Metode til kontrol af varmetab i fusionsreaktorer

Kernen i en fusionsreaktor er utrolig varm. Brint, der uundgåeligt slipper ud af det, skal afkøles på vej mod væggen, som ellers, reaktorvæggen ville blive beskadiget. Forskere fra det hollandske institut DIFFER og EPFLs schweiziske plasmacenter har udviklet en streng måle- og kontrolmetode til afkøling af meget varme partikler, der slipper ud fra fusionsplasmaer.

Fusionsenergi er en lovende bæredygtig energikilde. I en fusionsreaktor, ekstremt varmt brintplasma holdes suspenderet af magnetiske felter. Imidlertid, der er altid en brøkdel, der slipper ud. For at forhindre det i at beskadige reaktorbeholderen, den undslupne brint skal køles ned på vej mod væggen.

Køling kan opnås på forskellige måder, ved at indsprøjte en gas. "Men hvis du injicerer for meget ekstra gas, plasmaet er afkølet for kraftigt, hvilket reducerer ydeevnen, " siger Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL), medforfatter til en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation . Det er derfor nødvendigt konstant at styre afkølingen til det punkt, at reaktoren kan klare det tilstrækkeligt. Matthijs van Berkel (DIFFER):"Evnen til at styre kølingen præcist er udtrykkeligt angivet i det europæiske fusionsprogram (EUROfusion) som et nødvendigt skridt mod fusionsenergi. Det er fantastisk, at vi kan bidrage til dette nu." I Naturkommunikation , forfatterne beskriver, hvordan man kan afkøle de undslippende partikler på en hurtig og kontrolleret måde med et innovativt feedback-kontrolsystem. Forsøgene er blevet udført i TCV tokamak, en fusionsforskningsmaskine ved EPFL's Swiss Plasma Center.

"Vi går fra at studere til at kontrollere. Dette er afgørende for fremtiden for fusionsreaktorer, " siger førsteforfatter Timo Ravensbergen (DIFFER). "Vi måler, Beregn, og kontroller med utrolig hurtighed."

Et lukket system

Udslipende brint føres væk via reaktorens "udstødning." Den udstødning kaldes omlederen, hvor plasma varmetabene fanges. Processen med stærk afkøling i nærheden af ​​divertoren kaldes divertor detachment. Det reducerer plasmatemperatur og tryk nær væggen. Fusionsfysikere har allerede meget erfaring med denne proces, men dette er til dels baseret på intuition og på erfaringer fra tidligere målinger. Nu vil tingene blive gjort anderledes. "Vi har udviklet et lukket system, " siger Van Berkel, gruppeleder Energisystemer &Kontrol. "Vi har kombineret mange forskellige teknikker, det er det, der gør det unikt. Vores systemtekniske tilgang kan anvendes på andre fusionsreaktorer." Eksperimenterne er et proof-of-princip. Van Berkel mener, at metoden - med justeringer - vil være anvendelig i de store fusionsreaktorer ITER og DEMO.

Trin for trin

Forskerne brugte kamerasystemet MANTIS på TCV tokamak til denne forskning. Dette multispektrale avancerede smalbåndede Tokamak billedbehandlingssystem blev udviklet af DIFFER, EPFL og MIT. Forskerne tilpassede systemet på en sådan måde, at kamerabilleder blev konverteret til data, hvorfra en computermodel så i realtid kunne beregne den optimale afkøling under varierende forhold. Det hele foregik med stor præcision:plasmaets status bestemmes 800 gange i sekundet.

En ny billedbehandlingsalgoritme i realtid, udviklet hos DIFFER, analyserer MANTIS-billederne. Algoritmen beregner, hvor meget du skal køle af, og styrer efterfølgende gasventilerne automatisk. Endelig, forskerne fremstillede en model af systemet ved at analysere, endnu en gang med kameraet, hvordan plasmaet reagerer på den indførte gas. "Med denne model, vi bestemmer det dynamiske forhold mellem styringen af ​​gasventilen og varmefronten, " siger Van Berkel.

Hurtigt resultat:testet på EPFL's TCV tokamak

Systemet blev testet på TCV tokamak. "Det er en meget fleksibel enhed, hvor ideer ret hurtigt kan udvikles og afprøves, " understreger Theiler. Van Berkel er enig:"TCV er en fantastisk maskine til at teste kontrolteknikker, med et hypermoderne realtidsstyringssystem." Van Berkel fortæller, at resultaterne kom hurtigt:"Inden for kun fire eksperimenter, det lykkedes os at opnå feed-back kontrol af plasmaet nær omlederen. Det viser, at vores systematiske tilgang virker."

Fremtidig forskning

Der er allerede udarbejdet et forslag til følgeforskning. Forskerne brugte kun ét MANTIS-kamera, hvorimod systemet har ti. Forskerne vil også bruge de andre kameraer, så de kan styre processen endnu mere præcist, og til at styre yderligere nøgleprocesser i omlederen.

Fusion:stort energipotentiale

Fusion, den nukleare reaktion, der driver Solen, har et højt energipotentiale, er sikker og miljøvenlig. Forskningen på dette område er styrket af den internationale reaktor ITER. Mens den gigantiske forskningsmaskine bliver samlet i Frankrig, forskere fra hele verden arbejder på de næste trin:at producere storstilede fusionsreaktioner i den. Fusion opstår, når kerner af lette atomer opvarmes til hundrede millioner grader, danner en gas af ladede partikler kaldet plasma.