie heeft het een economisch voordeel als het ontwerp van de portplug voor beide instrumenten vrijwel gelijk is.
De UPV is een essentieel diagnostisch systeem. Dergelijke systemen zijn kritische componenten om ook in de toekomst een belangrijke rol in de ontwikkeling van fusieonderzoek te blijven spelen. ‘Beheersing’ van de UPV geeft Nederlandse onderzoekers ook een zeer goede entree tot het wetenschappelijke programma van ITER. ITER-NL kan een cruciale rol spelen door een combinatie van kennis van spectrometrie, zowel wetenschappelijk als op het gebied van instrument ontwikkeling als ook kennis van project management en system engineering.
Port plugs in ITER (bron www.iter.org)
Het LIDAR systeem wordt samen met andere meetsystemen in een equatoriale poort plug geplaatst; deze meetsystmen worden door andere (niet-Europese) ITER-partners geleverd. Dit betekent dat de beschikbare ruimte beperkt is, en dat het ontwerp en de analyse van de poort plug in samenwerking met de partners in een wereldwijd verband uitgevoerd moeten worden
Werkzaamheden van ITER-NL
De werkzaamheden voor ITER-NL zijn geconcentreerd rond de ontwikkeling van de twee diagnostische systemen: het complete optische ontwerp van zowel het UPV systeem als het LIDAR systeem (optiek in port plug, (fiber-)transmissiesysteem, spectrometers) en omvatten o.a.:Ontwikkeling van de CXRS prototype spectrometer. Het UPV systeem heeft 15 uiterst gevoelige spectrometers nodig. In het ITER-NL programma is een spectrometer ontworpen en in samenwerking met Nederlandse bedrijven is nu een prototype gebouwd. Dit prototype wordt op TEXTOR (een Duitse fusiereactor) en vervolgens op de Joint European Tokomak (JET) geïmplementeerd en dient als een ‘test bed’ voor alle data-analyse programma’s. Dit dient als valorisatie voor de meetmethode en de modellering hiervan. Instrumenten voor de real-time data analyse worden ontwikkeld. De omstandigheden in JET lijken op die van het hete (burning) plasma van ITER. De CXRS spectra geven informatie over de snelle ionen, brandstofmengsel en verontreinigingen in de brandstof.
• Plasmafysica. Het hoofddoel van het CXRS systeem in ITER is het verzamelen van wetenschappelijke gegevens over het transport van verontreinigingen, plasma rotatie, en energie van ionen. CXRS is de enige techniek die geschikt is om de helium productie in de fusiereactor te meten. Een belangrijk aspect van het wetenschappelijk onderzoek zal gericht zijn op het meten en beheersen van de hoeveelheid geproduceerde helium. Met het LIDAR systeem wordt via de dichtheid en de temperatuur van het plasma, de plasmadruk gemeten. De plasmadruk geeft informatie over het vermogen van de reactor.
• System engineering. ITER-NL werkt aan de systeemarchitectuur van de UPV en het LIDAR systeem, waarbij aspecten zoals de prestatieanalyse en minimalisering van de ontwikkelrisico’s beschouwd worden. De levensduur van de systemen moet geoptimaliseerd worden van dagen naar jaren.
• Ontwerp van het optische systeem van de port plug. Het optische ontwerp van ITER-NL moet geïntegreerd worden met het mechanische ontwerp en analyse van het Forschungszentrum Jülich (FZJ) voor de UPV, en van CCFE (Culham Centre for Fusion Energy) voor LIDAR. Hierna volgt de structurele, thermische en nucleaire analyse en ook de assemblage en Remote Handling.
• Nucleaire Analyse. In de ITER fusiereactor wordt de port pluggen blootgesteld aan hoge-energie neutronen en gammastraling. Neutronen veroorzaken schade en activering van de materialen. Gamma straling zorgt ervoor dat de port plug extra verhit wordt. NRG heeft laten zien dat deze effecten afhankelijk zijn van het ontwerp van de poort plug. Het is daarom belangrijk dat deze nucleaire aspecten een onderdeel vormen van het ontwerp.
Mogelijke componenten van interesse voor de Nederlandse industrie
Een component die bij uitstek van interesse is voor de Nederlandse industrie is de CXRS spectrometer. Voor het gehele UPV systeem moet een serie van spectrometers worden gebouwd welke gelijktijdig met hoge resolutie een drietal golflengtebanden kunnen meten. Het betreft hier spectrometers die niet commercieel verkrijgbaar zijn, maar die mogelijkerwijs ook van belang zijn voor gebruik in andere applicaties. Het ontwerp van de UPV en het maken van de prototypes gebeurt in samenwerking met de industrie, met activiteiten zoals het maken van diverse hoogwaardige spiegels, spiegelhouders, in-situ schoonmaken van de spiegels en structurele componenten van de poort plug.
Een andere relatief kostbare component die door de Nederlandse industrie ontwikkeld zou kunnen worden is de ca. 50 meter lange glasfiber voor het transporteren van het ontvangen licht uit de ITER tokamak naar de diagnostiekhal. Voor het LIDAR systeem is ander type spectrometer nodig. Daarnaast is er complexe optomechanica nodig, mogelijk met een actief uitlijnsysteem, voor het overbrengen van het licht van de poort plug naar de spectrometer.
Europees consortium
Het werk aan de UPV wordt uitgevoerd binnen een consortium van Europese instellingen. Het CXRS consortium wordt gezamenlijk geleid door ITER-NL en het Forschungszentrum Jülich (D). Verder doen Culham Centre for Fusion Energy (CCFE, voorheen bekend als UKAEA, UK) en de Hungarian Academy of Sciences (HAS, Hongarije) mee. Binnen het CXRS consortium wordt door ITER-NL gewerkt aan optomechanica, neutronica en aan de wetenschappelijke onderbouwing van deze systemen.
In het LIDAR consortium wordt samengewerkt aan de ontwikkeling van een geavanceerd optisch systeem om plasmatemperaturen en -dichtheden in ITER te bepalen. CCFE is de partner die dit consortium leidt. De LIDAR en CXRS consortia werken nauw met elkaar samen, wat nuttig is omdat een groot aantal zaken voor beide optische diagnostieken identiek is.