Team foreslår en ny integreret strøm-udstødningskontrolløsning til stabil drift af fusionsreaktorer

Det Eksperimentelle Avancerede Superledende Tokamak (EAST)-team har foreslået en ny integreret kontrolløsning til at tackle nøgleproblemer i afledningsstrømudstødningen til stationær drift af tokamak-fusionsreaktoren.

Gennem denne nye tilgang, holdet, ledet af Xu Guosheng fra Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, opnået kompatibilitet mellem højtydende græskant-lokaliseret tilstand (ELM) H-mode regime og feedback-styret stråleafleder.

I tokamak-drift med høj indespærring, omlederen og den første væg bærer en væsentlig steady-state og forbigående varmeflux transporteret ud fra kerneplasmaet, og omlederen er den komponent, der vekselvirker stærkest med plasmaet.

For fremtidige tokamak-fusionsreaktorer såsom International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), steady-state varmefluxen på wolframaflederoverfladen skal holdes under den tekniske grænse, dvs. ~ 10 MWm – 2. Derfor, delvis frigørelsesoperation med urenhedssåning eller såkaldt radiativ divertor er blevet betragtet som en primær løsning til ITER-diverter-varmefluxstyringen.

Imidlertid, til den konventionelle ITER-lignende vertikal-målplade-afleder, der er kun et meget lille driftsparametervindue, hvori et delvist løsrevet plasma kan opretholdes, hvilket udgør en stor udfordring for at opretholde stabil delvis løsrivelse med god plasmaindeståelse for den højtydende steady-state drift af ITER.

Stor forbigående varmeflux kendt som ELM'er kan også bringe store udfordringer til højtydende fusionsreaktordrift ud over den uacceptable steady-state varmeflux. Grassy ELM H-mode regime er et operationelt regime med god plasma indeslutning karakteriseret ved naturlige højfrekvente små ELM'er. Grassy ELM-regime er blevet opnået med succes i EAST tokamak i et bredt parameterrum siden 2016-kampagnen af ​​Xu og hans kolleger.

Den øjeblikkelige varmeflux produceret af græsklædte ELM'er er cirka 1/20 af den, der produceres af konventionelle store Type-I ELM'er. Især (som vist i figur 1), græsklædte ELM'er udviser stærk udstødningsevne af wolfram urenheder, hvilket gør det til en ideel kandidat til kompatibelt at arbejde med urenhedssåning, især i et metalvægmiljø som ITER og den kinesiske Fusion Engineering Test Reactor (CFETR).

I øvrigt, der er en relativt høj plasmadensitet ved tokamak separatrix i græsklædt ELM-regime, som forbedrer grænsen for urenhedsscreening og dermed letter opnåelsen af ​​løsrivelsesoperation under strålingsafledning.

Efter den vellykkede etablering af græsklædte ELM -regime i ØST, Xu og hans kolleger udførte en række eksperimenter i EAST-anlægget for at studere kompatibiliteten af ​​græsklædt ELM-regime med stråleafleder.

De fandt ud af, at signifikant nedbrydning i plasma indeslutning normalt forekommer, hvis udplantningsurenhederne til strålingsdiverter injiceres støt uden nogen kontrol i græsklædt ELM-regime.

Så skubbede de deres opdagelse videre. Deres følgende undersøgelser viste, at det absolutte ekstreme ultraviolette (AXUV) strålingssignal nær tokamak X -punktet er en god indikator for plasmaindeslutning under afledning af urenheder ved afledning, da nedbrydningen af ​​indeslutningen med overdreven divertor-urenhedssåning/akkumulering normalt er korreleret med signifikant øget stråling nær X-punktet.

Imidlertid, styring af AXUV-strålingen alene er utilstrækkelig til at holde omlederen i en delvist løsrevet tilstand, da den absolutte værdi af AXUV-strålingen varierer med plasmaforholdene under løsrivelsesprocessen.

For at løfte denne udfordring, teamet udviklede denne gang en ny feedback-løsning til aktivt at kontrollere frigørelsesstatus for den ITER-lignende wolfram-afleder i ØST.

De brugte først en Langmuir-sonde til at måle elektrontemperaturen (Tet) nær aflederens anslagspunkt for at kontrollere omlederstatussen under græsklædte ELM-udladninger. Når afledningsfrakoblingen eller den delvise løsrivelse var blevet bekræftet ved f.eks. Tetdropping under 5-8eV, feedback-kontrolsystemet ville skifte til et AXUV-signal nær X-punktet for derefter aktivt at kontrollere afledningsadskillelsen.

De eksperimentelle resultater, som vist i figur 2, demonstreret, at denne kontrolløsning kunne realisere en stabil delvis løsrivelse af omledermålet. Den lokale spidstemperatur på omledermålpladen kan begrænses til 180 ℃ under hele feedbackprocessen målt af et infrarødt kamera.

Deres eksperiment viste kontrolopløsningens succes med at realisere kompatibilitet af delvis løsrivelse af den strålingsdiverter og højtydende græsklædte ELM-regime.

I fremtiden, ifølge holdet, i betragtning af, at den nedre omleder af EAST er planlagt til at blive opgraderet fra nuværende grafit til wolfram og vil besidde forbedrede muligheder for kraft og partikeludstødning, Forskere vil yderligere optimere den integrerede kontrolløsning mod potentielle anvendelser på fremtidige fusionsreaktorer, og dermed lette deres steady-state operationer.