A jövő energiatermelésének kulcsa a fúziós reaktor, amelynek fejlesztése kísérleti fázisban van. Az egyik legnagyobb berendezés, az európai fúziós kutatások alappillére nyáron lép üzembe Németországban. A reaktor működését felügyelő kamerarendszert az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban fejlesztették. A Computerworld kérdéseire Dr. Szepesi Tamás fizikus és Szabolics Tamás szoftverfejlesztő mérnök válaszoltak.
A Wendelstein 7-X az európai fúziós kutatások egyik alappillére, egyben Németország egyik legnagyobb kutatás-fejlesztési beruházása, melyhez magyar kutatók és mérnökök terveztek és építenek egy tíz kamerából álló, intelligens videomegfigyelő rendszert, amelynek már a berendezés működésének első pillanatától fontos szerepe lesz. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont szakemberei tavasszal véglegesítik és tesztelik a rendszert, hogy a nyári induláskor minden a legnagyobb rendben működjön majd.
Computerworld: Miért a magyar szakemberek kapták a lehetőséget a fejlesztésre? Hány fős csapat dolgozott rajta, és milyen arányban vettek részt a projektben női szakemberek?
Wigner: A magyar kutatók már majdnem 30 éve vesznek részt a magfúziós kutatásokban és ez idő során sok kísérleti berendezéshez építettünk már különböző diagnosztikákat. A most épülő fúziós berendezés elődjénél is volt egy 4 kamerából álló megfigyelőrendszerünk, és ennek kapcsán kaptuk a felkérést a német fél részéről a mostani 10 kamerás rendszer megtervezésére és megépítésére. A projekten jelenleg 3 fizikus és 3 mérnök dolgozik nálunk, illetve több külső céggel is együttműködünk. Sajnos ezen a kutatási területen kevés női szakember dolgozik, így ebben a projektben jelenleg nem vesz részt női kolléga.
CW: Sikerként értékelik a projektekben történő részvételt?
Wigner: Természetesen sikernek tartjuk ezt a projektet egyrészt azért, mert a világ legbonyolultabbnak tartott, csúcstechnológiás fúziós kísérleti berendezéséhez építhetünk meg egy alapvetően fontos rendszert, illetve azért is, mert kis ország ellenére elég nagy szerepünk van az európai fúziós kutatási programban.
CW: A magyar kutatók a világ több vezető fúziós berendezése számára is építenek és üzemeltetnek hazai fejlesztésű mérőberendezéseket. Mit jelent a hazai szakemberek számára, hogy már a világ legbonyolultabb fúziós berendezése, a W7-X mellett is hazai rendszer működik majd?
Wigner: Nagyon büszkék vagyunk a sikereinkre és örülünk annak, hogy a projektjeinkkel a hazai kutatók jó hírnevét öregbítik külföldön. Ugyanakkor jelentős nyomás is nehezedik ránk, sokat kell utaznunk, a szeretteinktől távol lennünk – de minden téren igyekszünk megfelelni a kihívásoknak.
CW: Pontosan mi lesz a kamerák feladata? Melyek azok a fontos feladatok, amiket kezdettől fogva ellátnak majd?
Wigner: A kamerarendszer fő feladata a berendezés megvédése az esetleges károsodásoktól. Ez úgy történik, hogy a kamerák a berendezés teljes belső terét látják és figyelik, és a kamera képes valós időben elemezni a készített képkockákat, meg tudja határozni a károsodás bekövetkezése előtt, ha nem megfelelően alakulnak odabent a dolgok, és automatikus jelzést tud küldeni a kísérletvezérlő rendszernek.
CW: Miért pont tíz kamerát tartalmaz a rendszer?
Wigner: Ennek a berendezésnek az esetében ennyi kamerával lehet biztosítani azt, hogy a teljes belső teret láthassuk.
CW: Melyek a rendszer legfőbb funkciói?
