Participarea Romaniei la EUROfusion WPJET4 si cercetari complementare

Asa cum rezulta din documentele ce statueaza cercetarea stiintifica privind fuziunea nucleara in cadrul programului Orizont 2020, ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) va reprezenta prima prioritate.

Pentru realizarea ITER, reactorul JET (Joint European Torus) de la Culham, Marea Britanie joaca un rol fundamental. JET a stat la baza elaborarii proiectului ITER. In plus campaniile experimentale JET vor fi orientate spre solutionarea unor probleme de fizica esentiale pentru functionarea ITER. Aceste campanii vor include in final un set cuprinzator de experimente de tip DT (deuteriu-tritiu) menite sa demonstreze compatibilitatea dintre regimurile de operare inductive cu materialele peretelui ILW (ITER-Like Wall).

In cadrul experimentelor DT se vor obtine fluxuri importante de particule alfa cu parametri pe cat de apropiati posibili de cei caracteristici pentru ITER. Aceasta reprezinta o ocazie excelenta pentru studiul confinarii particulelor alfa, fenomen essential pentru realizarea fuziunii controlate in ITER sau DEMO, etape cheie ale programelor de fuziune ce tintesc, in final, la realizarea scopului de a produce energie in regim commercial.

Upgradarea sistemului de spectrometrie gama tangential de la JET (GSU)

Proiectul are ca scop transformarea sistemului spectrometric KM6T de la JET intr-un instrument util studiului confinarii particulelor alfa in timpul experimentelor DT de la JET. IFA (ca membru al consortiul EUROfusion) impreuna cu INFLPR (linked-third-party) conduc acest proiect din al carui consortiu mai fac parte: ICI Ramnicu-Valcea, INOE Bucuresti, CCFE Marea Britanie, ÖAW Austria, CNR Italia, IPPLM Polonia, IST Portugalia, SFA Slovenia.

Principalele obiective sunt legate de proiectarea si a realizarea sistemului de ecranare si atenuare a radiatiilor neutronice si gamma. Acest sistem contine un set de ecrane pentru reducerea fondului de radiatie gama parazita rezultat in urma activarii cu neutroni a unor componente metalice invecinate sistemului spectrometric. O alta componenta esentiala a sistemului este setul de atenuatori ai fluxului neutronic contruit prin asamblarea in incinte de otel inoxidabil a unor module de hidrura de litiu. Rolul atenuatorilor este de diminua fluxul neutronic la detector si a asigura in acest fel masuratori gama de inalta eficacitate si rezolutie.Modulele de hidrura de litiu sunt realizate pe baza unei tehnologii proprii dezvoltate in cadrul acestui proiect. Modulele de hidrura de litiu sunt compuse din discuri standardizate avand o protectie laterala din inox. Lungimea de atenuare se stabileste prin suprapunerea unui numar de astfel de discuri standardizate care sunt continute intr-o carcasa de inox 304L. Carcasa este realizata pe baza tehnologiei de vid ultra inalt, fiind complet metalica inclusiv etansarera dupa umplerea cu discuri de hidrura de litiu. A fost elaborata o procedura de realizare si manipulare in conditii de asigurare a calitatii si minimizare a riscurilor. Carcasele de protectie care contin discurile de hidrura de litiu sunt stocate individual in cutii de protectie, rezistente la socuri mecanice, ermetice la apa. In interior cutiile contin o cantitate de vermiculit, material absorbant si ignifug cu care se asigura hidrura de litiu pentru transport de catre firmele specializate. Proiectarea modulelor sistemului a fost aistata de de evaluari Monte Carlo a campurilor de radiatii (neutroni si gama) in vederea optimizarii raportului semnal-zgomot la detector.

Perioada de desfasurare: 2014-2018

Obiective:

Etape si activitati prevazute:

Parteneri externi:

Rezultatele obtinute:

Publicatii:

Articole

[1] V.G. Kiptily, P. Beaumont, F. Belli, F.E. Cecil, S. Conroy, T. Craciunescu, M. Garcia-Munoz, M. Curuia, D. Darrow, G. Ericsson, A.M. Fernandes, L. Giacomelli, G. Gorini, A. Murari, M. Nocente, R.C. Pereira, C. Perez Von Thun, S. Popovichev, M. Riva, M. Santala, S. Soare, J. Sousa, D.B. Syme, M. Tardocchi, V.L. Zoita, I.N. Chugunov, D.B. Gin, E. Khilkevich, A.E. Shevelev, V. Goloborod’ko, S.E. Sharapov, I. Voitsekhovitch, V. Yavorskij, Fusion Alpha-Particle Diagnostics for DT Experiments on the Joint European Torus, Fusion Reactor Diagnostics Book Series: AIP Conference Proceedings, 1612 (2014) 87-92, doi: 10.1063/1.4894029.

