I 30 år, Asdex Upgrade har banat väg för ett fusionskraftverk som genererar klimatneutral energi. Fusionsanläggningen för tokamak utökades och förbättrades upprepade gånger under denna tid. Inte minst av denna anledning, den ger många insikter som ingår i utformningen och driften av andra fusionsanläggningar. Till exempel, Asdex Upgrade-teamet har utvecklat scenarier för driften av Jet-testanläggningen i Storbritannien och Iter-testanläggningen i Frankrike samt prognoser för ett planerat demonstrationskraftverk. En ombyggnad planerad till mitten av 2022 är tänkt att förbereda anläggningen för framtiden.

Målet med fusionsforskningen är att utveckla ett klimat- och miljövänligt kraftverk. Som solen, dess syfte är att härleda energi från fusionen av atomkärnor. Bränslet för detta är extremt tunt, joniserad vätgas - ett plasma. För att tända fusionselden, Plasma måste vara innesluten i magnetfält nästan utan kontakt och värmas till över 100 miljoner grader.

För att reglera interaktionen mellan det heta bränslet och de omgivande väggarna, forskare vid Max Planck Institute for Plasma Physics har utrustat Asdex -uppgraderingen med en avledare, som har gett växten dess namn:Axial symmetrisk avledningsexperiment. Genom ett extra magnetfält, avledningsfältet tar bort föroreningar från plasma och förbättrar dess värmeisolering.

Dock, i motsats till sin föregångare Asdex, Asdex -uppgraderingen, avledaren och viktiga egenskaper hos plasman, särskilt densiteten och belastningen på väggarna, är närmare anpassade till förhållandena i ett senare kraftverk. Utrustad med en kraftfull plasmavärmare och sofistikerad mätutrustning för att observera plasma, Asdex Upgrade kan därför användas för att utveckla driftsätt för ett potentiellt kraftverk. I 38, 700 plasmaurladdningar hittills, anläggningen har besvarat viktiga forskningsfrågor för det europeiska gemensamma experimentet Jet och den internationella experimentreaktorn Iter samt ett planerat demonstrationskraftverk.

En volframvägg för plasmakärlet

Med Asdex-uppgraderingen, forskarna tog ett betydande steg mot ett framtida fusionskraftverk när de klädde plasmakärlets vägg med volfram istället för kol. Kol har avsevärda fördelar för experimentanläggningar. Dock, den är olämplig för driften av ett kraftverk eftersom den eroderas för kraftigt av plasman och binder för mycket bränsle till sig själv. På grund av dess höga smältpunkt, volfram är väl lämpat som väggmaterial — åtminstone i princip. Men plasman svalnar snabbt på grund av även de minsta föroreningarna i volframatomerna som upprepade gånger släpps ut från väggen. Efter mycket experimenterande, Asdex uppgraderingsteam har kunnat hantera detta problem.

Direkta konsekvenser av denna framgång:I en stor ombyggnad, det europeiska gemensamma experimentet Jet fick en volframavledare 2011. Det internationella experimentreaktorteamet i Iter beslutade att avstå från de initialt planerade experimenten med en kolavledare och gå direkt till volfram. Volfram är också referensmaterial för demonstrationskraftverket.

Injicering av väte förhindrar instabilitet

I interaktionen mellan de laddade plasmapartiklarna med det begränsande magnetfältet, olika störningar av plasmainneslutningen kan uppstå. Dessa inkluderar instabilitet vid plasmakanten eller ELM (kantlokaliserade lägen). I processen, kantplasma förlorar kortvarigt sin inneslutning och kastar regelbundet plasmapartiklar och energi utåt på kärlväggarna. Medan medelstora anläggningar som Asdex Upgrade klarar av detta, avledaren i stora anläggningar som Iter kan bli överbelastad. För att lösa detta problem, procedurer för att förhindra instabilitet utvecklades för Asdex -uppgraderingen. Sexton små magnetiska spolar i plasmakärlet undertrycker helt instabiliteten med sina fält. En andra metod börjar vid den yttersta plasmakanten. Om rätt plasmaform kan ställas in – via magnetfältet – samtidigt som man säkerställer en tillräckligt hög partikeldensitet – genom att injicera väte – kan ELM inte utvecklas.

Säkerställer kontinuerlig drift

Kontinuerlig drift garanteras av fusionsanläggningar av tokamak-typ—såsom Asdex Upgrade, Jet, eller Iter – som konstruerar den magnetiska buren med två överlagrade magnetfält:ett ringformat fält som genereras av externa magnetspolar och fältet för en ström som flyter i plasman. Genom att kombinera magnetfälten, fältlinjerna är vridna på ett sådant sätt att de omsluter plasman. Plasmaströmmen induceras normalt på ett pulsmässigt sätt av en transformatorspole i plasma. Till skillnad från de mer komplicerade stellaratorerna, hela systemet fungerar i pulser - en brist hos tokamakerna.

Forskare vid Max Planck Institute for Plasma Physics undersöker därför olika metoder för att kontinuerligt generera strömmen i plasman. Till exempel, genom att injicera högfrekventa vågor eller partikelstrålar som driver en extra ström i plasman. De har därmed lyckats driva systemet nästan utan transformator – och för första gången i en maskin med praktiskt taget relevant metallisk innervägg. Om Asdex Upgrade inte hade utrustats med normalt ledande kopparspolar utan snarare supraledande magnetspolar (som var fallet för Iter), denna fas kunde ha förlängts mycket längre – eventuellt upp till kontinuerlig drift.

Vad kommer hända härnäst

Under de 30 år som Asdex Upgrade har varit i drift, avledarformen har ändrats och optimerats flera gånger. Forskarna vill nu gå ett steg längre och testa ett nytt avledarkoncept. Två ytterligare magnetspolar på plasmakärlets tak är avsedda att fläkta ut avledningsfältet så att kraften från plasman fördelas över ett större område. Montering av spolarna är planerad att påbörjas i mitten av 2022. Sådana utbyggnader kommer också att möjliggöra framtida undersökningar vid Garching tokamak för att lösa problemen med ett framtida demonstrationskraftverk. "På många sätt, Asdex-uppgraderingen kan ses som en plan för ett tokamak-fusionskraftverk, " säger projektledare Arne Kallenbach. "Tillsammans med nyutvecklade datorkoder, provutsläppen som utvecklats under 30 år ger tillförlitlig information för ett kraftverk."