Wigner: A rendszer tulajdonképpen egy biztonsági kamerarendszerként működik, csak sokkal gyorsabban készít képeket az átlagos kameráknál, és nagyon zord körülmények között működik. Különleges szenzorának és felépítésének köszönhetően pedig egyidejűleg képes nagyon gyors és lassú felvételek készítésére – ez olyan, mintha nem egy, hanem két kamera lenne egy eszközben. Ez a funkció lehetővé teszi a fizikusok számára érdekes jelenségek rögzítését is az alap biztonsági funkció használata mellett.
CW: Hogyan garantálja a rendszer a folyamatos működést?
Wigner: Mivel a kísérleti berendezés hosszú folyamatos működésre van kitalálva, ezért eleve nekünk is így kellett megterveznünk a saját rendszerünket. Ezt úgy tudjuk garantálni, hogy rövid időre sem tároljuk az adatokat a kamerákban, hanem a képkockák folyamatosan áramlanak az adatgyűjtő kártyán és DMA-n keresztül a felhasználó által is használható memóriaterületre – amiket aztán egyrészt monitorokon megjelenítünk, másrészt pedig SSD-re streamelünk. Így garantálható a rendszer folyamatos valós idejű működése – ehhez persze egyedi hardvermegoldásokra van szükség. Másrészt a beépített intelligencia lehetővé teszi, hogy a kamerákat úgy állítsuk be, hogy automatikusan eldönthessék, melyik képkockákat tárolják el, és melyeket nem. Egy megfelelően kidolgozott beállítással tehát jelentős mennyiségű tárhelyet spórolhatunk, ami a folyamatos üzem mellett alapvető fontosságú.
CW: Az intelligens videomegfigyelő rendszer milyen innovatív megoldásokat tartalmaz?
Wigner: Az egyik nagyon fontos újítás a kamera felépítésében van. Amíg a hagyományos kamerák egyetlen egységből állnak, ami nagy tudású eszközök esetén akár cipősdoboznyi vagy még nagyobb méretet is jelent, a mi kameránk két részből áll: a kamerafejből és a vezérlőegységből. A kamerafejet úgy terveztük meg, hogy a lehető legkevesebb elektronikus alkatrészt tartalmazza, így kisméretű és a mágneses térnek ellenálló lett. Ez a fúziós kísérleti berendezések közelében nagyon fontos kritérium. A vezérlőegység pedig egy PCI-express alapú gyors FPGA kártya, ami biztosítja a kellő sebességet a valósidejű képfeldolgozáshoz.
A másik jelentős innováció a kamera működésében rejlik: a már említett speciális szenzor, és az általa megvalósuló kettő-az-egyben képkészítési üzemmód. Itt a „trükk” az, hogy ezt a szenzort úgy is ki lehet olvasni, hogy közben nem törlődik a tartalma (non-destructive readout, NDR). Ráadásul a szenzornak bármely kis részét külön is ki lehet olvasni, és ha ezt NDR-rel tesszük, akkor például két különböző részt kiolvasva ugyanazt az eredményt kapjuk, mintha két kamerát használtunk volna egyidejűleg.
CW: Szükség volt-e kezelőfelület fejlesztésére? Ennek során figyelembe vették-e a felhasználói élményt?
Wigner: Igen volt. A kamerarendszerhez saját szoftvercsomagot fejlesztettünk, amivel a felhasználók akár saját maguknak fejleszthetnek magasabb szintű felhasználói programokat. Továbbá ehhez a fúziós kísérlethez fejlesztettünk egy vezérlő- és adatgyűjtő szoftvert, ami egy grafikus felületről vezérelni tudja mind a 10 kamera működését, illetve ha egy konfiguráció megfelelőnek bizonyul, akkor a rendszer automatikusan tudja vezérelni a kamerákat.
CW: Mi volt a legnagyobb kihívás a munka során?
Wigner: Több nagy kihívás is volt, ezek közül elsőként a folyamatos üzemelés jelentette problémák leküzdését említhetjük. Ez alapvetően teljesen ellentétes az eddigi videodiagnosztikák működésével. Sajnos itt kell megemlítenünk az anyagi oldalt is: a fejlesztés jelentős pályázati forrással indult, ám az évek múlásával egyre nehezebben tudtunk támogatáshoz jutni – mégis fenntartottuk a színvonalat, és egy minőségi rendszert szállítunk.
