Skip to content
Home » Controle over fusiereactorinstabiliteiten

Controle over fusiereactorinstabiliteiten

    Controle over fusiereactorinstabiliteiten
      Saskia Mordijck

      • Afdeling Natuurkunde, William & Mary, Williamsburg, VA, VS

    ? natuurkunde 15, 154

    Een mechanisme om destructieve instabiliteiten in magnetisch opgesloten plasma’s te voorkomen, biedt wetenschappers een nieuwe manier om toekomstige kernfusiereactoren te laten werken.

    Max Planck Instituut voor Plasmafysica (IPP)

    Figuur 1: Het plasmavat van de ASDEX Upgrade tokamak (links). Gezicht op het donutvormige plasma (roze) opgesloten in dit vat (rechts). De rand van het plasma is gericht op divertorplaten die zich aan de basis van het vat bevinden.

    Alle magnetisch opgesloten plasma’s ontwikkelen van nature instabiliteiten, gebieden waar kleine verstoringen snel groeien [1]. Wetenschappers hebben gezocht naar manieren om instabiliteiten in een tokamak – een belangrijke kandidaat voor een fusiereactor – te voorkomen, omdat de instabiliteiten aanzienlijke schade aan de muren van de tokamak kunnen veroorzaken. Nu hebben Georg Harrer van de Technische Universiteit van Wenen en zijn collega’s laten zien hoe deze destructieve instabiliteiten kunnen worden vermeden door de eigenschappen van het plasma en het beperkende magnetische veld aan te passen [2]. De bevindingen van de onderzoekers bieden een nieuwe benadering voor het runnen van toekomstige fusiereactoren.

    Een tokamak gebruikt een krachtig magnetisch veld om fusiebrandstof op te sluiten in de vorm van een plasma (een sterk geïoniseerd gas) dat de vorm heeft van een ringvormige donut. Instabiliteiten die ontstaan ​​aan de plasmarand (het “glazuur” van de donut) worden edge-localized modes (ELM’s) genoemd [3]. ELM’s transporteren warmte en deeltjes langs magnetische veldlijnen en verplaatsen ze van de goed begrensde plasmakern (de “vulling” van de donut) naar de divertor – een gebied van de wanden van de tokamak. ELM’s zijn er in verschillende maten en frequenties (herhalingssnelheden). Hun grootte, uitgedrukt als een percentage van de energie die is opgeslagen in de plasmakern, heeft een sterke invloed op hoeveel warmte en hoeveel deeltjes door elke ELM in de divertor zullen worden afgezet.

    In de grootste operationele tokamak, de in het VK gevestigde Joint European Torus, hebben grote ELM’s bijgedragen aan het smelten van de wolfraamtegels die in de divertor van het apparaat worden gebruikt [4]. In een fusiereactor zouden deze ELM’s nog destructiever kunnen zijn omdat de opgeslagen energie van de plasmakern – waarvan de grootte de energie bepaalt die per ELM in de divertor wordt afgezet – honderden tot duizenden keren hoger zal zijn dan die in de huidige apparaten. Om deze reden werken onderzoekers actief aan manieren om grote ELM’s in tokamaks te vermijden of te verminderen [5]. Fundamentele vooruitgang in het begrip van plasmadynamica is vereist om bevindingen van huidige apparaten naar fusiereactoren te extrapoleren, omdat reactorrelevante omstandigheden niet kunnen worden gerepliceerd in de huidige opstellingen.

    Harrer en collega’s voerden experimenten uit op de ASDEX Upgrade tokamak (Fig. 1), gelegen aan het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Garching, Duitsland. De onderzoekers onderzochten hoe de topologie van het beperkende magnetische veld de grootte en frequentie van de resulterende ELM’s beïnvloedde. Ze maten deze ELM-eigenschappen met behulp van een filterscope – een optisch apparaat dat het zichtbare licht detecteert dat wordt geproduceerd wanneer een plasma in wisselwerking staat met gas in de divertor. Met behulp van aanvullende diagnostiek vergeleek het team het waargenomen begin van ELM met theoretische voorspellingen.

    De onderzoekers laten zien dat grote ELM’s kunnen worden vermeden door eerst de plasmadichtheid te verhogen en vervolgens de magnetische topologie aan te passen. De dichtheidstoename vermindert de lokale plasmastroom, zodat de drukgradiënt aan de plasmarand de dominante instabiliteitsfactor is. Het resultaat is een vermindering van de grootte van de ELM’s en een toename van hun frequentie. Deze kleinere ELM’s missen de destructieve impact van hun grotere tegenhangers. Bovendien geven voorspellingen aan dat kleinere ELM’s verbruikte fusiebrandstof (heliumas) uit de plasmakern zouden kunnen verwijderen, waardoor wordt voorkomen dat de kern wordt verontreinigd met niet-smeltbare deeltjes.

