Teadlased lõid lasertehnoloogia rakenduse tuumasünteesireaktoris kütuse tuvastamiseks

Laserindutseeritud plasma spektroskoopia (LIBS) on elementanalüüsi meetod, kus materjali koostise mõõtmiseks suunatakse lühike, aga võimas laservälge uuritava objekti pinnale. Selle toimel tekib väike plasmatomp, milles sisalduvad aatomid ja ioonid kiirgavad uuritavale materjalile iseloomulikku valgust, ning seda kiirgust mõõdetakse spektromeetriga. Üheainsa laservälkega on võimalik LIBS-i abil tuvastada kõiki analüüsitavas objektis esinevaid keemilisi elemente ja teatud piirides ka nende isotoope

LIBS-meetodit kasutatakse juba laialdaselt tööstusaladel, mis on seotud inimestele keerulise keskkonnaga ning nõuavad kiiret ja ulatuslikku elemendilise koostise analüüsi. Rakendusvaldkondi on palju, näiteks geoloogilised analüüsid kosmoseuuringutes (marsikulguril Curiosity), arheoloogiliste esemete diagnostika ning metallide difusiooni uurimine päikesepatareides.

JET-i reaktor on tuumasünteesiuuringute eesliinil olnud juba 40 aastat ja praeguseks töö lõpetanud. Teadlastel õnnestus reaktori tööperioodi lõpus 2023. aasta sügisel püstitada deuteeriumi-triitiumi katsete käigus uus energiatootmise rekord ja nüüd ootab reaktorit lahtimonteerimine. Tänu LIBS-meetodile oli võimalik teha ohutult ja kiiresti triitiumimõõtmisi JET-i seinaplaatides.

Robotkäsi keerulises keskkonnas toimetamiseks

LIBS-meetodi rakendamine JET-i sõõrikukujulises vaakumkambris nõudis mitmesuguseid kohandusi. LIBS-seade paigaldati kaugjuhitavale robotkäele Mascot, mis on loodud hooldus-, remondi- ja diagnostikatoiminguteks radioaktiivses keskkonnas. Selleks, et JET-is õnnestuks teha sadu mõõtmisi, muutsid teadlased LIBS-seadme kompaktseks, kergeks ja töökindlaks. Kokku uuriti LIBS-meetodiga JET-i seina koostist enam kui 800 kohas.

Image

Robotkäele Mascot monteeritud LIBS seadme juhtimine (Foto: UK Atomic Energy Agency).

Kütusena kasutatakse JET-is ja ka tulevastes reaktorites vesiniku isotoope deuteeriumi ja triitiumi, millest viimane on radioaktiivne. JET pakub seega ideaalset katseplatvormi triitiumivarude haldamisel vajalike diagnostikameetodite arendamiseks tulevastes reaktorites, mis toodavad tuumasünteesi abil elektrit. Esialgsete tulemuste põhjal õnnestus JET-i seinaplaatides tuvastada triitiumi ja deuteeriumi kütusesegu.

Tartu Ülikooli plasmafüüsika laboris on LIBS-meetodil mõõtmisi tehtud juba ligi 20 aastat. Selle urimisvaldkonna spetsialisti, optika ja gaaslahenduse kaasprofessori Peeter Parise sõnul alustati tuumasünteesi reaktorite seinte diagnostikaga 2007. aastal, mil Eesti uurimisrühm ühines Soome Euratom-Tekesi assotsiatsiooniga. Plasmafüüsika labori teadlaste panus põhinebki sellel pikaajalisel kogemusel ja koostööl.

Tartu Ülikooli plasmatehnoloogia kaasprofessori Indrek Jõgi sõnul võttis sedavõrd keerulise katse planeerimine ja ettevalmistamine mitu aastat. „Arvukates aruteludes selgitati välja nüansid robotkäe juhtimise, LIBS-seadme disaini ja selle meetodi rakendamise kohta JET-i seinapaneelide koostise analüüsil. Tartu Ülikooli teadlased aitasid LIBS-seadme disainimisel optikaalaste teadmistega ning katsete planeerimisel ja elluviimisel oma pikaajalise kogemusega sedalaadi objektide uurimise vallas,“ selgitas Jõgi.

Ühendkuningriigis JET-i tuumasünteesireaktori uurimiskeskuses toimunud katses osalenud Tartu Ülikooli doktorandi Jasper Ristkoki sõnul oli toimunu erakordne. „Uhke tunne on öelda, et tegime midagi esimest korda inimkonna ajaloos. Aukartustäratav oli ka katseid ette valmistades selle kolossaalse reaktori kõrval seista. Iga viimne kaabel ja polt oli täpselt õige kujuga ja oma kohale disainitud. Minu jaoks on see insener-tehniline ime,“ rääkis Ristkok.

LIBS-meetodi rakendamine JET-i kaugjuhitava robotkäe abil tähistab olulist sammu LIBS-süsteemi arendamisel ja rõhutab JET-i pärandi olulisust.

Rahvusvahelises koostöös osalesid Euroopa tuumasünteesialasele teadus- ja arendustegevusele keskendunud konsortsiumi EUROfusion partnerid Soome, Saksamaa, Itaalia, Eesti, Läti, Poola, Slovakkia ja Ühendkuningriik.