Metody Pomiaru Neutronów dla Tokamaków Marek Scholz

W jakim celu mierzymy neutrony emitowane z plazmy ? Plazma deuterowa (deuterowo-trytowa) w TOKAMAKU, PINCHU, wytwarzana LASEREM jest źródłem neutronów W jakim celu mierzymy neutrony emitowane z plazmy ? Chcemy scharakteryzować PLAZMĘ poprzez zbadanie jej jako źródła NEUTRONÓW

Diagnostyka neutronowa pozwala na: określenie ρ, Ti; wnioskowanie o własnościach transportu cząstek (np. dyfuzji i dyfuzji termicznej; testowanie hamowania szybkich cząstek w plazmie; wnioskowanie o obecności efektów związanych z niestabilnościami MHD NATĘŻENIE emisji NEUTRONÓW informuje nas o postępie w osiągnięciu warunków syntezy t-j

Jakie parametry emisji neutronów mierzymy ? Całkowite natężenie emisji neutronów; Emisję neutronów w funkcji współrzędnej poloidalnej Widmo energetyczne emitowanych neutronów

Zaleta pomiarów: Oszacowanie parametrów plazmy bezpośrednio z pomiarów neutronowych ma prostą interpretację Główne problemy pomiarowe związane z emisją neutronów w przypadku tokamaków: skala czasu emisji 1 – 100 ms; intensywność emisji 1010 – 1019 s-1; obecność neutronów z reakcji p, d, 3He z 9Be i 12C

Jak wykorzystujemy wyniki pomiarów emisji neutronów ? KOD TRANSP INPUT ne(r,t),Te(r,t), ni(r,t),Ti(r,t), Prad(r,t),Ip(t), Vp(t), Zeff, grzanie NBI, <v>, f(vfb) OUTPUT Obliczony udział Ynbb, Ynbt, Ynth,w Yntcal, Porównanie Yntcal z Yntmes

Podstawy teoretyczne Reakcje syntezy D+D t(1,011 MeV) + p(3,022 MeV) Q = 4,033 MeV D+D 3He(0,820 MeV) + n(2,499 MeV) Q = 3,269 MeV D+T 4He(3,561 MeV) + n(14,029 MeV) Q = 17,589 MeV T+T 4He + 2n Q = 11,332 MeV t+D 4He + n Q = 17,589 MeV

Reakcja t+D w plazmie deuterowej t( 1MeV) tD max dla 165 keV Neutrony 2.5 MeV sygnalizują pojawienie się t; Obserwacja 14 MeV n dostarcza informacji o: Utrzymaniu plazmy; Czasie hamowania t dyfuzji t RCt  RC - hamowanie, utrzymanie i dyfuzja dla t będzie podobna do zachowania się 

Przekroje czynne na reakcję syntezy

Wiarygodne przekroje czynne nie są dostępne dla E < 15 keV Ekstrapolowane teoretyczne formuły: A (b keV)  (keV-1) R (keV1/2) D-D 52.6 -5.8·10-3 31.39 D-T 9821 -2.9·10-2 34.37 dla E poniżej Ebc

<v> Szybkość reakcji syntezy w jednostce objętości

Całkowanie dla rozkładu Maxwella <v> Całkowanie dla rozkładu Maxwella i dla niskich T

Widmo energii neutronów Średnia energia n i rozkład energii n z reakcji D-D lub D-T dają informacje o T plazmy- dla wybranych rozkładów Maxwella Gauss Szerokość połówkowa rozkładu (FWHM) - F

Dla plazmy nie-maxwellowskiej, ale z izotropowym rozkładem prędkości jonów – widmo energetyczne n będzie zawsze w przybliżeniu gaussowskie Dla plazmy w polu magnetycznym – widmo energetyczne n będzie zależeć od: kątowego rozkładu prędkości jonów; kąta wstrzeliwania wiązki neutrałów kąta obserwacji

Pomiar całkowitego natężenia emisji neutronów w czasie Yn(t) Dla czystej plazmy deuterowej mamy n o energiach 2.5MeV, ale i od 0.2 – 2% n 14 MeV z reakcji D-t Dla plazmy deuterowo-trytowej mamy n o energiach 14 MeV Stąd dogodnie jest posiadać prosty detektor mierzący n z tego zakresu energii Czas pomiaru określony jest czasem wyładowania lub najszybszego zjawiska (JET od 5 ms do 30s)

Lokowane blisko komory próżniowej Detekcja n – pomiar Yn(t) Liczniki proporcjonalne z BF3 lub 3He, czułość – rejestrują 1 n na każde 106 Komory rozszczepieniowe z 235U czułość (dla 1g 235U) – rejestrują 1 n na każde 108 Komory rozszczepieniowe z 238U ( próg 1MeV) czułość (dla 1g 238U) – rejestrują 1 n na każde 1012 Lokowane blisko komory próżniowej

Yn(t) z komory rozszczepieniowej 235U

Zmierzone diodą silikonową ( próg 7MeV) Yn(t) z DD i Dt (JET) Zmierzone diodą silikonową ( próg 7MeV)

Yn(t) z reakcji DT (JET)

Położenie detektorów Idealnie – na osi symetrii komory próżniowej tokamaka poniżej lub powyżej płaszczyzny torusa Konwencjonalnie – w płaszczyźnie torusa im bliżej tym lepiej Dwa przykazania: najwyżej kilka masywnych obiektów między plazmą a detektorem żadnych zmian materiałów i położeń w trakcie czasu życia układu

Kalibracja detektorów Źródło o znanej I n/s, punktowe umieszcza się w wielu miejscach komory próżniowej Dla dużych tokamaków stosujemy 252Cf (ciągłe widmo n do 10 MeV z max ok. 2MeV Obliczenia transportu n pokazujące równoważność rejestracji dla widma Cf i plazmy