Kärnan i en fusionsreaktor är otroligt varm. Väte som oundvikligen kommer ut ur den måste kylas på vägen mot väggen, som annars, reaktorväggen skulle skadas. Forskare från det holländska institutet DIFFER och EPFL:s schweiziska plasmacenter har utvecklat en strikt mät- och kontrollmetod för kylning av mycket heta partiklar som flyr från fusionsplasma.

Fusionsenergi är en lovande hållbar energikälla. I en fusionsreaktor, extremt het väteplasma hålls suspenderad av magnetiska fält. Dock, det är alltid en bråkdel som kommer undan. För att förhindra att det skadar reaktorkärlet, det läckta vätet måste kylas ner på vägen mot väggen.

Kylning kan åstadkommas på olika sätt, till exempel genom att injicera en gas. "Men om du injicerar för mycket extra gas, plasman kyls för kraftigt, vilket minskar prestandan, säger Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL), medförfattare till en studie publicerad i Naturkommunikation . Det är därför nödvändigt att ständigt hantera kylningen till den grad att reaktorn kan klara av tillräckligt. Matthijs van Berkel (DIFFER):"Förmågan att styra kylningen exakt anges uttryckligen i det europeiska fusionsprogrammet (EUROfusion) som ett nödvändigt steg mot fusionsenergi. Det är fantastiskt att vi kan bidra till detta nu." I Naturkommunikation , författarna beskriver hur man kyler de utströmmande partiklarna på ett snabbt och kontrollerat sätt med ett innovativt återkopplingskontrollsystem. Experimenten har utförts i TCV tokamak, en fusionsforskningsmaskin vid EPFL:s schweiziska plasmacenter.

"Vi går från att studera till att kontrollera. Detta är avgörande för framtiden för fusionsreaktorer, " säger försteförfattaren Timo Ravensbergen (DIFFER). "Vi mäter, Beräkna, och kontrollera med otrolig hastighet."

Ett slutet system

Utströmmande väte förs bort via reaktorns "avgaser." Det avgaserna kallas avledaren, där plasmavärmeförlusterna fångas upp. Processen med stark kylning i närheten av divertorn kallas divertor detachment. Det minskar plasmatemperaturen och trycket nära väggen. Fusionsfysiker har redan mycket erfarenhet av denna process, men detta bygger delvis på intuition och på erfarenheter från tidigare mätningar. Nu ska saker och ting göras annorlunda. "Vi har utvecklat ett slutet system, säger Van Berkel, gruppledare Energy Systems &Control. "Vi har kombinerat många olika tekniker, det är det som gör den unik. Vårt systemtekniska tillvägagångssätt kan tillämpas på andra fusionsreaktorer." Experimenten är ett bevis på principen. Van Berkel tror att metoden – med justeringar – kommer att vara tillämpbar i de stora fusionsreaktorerna ITER och DEMO.

Steg för steg

Forskarna använde sig av kamerasystemet MANTIS vid TCV tokamak för denna forskning. Detta Multispectral Advanced Narrowband Tokamak Imaging System har utvecklats av DIFFER, EPFL och MIT. Forskarna anpassade systemet på ett sådant sätt att kamerabilder omvandlades till data från vilken en datormodell sedan i realtid kunde beräkna den optimala kylningen under varierande förhållanden. Allt detta skedde med stor precision:plasmans status bestäms 800 gånger per sekund.

En ny bildbehandlingsalgoritm i realtid, utvecklad på DIFFER, analyserar MANTIS-bilderna. Algoritmen beräknar hur mycket du behöver kyla med, och styr därefter gasventilerna automatiskt. Till sist, forskarna tog fram en modell av systemet genom att analysera, återigen med kameran, hur plasman reagerar på den gas som introduceras. "Med den här modellen, vi bestämmer det dynamiska förhållandet mellan styrningen av gasventilen och värmefronten, säger Van Berkel.

Snabbt resultat:testat på EPFL:s TCV tokamak

Systemet testades på TCV tokamak. "Det är en mycket flexibel enhet, där idéer kan utvecklas och testas ganska snabbt, " betonar Theiler. Van Berkel håller med:"TCV är en fantastisk maskin för att testa kontrolltekniker, med ett hypermodernt kontrollsystem i realtid." Van Berkel berättar att resultaten kom snabbt:"Inom bara fyra experiment, vi lyckades uppnå återkopplingskontroll av plasman nära divertorn. Detta visar att vårt systematiska tillvägagångssätt fungerar."

Framtida forskning

Ett förslag till följdforskning har redan utarbetats. Forskarna använde bara en MANTIS-kamera, medan systemet har tio. Forskarna vill använda de andra kamerorna också, så att de kan styra processen ännu mer exakt, och för att styra ytterligare nyckelprocesser i avledaren.

Fusion:stor energipotential

Fusion, kärnreaktionen som driver solen, har en hög energipotential, är säker och miljövänlig. Forskningen inom detta område stärks av den internationella reaktorn ITER. Medan den gigantiska forskningsmaskinen monteras i Frankrike, forskare från hela världen arbetar med nästa steg:att producera storskaliga fusionsreaktioner inom den. Fusion uppstår när kärnor av lätta atomer värms upp till hundra miljoner grader, bildar en gas av laddade partiklar som kallas plasma.