A jövő fúziós berendezéseinek biztonságos működéséhez elengedhetetlen az ITER SPI technológiájának folyamatos fejlesztése és kísérleti támogatása. Ennek érdekében a HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumában egy dedikált kriogén tesztinfrastruktúra jött létre, amely lehetővé teszi a hidrogénfagyasztási folyamatok, köztük a parahidrogén alkalmazásának részletes vizsgálatát.
Miért volt szükség külön kriogén tesztrendszerekre?
Az SPI rendszer egy aktív mérési infrastruktúra, amin az ITER számára releváns kísérletek zajlanak. Bár technikailag lehetséges lenne az új fejlesztések SPI rendszeren való tesztelése, ez mérési időt venne el, ezért bizonyos validációs mérések és fejlesztési ötletek hatékonyabban vizsgálhatók egy attól teljesen elkülönített, dedikált tesztkörnyezetben.
Ennek a szerepét tölti be a Crypt-on névre keresztelt kriogén tesztrendszer, amely az SPI kiegészítéseként működik és lehetőséget biztosít arra, hogy új koncepciók, mérési eljárások és technológiai megoldások kerüljenek kipróbálásra.
A Crypt-on rendszer kialakulása és szerepe
A kezdeti kísérletek és mérések sikeressége során világossá vált, hogy a kutatási irányok sokszínűsége miatt szükség van több kriogén tesztrendszerre. Ennek eredményeként két többfunkciós kriosztát kerül installálásra, amik több fejlesztésnek is infrastruktúrát biztosítanak majd.
Egyik ilyen fejlesztés a Parahidrogénnel kapcsolatos kísérletek. Ebben a rendszerben vizsgálható a parahidrogén alkalmazásának hatása a hidrogénfagyasztási folyamatokra, valamint az ehhez kapcsolódó jelenségek részletes vizsgálata.
Egy másik fejlesztési irány az„extruderes” pelletkészítési mérések. Itt különböző extrúderkoncepciók tesztelése zajlik a jövőben, beleértve a saját fejlesztésű „dugattyús” extrúdert, valamint további tervezett megoldásokat, például „csavar” extruder rendszereket. Ezek az extrúderek a műanyaggyártásban ismert extrúderekhez hasonló eszközök, azzal a különbséggel, hogy kb. 13 K (-260 °C) hőmérsékletű hidrogénjégrudat készítenek.
Mindkét rendszer kialakításánál cél volt, hogy működésük és vezérlésük az SPI rendszeréhez hasonló legyen. A kriosztátok többféle hűtési megoldást támogatnak, beleértve a folyékony nitrogénes, folyékony héliumos és cryo-cooler alapú hűtést is.
Mi az a Kriosztát?
A kriogenika a fizikának az az ága, amely az anyagok extrém alacsony hőmérsékleteken való viselkedését vizsgálja. 120 K (-153 °C) alatt beszélhetünk kriogén hőmérsékletről. A kriosztát egy olyan eszköz, ami ilyen alacsony hőmérséklet létrehozását/fenntartását teszi lehetővé. Ezt az alacsony hőmérsékletet különböző technológiákkal lehet elérni. Egyrészt kell egy hűtőközeg, ami lehet folyékony hélium vagy nitrogén, valamint megfelelő szigetelés. Az általunk használt kirosztátok vákuumkamrák, amiken belül egy többrétegű hőszigetelő fal, úgy nevezett hőpajzs található. A vákuum megakadályozza, hogy hővezetés útján a levegő bevezesse a külső környezet hőjét, a hőpajzs pedig a hősugárzást árnyékolja le. (1) (2)
Parahidrogén alkalmazása és eredmények
A parahidrogén alkalmazásának vizsgálata jelenleg az egyik témája a Crypt-on rendszerben történő kísérleteknek. A hidrogén molekuláris szinten két különböző izomer formában létezik, ortohidrogén és parahidrogén formájában. A két állapot közötti különbség a molekulán belüli protonok spinjeinek egymáshoz viszonyított irányából adódik. Szobahőmérsékleten a hidrogéngáz természetes módon kevert állapotban van jelen, amelyben megközelítőleg huszonöt százalék a parahidrogén aránya. A hőmérséklet csökkentésével a termodinamikai egyensúly a parahidrogén irányába tolódik el, és kriogén hőmérsékleteken a rendszer közel teljes egészében parahidrogénből áll.
Ez az átalakulás azonban katalizátor nélkül rendkívül lassú folyamat. A rendszerben alkalmazott katalizátor kulcsszerepet játszik abban, hogy az ortohidrogén gyorsan és kontrollált módon alakuljon át parahidrogénné, az adott hőmérsékleten érvényes egyensúlyi állapotnak megfelelően.
A mérések és a szimulációk egyaránt azt mutatják, hogy a parahidrogén használata a normál hidrogénhez képest jelentősen csökkentheti a fagyasztási időt. A tapasztalatok szerint megfelelő körülmények között húsz-harminc százalékos javulás érhető el. Mivel a hidrogénpelletek elkészítési ideje kritikus az ITER működése szempontjából, ezért a parahidrogén használata kulcsfontosságú lehet a megfelelő minőségű pelletek gyors gyártásában.
A Crypt-on rendszer lehetőséget biztosít a parahidrogén hatásának vizsgálatára.
A parahidrogén alkalmazásának kísérleti és technológiai hátterét, valamint a folyamatos üzemű parahidrogén-katalizátor fejlesztését egy önálló tudományos publikáció tárgyalja részletesen:
Málics, M., Csiszár, R., Kerényi, G. Z.
The development of a small continuous flow parahydrogen catalyst for cryogenic pellet experiments
Fusion Engineering and Design, Volume 216 (2025), 115015
https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2025.115015
Hidrogénjég képződése:
Jelentőség az ITER SPI fejlesztése szempontjából
A Crypt-on kriogén tesztrendszerek nem csupán kísérleti platformok, hanem az ITER SPI technológiájának jövőbeli fejlesztését megalapozó eszközök. Az itt szerzett tapasztalatok közvetlenül hozzájárulnak a pelletkészítés és -belövés optimalizálásához, valamint új működési tartományok feltárásához.
A HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont Fúziós Plazmafizika Laboratóriumában zajló fejlesztések így hosszú távon is meghatározó szerepet játszanak az ITER diszrupcióelhárító rendszerének technológiai hátterében, és erősítik a hazai hozzájárulást a nemzetközi fúziós kutatásokhoz.
Szerző: Málics Marcell
