Et hidtil uset niveau af indsigt i plasmakantfænomener

At producere energi og varme ved hjælp af plasmafusion er en af ​​de lovende teknologier til overgangen til bæredygtige energikilder. En af udfordringerne er at styre temperaturerne i plasmakanten. Ph.D. forskeren Artur Perek har bygget et billedbehandlingssystem kendt som MANTIS til at afbilde og overvåge temperaturen i plasmakanten, og han har forbedret softwareydelsen for at forbedre kontrollen af ​​plasmakanttemperaturerne. Perek forsvarede sit speciale ved Institut for Anvendt Fysik den 13. april.

Lavkulstofproduktion er en af ​​udfordringerne i det 21. århundrede. Nuklear fusion, solens energiproducerende proces, er en af ​​de påtænkte løsninger til basisbelastningsproduktion uafhængigt af vejrforholdene.

På Jorden kan betingelserne for fusion genskabes i magnetiske indeslutningsanordninger. Når de rette betingelser er opfyldt, kan varmen, der genereres af fusionsreaktioner, opretholde plasmatemperaturerne. Når først det er lykkedes at generere fusionskraft, bliver den sikre strømudstødning en udfordring.

Plasmakanttemperaturudfordringer

Plasmakanten er formet til at skabe et Scrape-Off Layer (SOL) omkring plasmakernen, som afleder varme og ladede partikler, der undslipper kernen, til en dedikeret del af maskinen kaldet divertor. Uafbrændte varmestrømme vil smelte omlederens måloverflader inden for sekunder efter drift ved fuld effekt. SOL'en skal betjenes i et adskilt regime, hvor varme- og partikelflux, der når omledermålet, reduceres for at beskytte disse komponenter. Afledningsfrigørelsen kan opnås ved at øge det neutrale gastryk i omlederen og berige plasmaet med urenheder for at udstråle strømmen væk.

Overkøling af SOL kan påvirke kerneplasmaets ydeevne negativt. På den anden side kan underkøling beskadige de plasma-vendte komponenter. Mellem disse yderpunkter er der et optimum, hvor både kerne- og omlederkravene er opfyldt. For at finde dette optimale byggede Artur Perek et Multispectral Advanced Narrowband Imaging System (kort sagt MANTIS) i et samarbejde mellem DIFFER, EPFL og MIT.

"Min Ph.D. involverede at løse problem efter problem. Heldigvis nyder jeg virkelig at løse problemer," tilføjer Perek. "Da jeg startede min Ph.D., blev kameraets komponenter bestilt og hobet sig op. Mit mål var at bygge det, installere det på den schweiziske TCV Tokamak fra EPFL (École Polytechnique de Lausanne) og gøre det muligt at bruge det til kontrol ."

Den kan samtidigt afbilde ti spektralt smalle bånd af lys gennem en enkelt pupil. Båndene blev udvalgt til at fange fotoner, der stammer fra atomer i plasmakanten, som svarer til overgange mellem deres exciterede tilstande.

Vision-in-loop reactor control

Combining those measurements with the camera view geometry and the state-of-the-art modeling of the plasma emission yielded 2D maps of plasma parameters such as the electron density and temperature. These maps provide insights into the state of the Scrape-Off Layer (SOL) and the physics behind it. The data allowed for comparisons between SOL models and experiments in unprecedented detail, pinpointing where the models deviate from experiments and vice-versa.

The MANTIS camera is a high quality, high-performance apparatus, but the software that came with it was not designed to match this performance. "We analyze the plasma 800 times per second. The software turned out to be too slow to keep up with this, so I decided to improve it." Perek built a software exploit that bypassed the original software and improved microsecond stability.

MANTIS is not just a camera; it is also part of the real-time reactor control system. It can provide controllers with information about the plasma edge state to balance the SOL cooling while avoiding unnecessary degradation of the plasma core performance. Perek explains:"MANTIS actually has ten cameras, not just the one we use. Using them all would drastically improve detachment control, but it requires far faster models."

The images provided an unprecedented insight into the plasma edge phenomena used for model validation. Therefore, this research is essential for validating 2D SOL models with 2D diagnostics to strengthen their predictive power for future machines. It also shows that vision-in-the-loop can be used to control the power exhaust of a nuclear fusion reactor. + Udforsk yderligere

Integrating hot cores and cool edges in fusion reactors