Het Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST)-team heeft een nieuwe geïntegreerde regeloplossing voorgesteld om de belangrijkste problemen in de uitlaat van de divertorvermogens aan te pakken voor de stabiele werking van de tokamak-fusiereactor.

Door deze nieuwe aanpak het team, geleid door Xu Guosheng van het Institute of Plasma Physics, Hefei Instituten voor Fysische Wetenschappen, bereikte compatibiliteit tussen high-performance grassy edge-localized mode (ELM) H-mode regime en feedback-gecontroleerde radiative divertor.

In tokamak-operatie met hoge opsluiting, de divertor en de eerste wand dragen een aanzienlijke stationaire en tijdelijke warmteflux die uit het kernplasma wordt getransporteerd, en de divertor is de component die het sterkst interageert met het plasma.

Voor toekomstige tokamak-fusiereactoren zoals de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), de constante warmtestroom op het oppervlak van de wolfraamafleider moet onder de technische limiet worden gehouden, d.w.z. ~10 MWm–2. Daarom, gedeeltelijke loskoppeling met onzuiverheidszaaiing of zogenaamde stralingsdivertor is beschouwd als een primaire oplossing voor de ITER-divertor-warmtestroomregeling.

Echter, voor de conventionele ITER-achtige verticale richtplaatomleider, er is slechts een zeer klein operationeel parametervenster waarin een gedeeltelijk vrijstaand plasma kan worden gehandhaafd, wat een grote uitdaging vormt voor het handhaven van stabiele gedeeltelijke onthechting met goede plasma-opsluiting voor de krachtige stationaire werking van ITER.

Grote tijdelijke warmteflux, bekend als ELM's, kan ook grote uitdagingen met zich meebrengen voor de werking van krachtige fusiereactoren, naast de onaanvaardbare stabiele warmteflux. Grassy ELM H-modus regime is een operationeel regime met goede plasma-opsluiting gekenmerkt door natuurlijke hoogfrequente kleine ELM's. Grassy ELM-regime is met succes bereikt in EAST tokamak in een brede parameterruimte sinds 2016-campagne door Xu en zijn collega's.

De onmiddellijke warmtestroom die wordt geproduceerd door met gras begroeide ELM's is ongeveer 1/20e van die geproduceerd door conventionele grote Type-I ELM's. Met name (zoals weergegeven in figuur 1), met gras begroeide ELM's vertonen een sterk uitlaatvermogen van wolfraamverontreiniging, waardoor het een ideale kandidaat is om compatibel te zijn met het zaaien van onzuiverheden, vooral in een metalen wandomgeving zoals ITER en de Chinese Fusion Engineering Test Reactor (CFETR).

Bovendien, er is een relatief hoge plasmadichtheid bij de tokamak-separatrix in een met gras begroeid ELM-regime, wat de screening van grensonzuiverheden verbetert en zo het bereiken van onthechtingsoperatie onder stralingsafleider vergemakkelijkt.

Na de succesvolle invoering van een met gras begroeid ELM-regime in EAST, Xu en zijn collega's voerden een reeks experimenten uit in de EAST-faciliteit om de compatibiliteit van een met gras begroeid ELM-regime met stralingsdivertor te bestuderen.

Ze ontdekten dat significante degradatie in plasma-opsluiting meestal optreedt als de zaaiende onzuiverheden voor de stralingsdivertor gestaag worden geïnjecteerd zonder enige controle in een met gras begroeid ELM-regime.

Daarna duwden ze hun ontdekking verder. Hun volgende onderzoeken gaven aan dat het absolute extreem-ultraviolette (AXUV) stralingssignaal nabij het tokamak X-punt een goede indicator is van de plasma-opsluiting tijdens het zaaien van divertoronzuiverheden, aangezien de degradatie van de opsluiting met overmatige divertoronzuiverheid seeding/accumulatie gewoonlijk gecorreleerd is met significant verhoogde straling nabij het X-punt.

Echter, het beheersen van de AXUV-straling alleen is onvoldoende om de divertor in een gedeeltelijk losgemaakte toestand te houden, aangezien de absolute waarde van de AXUV-straling varieert met de plasmacondities tijdens het losmaakproces.

Om deze uitdaging aan te gaan, het team ontwikkelde deze keer een nieuwe feedbackoplossing om de onthechtingsstatus van de ITER-achtige wolfraamomleider in EAST actief te controleren.

Ze gebruikten eerst een Langmuir-sonde om de elektronentemperatuur (Tet) nabij het contactpunt van de divertor te meten om de divertorstatus te controleren tijdens ELM-ontladingen met gras. Nadat het losraken van de divertor of gedeeltelijke detachering was bevestigd door bijv. tetdropping onder 5-8eV, het feedbackbesturingssysteem zou overschakelen naar een AXUV-signaal nabij het X-punt om vervolgens het onthechting van de divertor actief te regelen.

De experimentele resultaten, zoals weergegeven in figuur 2, toonde aan dat deze controleoplossing een gestage gedeeltelijke loslating van het divertor-doel kon realiseren. De lokale piektemperatuur van de richtplaat van de divertor kan tijdens het hele feedbackproces, gemeten door een infraroodcamera, worden beperkt tot 180℃.

Hun experiment toonde het succes van de controle-oplossing bij het realiseren van compatibiliteit van gedeeltelijke loslating van de stralingsafleider en het hoogwaardige, grasachtige ELM-regime.

In de toekomst, volgens de ploeg overwegende dat de lagere divertor van EAST naar verwachting zal worden geüpgraded van het huidige grafiet naar wolfraam en verbeterde vermogens en deeltjesuitlaat zal hebben, wetenschappers zullen de geïntegreerde regeloplossing verder optimaliseren voor de mogelijke toepassingen op toekomstige fusiereactoren, en zo hun steady-state operaties te vergemakkelijken.