[2] I Zychor , G Boltruczyk , A Burakowska , T Craciunescu , A Fernandes , J Figueiredo, L Giacomelli , G Gorini, M Gierlik , M Gosk , M Grodzicka Kobylka , J Iwanowska-Hanke, G Kaveney , V Kiptily , S Korolczuk , R Kwiatkowski , S Mianowski , M Moszynski , A Murari , M Nocente, R C Pereira, V Perseo, D Rigamonti, J Rzadkiewicz, P Sibczynski, B Santos, S Soare, A Syntfeld-Kazuch, L Swiderski, M Szawlowski, T Szczesniak, J Szewinski, A Szydlowski , M Tardocchi , A Urban, V L Zoita, High performance detectors for upgraded gamma ray diagnostics for JET DT campaigns, submitted to Physics Scripta.

[3] A.Murari, J. Figueiredo, N. Bekris, C. Perez von Thun, P. Batistoni, D. Marocco, F. Belli, M. Tardocchi, M. García Muñoz, A. Silva, S. Soare, T. Craciunescu, M. Santala, P. Blanchard, D. Croft, Upgrades of Diagnostic Techniques and Technologies for JET next D-T Campaigns, submitted to IEEE Transaction on Nuclear Science.

Conferinte

[1] T. Craciunescu, V. Braic, R. Costa Pereira, M. Curuia, A. Fernandes, V. Goloborod’ko, G. Gorini, V. Kiptily, I. Lengar, K. Schoepf, S. Soare, Ł. Świderski, M. Tardocchi, V. Yavorskij, V. Zoita, I. Zychor, JET Horizontal Gamma-Ray Spectrometer Upgrade for the alpha-Particle Diagnostic during the DT Campaign, 27th Meeting of the ITPA Topical Group on Diagnostics ITER Organization, 3-7 November 2014, Cadarache, France.

[2] I Zychor , G Boltruczyk , A Burakowska , T Craciunescu , A Fernandes , J Figueiredo, L Giacomelli , G Gorini, M Gierlik , M Gosk , M Grodzicka Kobylka , J Iwanowska-Hanke, G Kaveney , V Kiptily , S Korolczuk , R Kwiatkowski , S Mianowski , M Moszynski , A Murari , M Nocente, R C Pereira, V Perseo, D Rigamonti, J Rzadkiewicz, P Sibczynski, B Santos, S Soare, A Syntfeld-Kazuch, L Swiderski, M Szawlowski, T Szczesniak, J Szewinski, A Szydlowski , M Tardocchi , A Urban, V L Zoita, High performance detectors for upgraded gamma ray diagnostics for JET DT campaigns, International Conference on Research and Application of Plasmas Warsaw, Poland, September 7-11, 2015.

[3] J. Figueiredo, A. Murari, C. Perez Von Thun, D. Marocco, M. Tardocchi, F. Belli, M. García Muñoz, A. Silva, S. Soare, T. Craciunescu, M. Santala, P. Blanchard, D. Croft, JET Diagnostic Enhancements in Preparation for DT Operations, 1st EPS conference on Plasma Diagnostics (ECPD), April 14-17, 2015, Frascati, Italy.

[4] A.Murari, J. Figueiredo, N. Bekris, C. Perez von Thun, P. Batistoni, D. Marocco, F. Belli, M. Tardocchi, M. García Muñoz, A. Silva, S. Soare, T. Craciunescu, M. Santala, P. Blanchard, D. Croft, Upgrades of Diagnostic Techniques and Technologies for JET next D-T Campaigns, Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and their Applications, 20-24 April 2015, Lisbon Congress Center.

[5] J. Figueiredo, A. Murari, C. Perez Von Thun, D. Marocco, M. Tardocchi, F. Belli, M. García Muñoz, A. Silva, S. Soare, T. Craciunescu, M. Santala, P. Blanchard, I. Balboa, N. Hawkes, JET diagnostic enhancements in preparation for DT operations, (2016) Review of Scientific Instruments, 87 (11), art. no. 11D443.

[6] A. Murari, J. Figueiredo, N. Bekris, C. Perez Von Thun, P. Batistoni, D. Marocco, F. Belli, M. Tardocchi, M. Garcia Munoz, A. Silva, S. Soare, T. Craciunescu, M. Santala, P. Blanchard, D. Croft, Upgrades of Diagnostic Techniques and Technologies for JET Next D-T Campaigns, (2016) IEEE Transactions on Nuclear Science, 63 (3), art. no. 7497673, pp. 1674-1681.

