Asdex Upgrade eksperimentelle facilitet genererer sin første plasma

I 30 år, Asdex Upgrade har banet vejen for et fusionskraftværk, der genererer klimaneutral energi. Tokamak-fusionsanlægget blev gentagne gange udvidet og forbedret i løbet af denne tid. Ikke mindst derfor det giver adskillige indsigter, der er indarbejdet i design og drift af andre fusionsanlæg. For eksempel, Asdex Upgrade-teamet har udviklet scenarier for driften af ​​Jet-testanlægget i Storbritannien og Iter-testanlægget i Frankrig samt prognoser for et planlagt demonstrationskraftværk. En ombygning, der er planlagt til medio 2022, skal forberede anlægget til fremtiden.

Målet med fusionsforskningen er at udvikle et klima- og miljøvenligt kraftværk. Som solen, dens formål er at udlede energi fra fusionen af ​​atomkerner. Brændstoffet til dette er ekstremt tyndt, ioniseret brintgas - et plasma. For at antænde fusionsilden, plasmaet skal være indesluttet af magnetiske felter næsten uden kontakt og opvarmet til over 100 millioner grader.

For at regulere samspillet mellem det varme brændsel og de omgivende vægge, forskere ved Max Planck Institute for Plasma Physics har udstyret Asdex Upgrade med en omleder, som har givet planten sit navn:Aksial symmetrisk afleder eksperiment. Gennem et ekstra magnetfelt, omlederfeltet fjerner urenheder fra plasmaet og forbedrer dets varmeisolering.

Imidlertid, i modsætning til sin forgænger Asdex, Asdex-opgraderingen, omlederen og plasmaets vigtige egenskaber, især tætheden og belastningen på væggene, er nærmere tilpasset forholdene i et senere kraftværk. Udstyret med en kraftig plasmavarmer og sofistikeret måleudstyr til at observere plasmaet, Asdex Upgrade kan derfor bruges til at udvikle driftsformer for et potentielt kraftværk. I 38, 700 plasmaudladninger til dato, anlægget har besvaret væsentlige forskningsspørgsmål til det europæiske fælles eksperiment Jet og den internationale forsøgsreaktor Iter samt et planlagt demonstrationskraftværk.

En wolframvæg til plasmakarret

Med Asdex-opgraderingen, forskerne tog et væsentligt skridt mod et fremtidigt fusionskraftværk, da de beklædte plasmabeholderens væg med wolfram i stedet for kulstof. Kulstof har betydelige fordele for forsøgsanlæg. Imidlertid, det er uegnet til drift af et kraftværk, fordi det er for kraftigt eroderet af plasmaet og binder for meget brændstof til sig selv. På grund af dets høje smeltepunkt, wolfram er velegnet som vægmateriale - i hvert fald i princippet. Men plasmaet afkøles hurtigt på grund af selv de mindste urenheder i wolframatomerne, der gentagne gange frigives fra væggen. Efter en masse eksperimenter, Asdex-opgraderingsteamet har været i stand til at håndtere dette problem.

Direkte konsekvenser af denne succes:I en større ombygning, det europæiske fælles eksperiment Jet modtog en wolframafleder i 2011. Det internationale forsøgsreaktor Iter-hold besluttede at give afkald på de oprindeligt planlagte eksperimenter med en kulstofdiverter og gå direkte efter wolfram. Wolfram er også referencematerialet til demonstrationskraftværket.

Injektion af brint forhindrer ustabilitet

I samspillet mellem de ladede plasmapartikler og det begrænsende magnetfelt, forskellige forstyrrelser af plasma indeslutningen kan forekomme. Disse omfatter ustabilitet ved plasmakanten eller ELM'er (kantlokaliserede tilstande). I processen, kantplasmaet mister kortvarigt sin indeslutning og kaster periodisk plasmapartikler og energi udad på karvæggene. Mens mellemstore anlæg som Asdex Upgrade er i stand til at klare dette, aflederen i store anlæg som Iter kan blive overbelastet. For at løse dette problem, procedurer til at forhindre ustabilitet blev udviklet til Asdex Upgrade. Seksten små magnetiske spoler i plasmakarret undertrykker fuldstændigt ustabiliteten med deres felter. En anden metode starter ved den yderste plasmakant. Hvis den rigtige plasmaform kan indstilles - via magnetfeltet - og samtidig sikre en tilstrækkelig høj partikeltæthed - ved at injicere brint - kan der ikke udvikles ELM'er.

Sikring af kontinuerlig drift

Kontinuerlig drift er garanteret af fusionsanlæg af tokamak-typen - såsom Asdex Upgrade, Jet, eller Iter - som konstruerer det magnetiske bur med to overlejrede magnetfelter:et ringformet felt genereret af eksterne magnetspoler og feltet af en strøm, der flyder i plasmaet. Ved at kombinere de magnetiske felter, feltlinjerne er snoet på en sådan måde, at de omslutter plasmaet. Plasmastrømmen induceres normalt på en pulsvis måde af en transformatorspole i plasmaet. I modsætning til de mere komplicerede stjerner, hele systemet fungerer i pulser - en mangel ved tokamakkerne.

Forskere ved Max Planck Institute for Plasma Physics undersøger derfor forskellige metoder til kontinuerligt at generere strømmen i plasmaet. For eksempel, ved at indsprøjte højfrekvente bølger eller partikelstråler, der driver en ekstra strøm i plasmaet. Det er således lykkedes dem at betjene systemet næsten uden transformer – og for første gang i en maskine med en praktisk talt relevant metallisk indervæg. Hvis Asdex Upgrade ikke havde været udstyret med normalt ledende kobberspoler, men snarere superledende magnetspoler (som det var tilfældet for Iter), denne fase kunne have været forlænget meget længere – potentielt op til kontinuerlig drift.

Hvad vil der ske næste gang

I løbet af de 30 års drift af Asdex Upgrade, omlederformen er blevet ændret og optimeret flere gange. Forskerne vil nu gå et skridt videre og teste et nyt divertor-koncept. To yderligere magnetspoler på taget af plasmabeholderen er beregnet til at vifte afledningsfeltet ud, så strømmen fra plasmaet fordeles over et større område. Samling af spolerne er planlagt til at begynde i midten af ​​2022. Sådanne udvidelser vil også muliggøre fremtidige undersøgelser ved Garching tokamak for at løse problemerne med et fremtidigt demonstrationskraftværk. "På mange måder, Asdex-opgraderingen kan ses som en plan for et tokamak-fusionskraftværk, " siger projektleder Arne Kallenbach. "Sammen med nyudviklede computerkoder, prøveudledningerne udviklet over 30 år giver pålidelig information om et kraftværk."