Skip to content
Home » Een nieuwe oplossing voor een van de grootste problemen van fusieonderzoek

Een nieuwe oplossing voor een van de grootste problemen van fusieonderzoek

    Een nieuwe oplossing voor een van de grootste problemen van fusieonderzoek
    Een nieuwe oplossing voor een van de grootste problemen van fusieonderzoek

    Links: Dwarsdoorsnede van het scheidingsteken van de hoge (vaste) en lage (gestippelde) ikHFS→LFS Tijd punten. ikHFS→LFS is de lengte van een veldlijn die zich uitstrekt van het LFS tot het HFS-middenvlak. Een poloïdale projectie van ikHFS→LFS is afgebeeld met de rode pijl. Rechts: temporele evolutie van ikHFS→LFS en de veiligheidsfactor bij 95% flux gedurende de drie lozingen. Credit: Fysieke beoordelingsbrieven (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.165001

    Type-I ELM-plasma-instabiliteiten kunnen de wanden van fusie-apparaten doen smelten. Een team van onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica (IPP) en de Technische Universiteit van Wenen (TU Wien) heeft een manier gevonden om ze onder controle te krijgen. Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.


    Kernfusiecentrales zouden ooit een duurzame oplossing kunnen bieden voor onze energieproblemen. Daarom wordt er wereldwijd onderzoek gedaan naar deze manier van energieopwekking, die processen op de zon nabootst. Om het principe op aarde te laten werken, moeten plasma’s in reactoren worden verwarmd tot minstens 100 miljoen graden Celsius. Magnetische velden omsluiten het plasma zodat de wand van de reactor niet smelt. Dit werkt alleen omdat de buitenste centimeters in de magnetisch gevormde plasmarand extreem goed geïsoleerd zijn. In dit gebied komen echter vaak plasma-instabiliteiten voor, de zogenaamde edge localized modes (ELM’s). Tijdens zo’n gebeurtenis kunnen energetische deeltjes uit het plasma de wand van de reactor raken en deze mogelijk beschadigen.

    Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica (IPP) in Garching en van de Technische Universiteit van Wenen hebben nu kunnen aantonen: er is een bedrijfsmodus voor fusiereactoren die dit probleem vermijdt. In plaats van grote, potentieel destructieve instabiliteiten, accepteert men bewust veel kleine instabiliteiten die geen probleem vormen voor de reactorwand.

    “Ons werk betekent een doorbraak in het begrijpen van het voorkomen en voorkomen van grote Type I ELM’s”, zegt Elisabeth Wolfrum, onderzoeksgroepleider bij IPP in Garching, Duitsland, en professor aan de TU Wien. “Het operatieregime dat we voorstellen is waarschijnlijk het meest veelbelovende scenario voor toekomstige plasma’s van kernfusiecentrales.” De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.

    De wedergeboorte van een genegeerde manier van werken

    In een toroïdale tokamak-fusiereactor bewegen ultrahete plasmadeeltjes met hoge snelheden. Krachtige magneetspoelen zorgen ervoor dat de deeltjes opgesloten blijven in plaats van de reactorwand met vernietigende kracht te raken. “Je wilt het plasma echter ook niet perfect isoleren van de reactorwand; er moet immers nieuwe brandstof worden toegevoegd en het helium dat vrijkomt bij fusie moet worden verwijderd”, legt Friedrich Aumayr, hoogleraar Ion & Plasma Physics uit. aan het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien in Wenen, Oostenrijk.

    De details van de dynamiek in de reactor zijn gecompliceerd: de beweging van de deeltjes hangt af van de plasmadichtheid, temperatuur en magnetisch veld. Afhankelijk van hoe men deze parameters kiest, zijn verschillende werkingsregimes mogelijk. Een langdurige samenwerking tussen de TU Wenen-groep van Friedrich Aumayr en de IPP Garching-groep, gecoördineerd door Elisabeth Wolfrum, leidt nu tot een operatieregime dat de bijzonder destructieve plasma-instabiliteiten, type I ELM’s genaamd, kan voorkomen.

    Een paar jaar geleden hebben experimenten al een recept aangetoond tegen de gevaarlijke Type-I ELM’s: het plasma wordt enigszins vervormd door de magnetische spoelen, zodat de plasmadwarsdoorsnede niet langer elliptisch is, maar lijkt op een afgeronde driehoek. Tegelijkertijd wordt de dichtheid van het plasma verhoogd, vooral aan de rand.

    “Eerst werd echter gedacht dat dit een scenario was dat zich alleen voordoet in momenteel draaiende kleinere machines zoals ASDEX Upgrade bij IPP in Garching en niet relevant is voor een reactor”, legt Lidija Radovanovic uit, die momenteel werkt aan haar Ph.D. . proefschrift over dit onderwerp aan de TU Wenen. “Met nieuwe experimenten en simulaties hebben we nu echter kunnen aantonen: het regime kan de gevaarlijke instabiliteiten voorkomen, zelfs in parameterbereiken die zijn voorzien voor reactoren.”

    Als een pot met een deksel

    Door de driehoekige vorm van het plasma en de gecontroleerde injectie van extra deeltjes aan de plasmarand, treden veel kleine instabiliteiten op – enkele duizenden keren per seconde. “Deze kleine deeltjesuitbarstingen raken de wand van de reactor sneller dan het kan opwarmen en afkoelen”, zegt Georg Harrer, hoofdauteur van het artikel. “Daarom spelen deze individuele instabiliteiten geen grote rol voor de reactorwand.” Maar zoals het team met gedetailleerde simulatieberekeningen heeft kunnen aantonen, voorkomen deze mini-instabiliteiten de grote instabiliteiten die anders schade zouden veroorzaken.

    “Het is een beetje zoals een kookpot met een deksel, waar het water begint te koken”, legt Georg Harrer uit. “Als de druk blijft toenemen, gaat het deksel omhoog en rammelt het enorm door de ontsnappende stoom. Maar als je het deksel een beetje kantelt, kan er continu stoom ontsnappen en blijft het deksel stabiel en rammelt het niet.” Dit regime voor de werking van fusiereactoren kan in verschillende reactoren worden geïmplementeerd – niet alleen bij de ASDEX Upgrade-reactor in Garching, maar ook bij ITER, dat momenteel in aanbouw is in Frankrijk, of zelfs in toekomstige DEMO-fusiecentrales.

    Het beschreven onderzoek maakt deel uit van het Oostenrijkse fusieonderzoeksprogramma [email protected]ÖAW en is uitgevoerd binnen het EU-project EUROfusion.


    Fusiesimulatiecode ontwikkeld om fusie-instabiliteiten in TAE . te projecteren


    Informatie:
    GF Harrer, et al. Een quasi-continu uitlaatscenario voor een fusiereactor: de wedergeboorte van kleine gelokaliseerde modi, Fysieke beoordelingsbrieven (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.165001

    Geleverd door Max Planck Society

    citaten: Een nieuwe oplossing voor een van de belangrijkste problemen van fusieonderzoek (2022, 11 oktober) opgehaald op 11 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-solution-major-problems-fusion.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.