[7] M. Curuia, T. Craciunescu, S. Soare, V.L. Zoita, V. Braic, D. Croft, A. Fernandes, J. Figueiredo, V. Goloborod’ko, G. Gorini, S. Griph, V. Kiptily, I. Lengar, S. Mianowski, J. Naish, R. Naish, M. Nocente, R. C. Pereira, V Riccardo, K. Schoepf, B. Santos, M. Tardocchi, V. Yavorskij, I. Zychor and JET contributors* EUROfusion Consortium, JET, Culham Science Centre, Abingdon, OX14 3DB, UK, Upgrade of the tangential gamma-ray spectrometer beam-line for JET DT experiments, 29th Symposium on Fusion Technology 2016, Sept. 5-9, 2016, Prague, Czech Republic.

Persoane de contact: T. Craciunescu (teddy.craciunescu@gmail.com), V. Braic (vbraic@inoe.ro) M. Curuia (marian.curuia@icsi.ro), V. Zoita (vlzoita@dmp.plasma.ro).


Realizarea unui monitor de particule alfa (LRM)

Particulele alfa rapide au fost studiate la JET cu ajutorul unor sisteme de diagnoza ce furnizeaza informatii despre particulele confinate si pierdute ca de exemplu: sistemul KN3 (camerele de radiatie gamma) pentru studierea distributiei spatiale a surselor de radiatie gamma; sistemul KM6 (spectrometru de radiatie gamma) pentru analiza spectrometrica a radiatiei gamma emisa de plasma; sistemul matrice de cupe Faraday pentru studierea particulelor alfa; sonda de scintilatie pentru studierea ionilor rapizi.

Obiectivul principal al proiectului LRM este dezvoltarea unei noi tehnici de diagnoza a particulelor rapide inclusiv a particulelor alfa. Aceasta metoda se bazeaza pe detectarea radiatiei gamma indusa de particulele pierdute intr-o tinta aflata in afara plasmei. Obiectivele subsecvente sunt calcularea fluxului de particule alfa pe tinta, calcularea emisiei de radiatie gamma a tintei, proiectarea tintei, fabricarea si instalarea tintei si elaborarea unei proceduri pentru procesarea datelor de caracterizare a plasmei. Initial a fost dezvoltat un concept simplu ce presupunea costuri reduse si se baza pe introducerea unei tinte de Be in canalul 10 al camerei de gamma. Radiatia emisa de tinta urma sa fie colimata si prelucrata cu ajutorul unui sistem sau sisteme dezvoltate sau care urmau a fi dezvoltate in cadrul unui alt proiect din WPJET 4. Curind a fost realizat faptul ca implementarea unui principiu fizic relativ simplu implica un sistem de diagnoza complex. Mai mult decit atit prezenta unei cantitati mari de carbon (caramizile divertorului - CFC) complica si mai mult decelarea radiatiei gamma emisa de tinta din fondul intens al radiatiei gamma emisa de carbonul supus actiunii neutronilor rapizi. Linia radiatiei gamma emisa de carbon in aceste conditii are aceeasi energie ca cea emisa de tinta de beriliu.

In faza de elaborare a studiului de fezabilitate au fost prezentate detaliat citeva solutii dezvoltate si evaluate pentru monitorul de particule alfa. Au fost analizate 2 locatii: camera de radiatie gamma orizontala KN3 (octantul 1 al reactorului JET) si camera de raze X KJ5 (octantul 5). Pentru prima locatie au fost dezvoltate doua solutii de concept, iar pentru locatia a 2-a s-au dezvoltat patru solutii de concept. Unul dintre conceptele propuse pentru locatia KJ5 a fost dezvoltat suficient de mult astfel incat s-a constatat ca era necesar un buget de citeva ori mai mare decit cel alocat intregului proiect. De asemenea s-au realizat calculele necesare proiectarii iar rezultatul lor a avut un impact direct asupra proiectarii diagnosticii.

Perioada de desfasurare: 2014-2016

Obiective:

Obiectivul principal al proiectului LRM este dezvoltarea unei noi tehnici de diagnoza a particulelor rapide inclusiv a particulelor alfa. Aceasta metoda se bazeaza pe detectarea radiatiei gamma indusa de particulele pierdute intr-o tinta aflata in afara plasmei.

Obiectivele subsecvente sunt calcularea fluxului de particule alfa pe tinta, calcularea emisiei de radiatie gamma a tintei, proiectarea tintei, fabricarea si instalarea tintei si elaborarea unei proceduri pentru procesarea datelor de caracterizare a plasmei.

