Trícium kalorimetria – részvétel egy EFDA tréning

programban

Bükki-Deme András Tudományos munkatárs / TRI-TOFFY trainee

MTA ATOMKI – Elektronikai osztály

Debrecen, 2012.05.24

TRI-TOFFY projekt (TRItium TechnOlogies for Fusion Fuel cYcle)

• Egy EFDA GOT (Goal Oriented Training) program:

– TRI-TOFFY: 6 kutatóintézet – 6 tanonc

– Cél: „toborzás” fúziós kutatási területekre + DT üzemanyag ciklus fejlesztése

– Kutatási / fejlesztési témák:

• trícium üzemanyagciklus TOKAMAK-ban (ITER, DEMO)

• Izotóp szeparáció (cryo-desztilláció, molekuláris szűrők, membrántechnológia)

• trícium tenyésztés (lítiumból, jelenleg több féle koncepció létezik)

• trícium detektálása (spektroszkópiai módszerek, kalorimetria, …)

– 3 éves projekt (2010 március – 2013 március):

• 1 hónap JET (Joint European Torus, Culham, Anglia)

• 6+11 hónap TLK

(Tritium Laboratory Karlsruhe)

Karlsruhe Institute of Technology

• 9 000 alkalmazott (oktató/kutató: 5 600)

• 22 000 hallgató (ebből 9 600 mérnök, 7 000 természettudományi szakos)

• Költségvetés: 371+361 millió EUR (Egyetem+kutatóintézet, 2010-es adat)

• Fúzióhoz kapcsolódó kutatások (ITER több komponensét itt fejlesztik):

– DT üzemanyagciklus

– Vákuumtechnológia

– Mikrohullámú plazmafűtés

– Szupravezető technológiák

– Plazma-fal kölcsönhatások

– Robotika („remote handling”)

– Magnetohidrodinamika (folyékony PbLi tenyésztő, kísérlet NaK-al)

Trícium labor Karlsruhe (TLK)

TLK

• A két fő feladata:

– DT üzemanyag ciklus kidolgozása

– Neutrínó tömeg mérés (KATRIN kísérlet, építés alatt)

• Licensz 40 g trícium tárolására, jelenleg 2̴0 g a laborban

TLK

• A két fő feladata:

– DT üzemanyag ciklus kidolgozása

– Neutrínó tömeg mérés (KATRIN kísérlet, építés alatt)

• Licensz 40 g trícium tárolására, jelenleg 2̴0 g a laborban

Trícium

Atomtömeg 3,01605 g

Felezési idő 12,3232 ± 0,0043 év

Bomlási hő 0,324 W/g ± 0,3 %

1 g trícium ̴10 000 Ci

1 Watt ̴3 g trícium

1 Ci ̴33 µW

Elektron behatolási mélység - levegő

~ mm

Emberi bőr ~ µm Alacsony energiás β- bomlás (átlagos elektron energia: 5,7 keV)

Motiváció

DT fúzió Fúziós reaktor

• ITER: csak impulzus üzem, 10 g trícium / impulzus (1 kg készlet)

• DEMO: 1 GWhő (=2,7 GWfúziós) 400 g trícium naponta (1%-os hozam miatt 40 kg

trícium processzálandó / nap!)

Fourier-Kirchhoff egyenlet

Thideg

Tmeleg

π

Δ

Σ Belső energia változása

Hőforrás

Hő transzport

Adiabatikus Izotermális

ΔTmintatartó Mért jel Seebeck- feszültség

Abszolút Szenzor Derivatív

Hőkapacitás függő

Kalibráció Hőkapacitás független

Kaloriméter típusok

Min

ta

ΔT=

?

Hő

szig

ete

lés

Adiabatikus kaloriméter

Izotermális kaloriméter

Min

ta

T=ál

l.

Hő

szig

ete

lés

Termoelektromos szenzor

T=ál

lan

dó

Nem igazán alkalmas nagy mintatérfogat / kis teljesítmények esetén!

Termoelektromos szenzorok

Termoelektromos modul (TM):

•Termopárok nyalábban

•n és p szennyezett BiTe lábak

•Modul Seebeck-együtthatója:

•US ∝ termopárok száma (V/K)

•Modul hővezető képessége:

•K ∝ termopárok száma (W/K)

•Szenzor érzékenysége: S (V/W)

Tulajdonságok:

•Passzív mérési mód

• >1 V/K jel termosztátként

•Fordított módban: Peltier-

hőpumpa KU

S S

• Termoelektromos szenzorok

•Mérési idő ∝

•hőkapacitás/ hővezetőképesség

• Megnövelt szenzor felület:

•érzékenység állandó

•rövidebb mérési idő

•mérési hiba növekszik

•Pl.: S = 0,3 V/W érzékenység

•U = 300 nV jelszint 1 µW forrásnál

•A hőmérséklet stabilitás

létfontosságú!!!

Kis teljesítmények mérése nagy mintatérfogatban – Izotermális kaloriméter

Minta 1 µW hőforrással

Hőmérséklet stabilitás fontossága

• U = 300 nV jelszint 1 µW forrásnál

• USeebeck = 1,6 V/K

• Hagyományos termosztát:

•Tfluktuációk = 10-4 Kelvin

• Zajszint: 160 000 nV !!!

• „Inerciális termosztát”:

•Tfluktuációk = 3· 10-8 Kelvin

•Zajszint: 48 nV

Tfluktuációk

*J. L. Hemmerich, J.-C. Loos, and A. Miller, Review of Scientific Instruments 67, 3877 (1996).

Inerciális szabályzású vákuum kaloriméter

Vízkör szab.

RTD 1

Durva szab.

RTD 2

Finom szab.

Mintatartó

Támasztás

Alap

“Inerciális tömeg”

U

Hőcserélő

10-5 mbar

Sugárpajzsok

Hőpumpa

Termoelektromos szenzor

IGC-V0.5

IGC-V0.5

IGC-V0.5 – megnövelt stabilitás

IGC-V0.5 hosszú távú (in)stabilitás

Kigázosodás a szenzoroknál

IGC-V0.5 hosszú távú (in)stabilitás

21:35

20:35 20:35

22:35

Utolsó projekt – IGC-V25

Trícium kaloriméterek összehasonlítása

IGC-V25 (2002)

ANTECH 351 (1998)

IGC-V0.5 (1999)

ANTECH HF400-7200

SETARAM LVC-390

Cél

RTD 2

Mintatartó

Alap

Hőcserélő

10-5 mbar

Támasztás

…és még néhány ötlet

Zsilip Vákuum TRTD2

@ durva szabályzás

Hő

mé

rsé

klet

sza

bál

yzo

tt t

arto

mán

y

Hélium

Summer school on calorimetry

Köszönöm a figyelmet!