Teamet för Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) har föreslagit en ny integrerad styrlösning för att ta itu med nyckelproblem i avledningsströmavgaser för tokamaks fusionsreaktors stationära drift.

Genom detta nya tillvägagångssätt, laget, leds av Xu Guosheng från Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, uppnådd kompatibilitet mellan högpresterande gräskantslokaliserat läge (ELM) H-lägesregim och återkopplingskontrollerad strålningsavledare.

I tokamak högbegränsad operation, avledaren och den första väggen bär avsevärt stationärt och transient värmeflöde som transporteras ut från kärnplasman, och avledaren är den komponent som starkast interagerar med plasma.

För framtida tokamak-fusionsreaktorer såsom International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), det konstanta värmeflödet på volframavledarens yta måste hållas under den tekniska gränsen, dvs ~10 MWm–2. Därför, partiell avskiljning med föroreningssådd eller så kallad strålningsavledare har ansetts vara en primär lösning för ITER-avledarens värmeflödeskontroll.

Dock, för den konventionella ITER-liknande avledaren för vertikal målplatta, det finns bara ett mycket litet driftsparameterfönster där en delvis lös plasma kan upprätthållas, vilket utgör en stor utmaning för att upprätthålla stabil partiell lösgöring med god plasmainneslutning för högpresterande steady-state-drift av ITER.

Stort transient värmeflöde, känt som ELMs, kan också medföra stora utmaningar för drift av högpresterande fusionsreaktorer förutom det oacceptabla värmeflödet i stabilt tillstånd. Grassy ELM H-mode-regim är en operationsregim med god plasmainneslutning som kännetecknas av naturliga högfrekventa små ELM. Gräsbevuxen ELM-regim har framgångsrikt uppnåtts i EAST tokamak i ett brett parameterutrymme sedan kampanjen 2016 av Xu och hans kollegor.

Det momentana värmeflöde som produceras av gräsbevuxna ELM är ungefär 1/20 av det som produceras av konventionella stora typ-I ELM. Särskilt (som visas i figur 1), gräsbevuxna ELMs uppvisar stark avgasförmåga av volframföroreningar, vilket gör den till en idealisk kandidat för att fungera kompatibelt med föroreningssådd, särskilt i en metallväggmiljö som ITER och den kinesiska Fusion Engineering Test Reactor (CFETR).

Dessutom, det finns en relativt hög plasmadensitet vid tokamak separatrix i gräsbevuxen ELM-regim, vilket förbättrar gränskontrollen och därmed underlättar uppnåendet av avkopplingsoperation under strålningsavledare.

Efter det framgångsrika upprättandet av gräsbevuxen ELM-regim i EAST, Xu och hans kollegor genomförde en serie experiment i EAST-anläggningen för att studera kompatibiliteten hos gräsbevuxen ELM-regim med strålningsavledare.

De fann att betydande nedbrytning i plasmainneslutning vanligtvis inträffar om såddföroreningarna för strålningsavledare injiceras stadigt utan kontroll i gräsbevuxen ELM-regim.

Sedan drev de sin upptäckt ytterligare. Deras följande studier indikerade att absolut extrem ultraviolett (AXUV) strålningssignal nära tokamak X -punkten är en bra indikator på plasmafängsel vid avledning av föroreningar, eftersom försämringen av inneslutningen med överdriven divertorföroreningssådd/ackumulering vanligtvis är korrelerad med signifikant ökad strålning nära X-punkten.

Dock, att enbart kontrollera AXUV-strålningen är otillräcklig för att hålla avledaren i ett delvis löst tillstånd, eftersom det absoluta värdet av AXUV-strålningen varierar med plasmaförhållandena under avskiljningsprocessen.

För att anta denna utmaning, teamet utvecklade den här gången en ny återkopplingslösning för att aktivt kontrollera avskiljningsstatusen för den ITER-liknande volframavledaren i EAST.

De använde först en Langmuir -sond för att mäta elektrontemperaturen (Tet) nära avledarens slagpunkt för att kontrollera avledarens status under gräsbevuxna ELM -urladdningar. När avledarens lösgöring eller partiell lösgöring hade bekräftats genom t.ex. Tetfall under 5-8eV, återkopplingsstyrsystemet skulle byta till en AXUV-signal nära X-punkten för att sedan aktivt styra avledarlossningen.

De experimentella resultaten, som visas i figur 2, visade att denna kontrolllösning kunde realisera en stadig partiell lösgöring av avledarmålet. Den lokala topptemperaturen på avledarens målplatta kan begränsas lägre till 180 ℃ under hela återkopplingsprocessen mätt av en infraröd kamera.

Deras experiment visade kontrolllösningens framgång för att realisera kompatibilitet mellan partiell lösgöring av strålningsavledaren och högpresterande gräsbevuxen ELM-regim.

I framtiden, enligt teamet, med tanke på att den nedre avledaren för EAST är planerad att uppgraderas från nuvarande grafit till volfram och kommer att ha förbättrad kapacitet för kraft och partikelavgaser, forskare kommer att ytterligare optimera den integrerade styrlösningen mot potentiella tillämpningar på framtida fusionsreaktorer, och därmed underlätta deras steady-state-verksamhet.