Etape si activitatiile prevazute:

Parteneri externi:

Rezultate obtinute:

Propunerea initial aproiectului se baza pe un concept simplu ce presupunea costuri reduse si se baza pe introducerea unei tinte de Be in canalul 10 al camerei de gamma. Radiatia emisa de tinta urma sa fie colimata si prelucrata cu ajutorul unui sistem sau sisteme dezvoltate sau care urmau a fi dezvoltate in cadrul unui alt proiect din WPJET 4. Curind a fost realizat faptul ca implementarea acestui concept fizic relativ simplu implica un sistem de diagnoza complex. Mai mult decit atit prezenta unei cantitati mari de carbon (caramizile divertorului - CFC) complica si mai mult decelarea radiatiei gamma emisa de tinta din fondul intens al radiatiei gamma emise de carbonul supus actiunii neutronilor rapizi. Linia radiatiei gamma emisa de carbon in aceste conditii are aceeasi energie ca cea emisa de tinta de beriliu. In faza I de elaborare a studiului de fezabilitate au fost prezentate detaliat citeva solutii dezvoltate si evaluate pentru monitorul de particule alfa. Au fost analizate 2 locatii: camera de radiatie gamma orizontala KN3 (octantul 1 al reactorului JET) si camera de raze X KJ5 (octantul 5). Pentru prima locatie au fost dezvoltate doua solutii de concept, iar pentru locatia a 2-a s-au dezvoltat patru solutii de concept. Tot in faza I s-au realizat calcule MCNP cu impact direct asupra proiectarii monitorului de particule alfa si al diagnosticii KA4. Printre altele s-a aratat faptul ca raportul dintre radiatia gamma parazita emisa de placile de CFC prinse in cimpul de vizare al detectorului si radiatia gama emisa de tinta este de peste 10.

Publicatii:

Conferinte

[1] V.G. Kiptily, T. Craciunescu, M. Curuia, S. Soare, V.L. Zoita, et al., Diagnostics for alpha-particle studies in JET Deuterium-Tritium Experiments, ITPA Diagnostics Topical Group, General Atomics, San Diego, USA, June 4th 7th, 2013

[2] V.G. Kiptily, T. Craciunescu, M. Curuia, S. Soare, V.L. Zoita, et al., On gamma-ray & HXR spectrometry for plasma control in fusion reactors, 21st European Fusion Physics Workshop, 9-11 December 2013, Sørup Herregaard, Ringsted, Denmark

[3] Vasily Kiptily, Sorin Soare, Vasile (Liviu) Zoita, Teddy Craciunescu, Marian Curuia, Rita Costa Pereira, Ana Fernandes, Klaus Schoepf, Victor Yavorskij, Victor Goloborod’ko, Izabella Zychor, Lukasz Swoderski, Igor Lengsr, Lost Alpha-Particle Gamma-Ray Monitor for the JET DT Campaign, 27th Meeting of the ITPA Topical Group On Diagnostics, ITER Organization, Cadarache, France, 3-7 November 2014

[4] V.G. Kiptily, T. Craciunescu, M. Curuia, S. Soare, V.L. Zoita et al., On alpha-particle diagnostics for JET DT experiments, Fast Ion Topic Group meeting, Culham, Abingdon, UK, 20th March 2015

Persoane de contact:

Sorin Soare (sorin.soare@icsi.ro),V. Zoita (vlzoita@dmp.plasma.ro)


Metode de evaluare a erorilor si artefactelor in tomografia de emisie gama si de neutroni la JET

Intre intrumentele de diagnostica a plasmei de la JET, un rol aparte e ocupat de cele doua camere echipate cu detectori de neutroni si gama ce vizeaza plasma la 90 de grade intr-o geometrie de tip fan-beam (cu 19 linii de vizare). Geometria de masura permite realizarea de reconstructii tomografice, dar problema tomografica este una cu date limitate. Diferite metode de reconstructie au fost dezvoltate in timp, doua dintre ele fiind contributia echipei prezentului proiect. Cu toate acestea o problema evaluarii erorilor ce insotesc reconstructiile emisivitatii gama si neutronice ramane o deschisa. In cadrul proiectului este dezvoltata o metoda analitica de evaluarea a incertitudinii care caracterizeaza imaginea reconstruita. Metoda este aplicabila pentru diagnostica de rutina la JET, inclusive in cursul campniilor experimentale. Testarea si validarea metodei se realizeaza prin intermediul unui set cuprinzator de simulalri numerice cat si prin aplicarea pe date experimentale de la JET. Rezultatelor metodei analitice au fost comparate cu rezultatele obtinute prin simulari Monte Carlo efectiate pentru evaluarea incertitudinilor reconstructiilor tomografice. S-a constat ca diferenta intre cele doua seturi de rezultate este sub 8% si ca matricea de covarinata, evaluata la fiecare pas iterativ al metodei de reconstructie se stabilizeaza dupa 15-20 iteratii.