CW: A tesztelés során mire fognak különösen odafigyelni?
Wigner: A legnagyobb hangsúly esetünkben a megbízható működésen van, ugyanis a rendszernek a berendezés elindulásának első pillanatától kezdve működnie kell és szolgáltatnia kell a megbízható adatokat.
CW: Az alkalmazott megoldások adaptálhatók-e az üzleti életbe, kritikus infrastruktúrák megfigyelésére?
Wigner: Abszolút. Mivel a diagnosztikánk igen flexibilis, ezért más területeken is el tudjuk képzelni a használatát, itt a megbízható működést, a sugárzás- és mágnesestér-állóságot emelném ki.
CW: Az intelligens videomegfigyelő rendszerek fejlődése milyen irányba tart?
Wigner: Ez egy igen nagy tudományos terület, aminek mi csak egy részében dolgozunk. A magfúziós kutatások terén jól látható, hogy sokan foglalkoznak különböző valós idejű videomefigyelő rendszerek fejlesztésével, alkalmazásával. Ezek megvalósítása igen eltérő lehet: a mi rendszerünk például hardveralapú és digitális kamerákat használ, de léteznek szoftveralapú rendszerek analóg kamerákkal is – ez nem feltétlenül jelenti azt, hogy az egyik rendszer jobb a másiknál, mindig az aktuális probléma határozza meg, hogy mire van szükség.
A Nap belsejében zajló reakciókat akarják létrehozni a Földön
A fúziós energiatermelés az emberiség régi vágya. Az eddigi kutatások során nagyon sokféle berendezés készült, ezek közül a sztellarátor az egyik legrégebbi és legígéretesebbnek tűnő megoldás egy pozitív energiamérlegű fúziós erőmű megépítéséhez.
A sztellarátor olyan berendezés, amely erős mágneses terekkel tartja össze a plazmát a szabályozott magfúzió létrehozásához. Ezt a berendezéstípust Lyman Spitzer találta fel 1950-ben, és a következő évben meg is épült belőle az első példány a princetoni plazmafizikai laboratóriumban. A sztellarátor név arra utal, hogy a Napban zajló reakciókat a Földön megvalósítva hozzák létre a szabályozott magfúziót, amellyel hatalmas mennyiségű tiszta (üvegházhatást és atomhulladékot nem produkáló) energia állítható elő.
Az 1950-es évektől kezdve számos ilyen típusú berendezés épült. Ezek azonban – főleg technikai nehézségek, illetve amiatt, hogy akkoriban még nem voltak szuperszámítógépek, amelyek el tudták volna végezni a szükséges számításokat – lassan fejlődtek. A másik ígéretes mágneses összetartású fúziós berendezéstípus, a tokamak sokkal gyorsabban fejlődött, egyszerűbb kialakítása miatt. A tokamak ma is az energiatermelő fúziós erőművek kutatásának és építésének fő iránya (lásd: ITER), azonban a technikai fejlődés eljutott arra a szintre, hogy a sztellarátorok – számos előnyös tulajdonságuk miatt – jó alternatívái legyenek a tokamakoknak.
A sztellarátor és a tokamak közötti alapvető különbség, hogy a tokamakban egy központi tekercs található, amely áramot hajt a plazmában. Ez megcsavarja a mágneses teret, és lehetővé teszi a plazma összetartását. Ezzel szemben a sztellarátorban nincs központi tekercs, nem hajtanak áramot a plazmában, a csavart mágneses teret bonyolult alakú külső tekercsekkel hozzák létre. Így számos, a tokamakok esetében fellépő nehézség kiküszöbölhető, viszont egy ilyen berendezés tervezése és megépítése sokkal összetettebb.
A W7-X-et a világ legbonyolultabb fúziós berendezésének ("a sztellarátorvilág JET-jének") tartják, egyrészt mérete, másrészt amiatt, hogy következő lépésként – ha a kísérletek kedvező eredményekkel zárulnak – a jövőben egy hasonló, erőműméretű berendezés is épülhetne.
