Kredit:Shutterstock dani 3315
Att producera energi och värme med hjälp av plasmafusion är en av de lovande teknikerna för övergången till hållbara energikällor. En av utmaningarna är att hantera temperaturerna i plasmakanten. Ph.D. forskaren Artur Perek har byggt ett bildsystem känt som MANTIS för att avbilda och övervaka temperaturen i plasmakanten, och han har förbättrat mjukvarans prestanda för att förbättra kontrollen av plasmakanttemperaturerna. Perek försvarade sin avhandling vid institutionen för tillämpad fysik den 13 april.
Energiproduktion med låga koldioxidutsläpp är en av 2000-talets utmaningar. Kärnfusion, solens energiproducerande process, är en av de tänkta lösningarna för baslastkraftgenerering oberoende av väderförhållanden.
På jorden kan förutsättningarna för fusion återskapas i magnetiska inneslutningsanordningar. När de rätta villkoren är uppfyllda kan värmen som genereras av fusionsreaktioner upprätthålla plasmatemperaturerna. När det väl har lyckats generera fusionskraft blir det säkra kraftutsläppet en utmaning.
Plasmakanttemperaturutmaningar
Plasmakanten är formad för att skapa ett Scrape-Off Layer (SOL) runt plasmakärnan, som avleder värme och laddade partiklar som flyr ut från kärnan till en dedikerad del av maskinen som kallas divertor. Oförändrade värmeflöden kommer att smälta avledarmålytorna inom några sekunder efter drift med full effekt. SOL måste drivas i en fristående regim där värme och partikelflöden som når avledarmålet reduceras för att skydda dessa komponenter. Avledaravskiljaren kan uppnås genom att öka det neutrala gastrycket i avledaren och berika plasman med föroreningar för att stråla bort kraften.
Överkylning av SOL kan påverka kärnplasmas prestanda negativt. Å andra sidan kan underkylning skada de plasmavända komponenterna. Mellan dessa ytterligheter finns det ett optimum där både kärn- och avledningskraven är uppfyllda. För att hitta detta optimala byggde Artur Perek ett multispektralt avancerad smalbandsavbildningssystem (kort sagt MANTIS) i ett samarbete mellan DIFFER, EPFL och MIT.
"Min doktorsexamen handlade om att lösa problem efter problem. Som tur är tycker jag verkligen om att lösa problem," tillägger Perek. "När jag började min doktorsexamen beställdes kamerans komponenter och hopade sig. Mitt mål var att bygga den, installera den på den schweiziska TCV Tokamak från EPFL (École Polytechnique de Lausanne) och möjliggöra dess användning för kontroll ."
Den kan samtidigt avbilda tio spektralt smala band av ljus genom en enda pupill. Banden valdes ut för att fånga fotoner som härrör från atomer i plasmakanten som motsvarar övergångar mellan deras exciterade tillstånd.
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. + Utforska vidare