    Wanneer de drukgradiënt de belangrijkste instabiliteitsfactor wordt, tonen Harrer en collega’s aan dat de instabiliteitsdrempel (de grootte van de drukgradiënt die nodig is om ELM’s te produceren) vervolgens kan worden gewijzigd door de magnetische topologie van het systeem aan te passen. In een tokamak winden magnetische veldlijnen spiraalvormig rond het plasma. Daarbij kruisen ze heen en weer tussen een gebied met “goede kromming” en een gebied met “slechte kromming”. Goede kromming betekent dat de vector die de kromming van de veldlijnen voorstelt, in dezelfde richting wijst als de positieve drukgradiënt, waardoor de instabiliteit wordt verminderd. Omgekeerd betekent slechte kromming dat deze vector in de tegenovergestelde richting van de positieve gradiënt wijst, waardoor de instabiliteit toeneemt. De onderzoekers vinden dat een grotere spiraalvormige wikkeling van de veldlijnen de impact van de goede kromming versterkt, waardoor de instabiliteitsdrempel wordt verhoogd. Verhoogde magnetische afschuiving (de relatieve hoek tussen twee kruisende veldlijnen) aan de plasmarand verhoogt ook deze drempel.

    Harrer en collega’s laten zien dat bij lage magnetische afschuiving grote ELM’s constant aanwezig zijn en vermengd worden met kleinere ELM’s. Daarentegen zijn bij de hoogste bestudeerde afschuiving, onafhankelijk van de bijdrage van de goede kromming, constant kleine ELM’s aanwezig. De modellering van de plasmarand door de onderzoekers bevestigt dat de instabiliteitsdrempel direct wordt beïnvloed door zowel de magnetische afschuiving als de relatieve bijdrage van goede en slechte kromming. Deze modellering verifieert ook dat kleine ELM’s worden aangedreven door de drukgradiënt aan de plasmarand.

    Het vergroten van het begrip van de plasmarand in tokamaks is cruciaal voor het ontwerpen en exploiteren van een fusiereactor. Dit gebied vertegenwoordigt het grensvlak tussen de hete smeltende kern en de interacties tussen plasma en wand. De drukgradiënt in dit gebied heeft grote invloed op de fusie-energiewinst, maar het mag niet te steil zijn omdat dat tot destructieve instabiliteiten zou leiden. Bovendien moet deze regio verbrande brandstof efficiënt afvoeren en tegelijkertijd nieuwe brandstof de kern laten bereiken, omdat het onmogelijk is om de kern rechtstreeks van brandstof te voorzien. [6].

    In huidige apparaten kunnen instabiliteiten worden vermeden en ELM’s zelfs worden geëlimineerd [7], door de plasmacondities te veranderen met behulp van externe actuatoren, zoals verwarmingsvermogen, momentuminjectie, stroomaandrijving en speciale magnetische veldspoelen. In een fusiereactor zullen deze actuatoren niet beschikbaar zijn. Daarom is de ontwikkeling van regimes, zoals die van Harrer en collega’s, die geen externe actieve actuatoren nodig hebben, cruciaal. Echter, zoals de onderzoekers waarschuwen, kan geen enkel hedendaags apparaat alle omstandigheden van een reactor volledig repliceren. Gelukkig zullen we met de huidige constructie van meerdere tokamaks die zijn ontworpen om voor het eerst te werken met zelfverwarmde plasma’s (dat wil zeggen als fusiereactoren), binnenkort al deze theorieën kunnen testen en nieuwe grenzen kunnen ontdekken en verkennen in de studie van magnetisch opgesloten plasma’s.

    Referenties

    1. TC Hender et al.“MHD-stabiliteit, operationele limieten en verstoringen”, nucleair fusie 47S128 (2007).
    2. GF Harrer et al.“Quascontinu uitlaatscenario voor een fusiereactor: de wedergeboorte van kleine gelokaliseerde modi,” natuurkunde ds. Lett. 129165001 (2022).
    3. AW Leonard, “Edge-gelokaliseerde-modi in tokamaks,” natuurkunde plasma 21090501 (2014).
    4. JW Coenen et al.“ELM-geïnduceerde tijdelijke wolfraamsmelt in de JET-afleider,” nucleair fusie 55023010 (2015).
    5. E. Viezzer, “Toegang tot en instandhouding van natuurlijk ELM-vrije en kleine ELM-regimes,” nucleair fusie 58115002 (2018).
    6. S. Mordijck, “Overzicht van dichtheidsvoetstukstructuur: rol van tanken versus transport,” nucleair fusie 60082006 (2020).
    7. C. Paz-Soldan en het DIII-D-team, “Plasmaprestaties en operationele ruimte zonder ELM’s in DIII-D,” plasmafysica Controle. fusie 63083001 (2021).

    Over de auteur

    Afbeelding van Saskia Mordijck

    Saskia Mordijck trad in 2011 in dienst bij William & Mary en is momenteel universitair hoofddocent bij de afdeling natuurkunde. Ze behaalde een master in werktuigbouwkunde aan de KU Leuven, België, en een Ph.D. in technische natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego. Haar huidige onderzoek richt zich op magnetisch opgesloten plasma’s; de impact van plasmasoorten, isotopenmenging en atomaire processen op turbulentie; en de ontwikkeling van voorspellende modellen om de plasmadichtheid te bepalen. Ze is voorzitter van Women+ in Plasma Physics voor de American Physical Society en is vice-president van de University Fusion Association.


    PDF lezen

    vakgebieden

    gerelateerde artikelen

    Super Heavy Element Factory maakt eerste resultaten bekend
    Windparken presteren onder druk
    Fusion verhoogt het vuur

    Meer artikelen