Al 30 jaar, de Asdex Upgrade maakt de weg vrij voor een fusiecentrale die klimaatneutrale energie opwekt. De tokamak-fusiefabriek werd in die tijd herhaaldelijk uitgebreid en verbeterd. Niet in de laatste plaats om deze reden het biedt tal van inzichten die worden verwerkt in het ontwerp en de werking van andere fusiecentrales. Bijvoorbeeld, het Asdex Upgrade-team heeft scenario's ontwikkeld voor de exploitatie van de Jet-testfabriek in het VK en de Iter-testfabriek in Frankrijk, evenals voorspellingen voor een geplande demonstratie-energiecentrale. Een geplande verbouwing medio 2022 is bedoeld om de fabriek klaar te maken voor de toekomst.

Het doel van fusieonderzoek is het ontwikkelen van een klimaat- en milieuvriendelijke energiecentrale. Zoals de zon, het doel is om energie te halen uit de fusie van atoomkernen. De brandstof hiervoor is een uiterst dunne, geïoniseerd waterstofgas - een plasma. Om het fusievuur te ontsteken, het plasma moet bijna contactloos worden ingesloten in magnetische velden en worden verwarmd tot meer dan 100 miljoen graden.

Om de interactie tussen de hete brandstof en de omringende muren te regelen, wetenschappers van het Max Planck Institute for Plasma Physics hebben de Asdex Upgrade uitgerust met een divertor, waaraan de plant zijn naam heeft gegeven:Axiaal symmetrisch divertor-experiment. Door een extra magnetisch veld, het divertorveld verwijdert onzuiverheden uit het plasma en verbetert de thermische isolatie ervan.

Echter, in tegenstelling tot zijn voorganger Asdex, de Asdex-upgrade, de divertor en belangrijke eigenschappen van het plasma, vooral de dichtheid en de belasting op de muren, zijn beter aangepast aan de omstandigheden in een latere elektriciteitscentrale. Uitgerust met een krachtige plasmaverwarmer en geavanceerde meetapparatuur voor het observeren van het plasma, de Asdex Upgrade kan daarom worden gebruikt om bedrijfsmodi te ontwikkelen voor een potentiële energiecentrale. op 38, 700 plasma-ontladingen tot nu toe, de centrale beantwoordde essentiële onderzoeksvragen voor het Europese gezamenlijke experiment Jet en de internationale experimentele reactor Iter, evenals een geplande demonstratiecentrale.

Een wolfraamwand voor het plasmavat

Met de Asdex-upgrade, de onderzoekers zetten een belangrijke stap in de richting van een toekomstige fusiecentrale toen ze de wand van het plasmavat bekleedden met wolfraam in plaats van koolstof. Koolstof heeft aanzienlijke voordelen voor experimentele planten. Echter, het is ongeschikt voor de werking van een elektriciteitscentrale omdat het te sterk wordt geërodeerd door het plasma en te veel brandstof aan zichzelf bindt. Vanwege het hoge smeltpunt, wolfraam is zeer geschikt als wandmateriaal - althans in principe. Maar het plasma koelt snel af vanwege zelfs de kleinste onzuiverheden in de wolfraamatomen die herhaaldelijk uit de wand worden losgelaten. Na veel experimenteren, het Asdex-upgradeteam heeft dit probleem kunnen oplossen.

Directe gevolgen van dit succes:Bij een grote verbouwing, het Europese gezamenlijke experiment Jet kreeg in 2011 een tungsten divertor. Het internationale experimentele reactorteam Iter besloot af te zien van de aanvankelijk geplande experimenten met een carbon divertor en direct voor wolfraam te gaan. Wolfraam is ook het referentiemateriaal voor de demonstratiecentrale.

Het injecteren van waterstof voorkomt instabiliteiten

In de interactie van de geladen plasmadeeltjes met het beperkende magnetische veld, verschillende verstoringen van de plasma-opsluiting kunnen optreden. Deze omvatten instabiliteiten aan de plasmarand of ELM's (edge ​​localized modes). In het proces, het randplasma verliest kort zijn opsluiting en werpt periodiek plasmadeeltjes en energie naar buiten op de vaatwanden. Terwijl middelgrote installaties zoals de Asdex Upgrade dit aankunnen, de divertor in grote installaties zoals Iter zou overbelast kunnen raken. Om dit probleem op te lossen, Voor de Asdex Upgrade zijn procedures ontwikkeld om instabiliteiten te voorkomen. Zestien kleine magneetspoelen in het plasmavat onderdrukken met hun velden de instabiliteit volledig. Een tweede methode begint bij de buitenste plasmarand. Als de juiste plasmavorm kan worden ingesteld - via het magnetische veld - en tegelijkertijd een voldoende hoge deeltjesdichtheid garandeert - door waterstof te injecteren - kunnen ELM's zich niet ontwikkelen.

Zorgen voor een continue werking

Continue werking wordt gegarandeerd door fusie-installaties van het tokamak-type, zoals de Asdex Upgrade, Jet, of Iter - die de magnetische kooi construeert met twee over elkaar heen geplaatste magnetische velden:een ringvormig veld dat wordt gegenereerd door externe magnetische spoelen en het veld van een stroom die in het plasma vloeit. Door de magnetische velden te combineren, de veldlijnen zijn zo gedraaid dat ze het plasma omsluiten. De plasmastroom wordt normaal gesproken pulsgewijs geïnduceerd door een transformatorspoel in het plasma. In tegenstelling tot de meer gecompliceerde stellarators, het hele systeem werkt in pulsen - een tekortkoming van de tokamaks.

Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica onderzoeken daarom verschillende methoden om continu stroom in het plasma op te wekken. Bijvoorbeeld, door hoogfrequente golven of deeltjesbundels te injecteren die een extra stroom in het plasma aandrijven. Zo zijn ze erin geslaagd het systeem bijna zonder transformator te laten werken - en voor het eerst in een machine met een praktisch relevante metalen binnenwand. Als de Asdex Upgrade niet was uitgerust met normaal geleidende koperen spoelen maar met supergeleidende magnetische spoelen (zoals het geval was voor Iter), deze fase had veel langer kunnen worden verlengd, mogelijk zelfs tot continubedrijf.

Wat zal er daarna gebeuren?

Tijdens de 30-jarige werking van de Asdex Upgrade, de vorm van de divertor is verschillende keren gewijzigd en geoptimaliseerd. De onderzoekers willen nu een stap verder gaan en een nieuw divertorconcept testen. Twee extra magneetspoelen op het dak van het plasmavat zijn bedoeld om het divertorveld uit te waaieren zodat het vermogen van het plasma over een groter oppervlak wordt verdeeld. De montage van de spoelen staat gepland voor medio 2022. Dergelijke uitbreidingen zullen ook toekomstig onderzoek bij de Garching tokamak mogelijk maken om de problemen van een toekomstige demonstratiecentrale op te lossen. "Op veel manieren, de Asdex Upgrade kan worden gezien als een blauwdruk voor een tokamak-fusiecentrale, ", zegt projectleider Arne Kallenbach. "Samen met nieuw ontwikkelde computercodes, de monsterlozingen die in de loop van 30 jaar zijn ontwikkeld, bieden betrouwbare informatie voor een elektriciteitscentrale."