Au fost identificate de asemenea cele mai importante surse de erori ce pot fi induse de conditiile de masurare experimentala. Astfel, in cazul tomografiei de emisie gama, a fost cuantificat influenta fondului radiativ produs prin capturi neutronice in timpul descarcarilor in plasma, efect ce poate induce artefacte semnificative ce au ca rezultat o posibila interpretare fizica eronata a rezultatelor tomografice. De asemenea, in prezent este evaluata aplicabilitatea metodei pentru reconstructii efectuate in imediata vecinatate a disruptiilor plaamei, situatie in care configuratiile magnetice au o evolutie foarte rapida.

Perioada de desfasurare: 2014-2016

Obiective:

Etapele si activitatile prevazute:

Parteneri externi:

Rezultate obtinute:

A fost dezvoltata o metoda analitica de evaluare a incertudinilor statistice in tomografia de emisie la JET. Au fost identificate cele mai importante artefacte ce pot afecta calitatea reconstructiei si au fost dezvoltate metode pentru compensarea acestor efecte. Metodele sunt aplicabile in cadrul campaniilor experimentale de la JET.

In cadrul viitoarei campanii experimentale de tritium de la JET numai una din directiile de vizare a plasmei va fi disponibila (din considerente legate de intensitatea fluxului neutronic si de imposibilitatea fizica de a monta pentru cealalta directive un system de atenuatori). In acest caz o reconstructive explicita a emisivitatii nu mai este posibila. Totusi metode de clasificare bazate pe paradigme de inteligenta artificiala pot fi utilizate pentru determinarea tipului distributiei emisivitatii. A fost dezvoltata o metodologie bazata pe functii de incrdere (belief functions) care realizeaza fuziunea informatiei furnizate de clasificatori de tip SVM (Support Vector Machines) si de clusterizare. Metodologia permite combinarea informatiei furnizate de diverse metode de clasificare, caracterizate de diverse grade de incertitudine si care separate pot furniza informatii contradictorii.

Publicatii:

Articole

[1] T. Craciunescu, A. Murari, V. Kiptily, J. Vega, Classification of JET neutron and gamma emissivity profiles, Journal of Instrumentation, 11-5 (2016), art. no. C05021.

[2] T. Craciunescu, A. Murari, V. Kiptily, I. Lupelli, A. Fernandes, S. Sharapov, I. Tiseanu, V. Zoita, Evaluation of reconstruction errors and identification of artefacts for JET gamma and neutron tomography, Rev. Sci. Instrum. 87, 013502 (2016).

[3] Bielecki, J., Giacomelli, L., Kiptily, V., Scholz, M., Drozdowicz, K., Conroy, S., Craciunescu, T., Kempenaars, M., Phillips-Tikhonov regularization with a priori information for neutron emission tomographic reconstruction on Joint European Torus, (2015) Review of Scientific Instruments, 86 (9), art. no. 093505.

Conferinte

[1] T. Craciunescu, A. Murari, V. Kiptily,, J. Vega, Last Developments in Tomographic Reconstructions for the Exact Sciences, accepted for 4th International Conference Frontiers in Diagnostic Technologies ICDFT-16, 29th March -1st April 2016 Frascati, Italy.

[2] Mlynar, J. Bielecki, T. Craciunescu, O. Ficker, M. Imrisek, M. Tomes, B. Alper, L. Giacomelli, A. Milocco, S. Popovichev, T. Shlummer, Recent progress in plasma tomography at JET, 27th Symposium on Plasma Physics and Technology, Prague, Czech Republic, June 18–21, 2018.

[3] T. Craciunescu, A. Murari, V. Kiptily, I. Lupelli, A. Fernandes, S. Sharapov, I. Tiseanu, V. Zoita, New developments in JET gamma emission tomography, 1st TM IAEA on Fusion Data Processing, Validation and Analysis, Nice , France; 06/2015

[4] I.Lupelli, L.C.Appel, R. Akers, F. Maviglia, G. Artaserse , M. Gelfusa , A. Murari, N.C. Hawkes, H-T. Kim, V. Kiptili, T. Cracinescu, The EFIT++ equilibrium code: recent upgrades and applications to air-core and iron-core machines, 1st EPS conference on Plasma Diagnostics (ECPD), April 14-17, 2015, Frascati, Italy

Persoanele de contact: T. Craciunescu (teddy.craciunescu@gmail.com)