Een van de belangrijkste optimalisatiedoelen die ten grondslag liggen aan het Wendelstein 7-X-fusieapparaat van het Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) in Greifswald, is nu bevestigd. Een analyse door IPP-wetenschappers in het tijdschrift Natuur toont:In de geoptimaliseerde magnetische veldkooi, de energieverliezen van het plasma worden op de gewenste manier verminderd. Wendelstein 7-X is bedoeld om te bewijzen dat de nadelen van eerdere stellarators kunnen worden overwonnen en dat stellarator-achtige apparaten geschikt zijn voor energiecentrales.

De geoptimaliseerde Wendelstein 7-X stellarator, die vijf jaar geleden in gebruik werd genomen, is bedoeld om aan te tonen dat fusie-installaties van het stellarator-type geschikt zijn voor energiecentrales. Het magnetische veld, die het hete plasma omsluit en weghoudt van de vaatwanden, werd met grote theoretische en computationele inspanning zo gepland dat de nadelen van eerdere stellarators worden vermeden. Een van de belangrijkste doelen was het verminderen van de energieverliezen van het plasma, die worden veroorzaakt door de rimpeling van het magnetische veld. Dit is verantwoordelijk voor plasmadeeltjes die naar buiten drijven en verloren gaan ondanks dat ze gebonden zijn aan de magnetische veldlijnen.

In tegenstelling tot de concurrerende apparaten van het tokamak-type, waarvoor dit zogenaamde "neo-klassieke" energie- en deeltjesverlies geen groot probleem is, het is een ernstige zwakte in conventionele stellarators. Het zorgt ervoor dat de verliezen zo toenemen bij stijgende plasmatemperatuur dat een op deze basis ontworpen energiecentrale erg groot en dus erg duur zou zijn.

In tokamaks, aan de andere kant - dankzij hun symmetrische vorm - zijn de verliezen als gevolg van de magnetische veldrimpeling slechts klein. Hier, de energieverliezen worden voornamelijk bepaald door kleine vortexbewegingen in het plasma, door turbulentie - die ook wordt toegevoegd als een verlieskanaal in stellarators. Daarom, om de goede opsluitingseigenschappen van de tokamaks in te halen, het verlagen van de neoklassieke verliezen is een belangrijke taak voor stellaratoroptimalisatie. Overeenkomstig, het magnetische veld van Wendelstein 7-X is ontworpen om die verliezen te minimaliseren.

In een gedetailleerde analyse van de experimentele resultaten van Wendelstein 7-X, wetenschappers onder leiding van Dr. Craig Beidler van IPP's Stellarator Theory Division hebben nu onderzocht of deze optimalisatie tot het gewenste effect leidt. Met de tot nu toe beschikbare verwarmingstoestellen, Wendelstein 7-X is al in staat geweest om plasma's op hoge temperatuur te genereren en het stellarator-wereldrecord voor het "fusieproduct" bij hoge temperatuur te vestigen. Dit product van temperatuur, plasmadichtheid en energiebeperkingstijd geven aan hoe dicht u bij de waarden voor een brandend plasma komt.

Zo'n recordplasma is nu in detail geanalyseerd. Bij hoge plasmatemperaturen en lage turbulente verliezen, de neoklassieke verliezen in de energiebalans waren hier goed te herkennen:ze waren goed voor 30 procent van het verwarmingsvermogen, een aanzienlijk deel van de energiebalans.

Het effect van neoklassieke optimalisatie van Wendelstein 7-X wordt nu aangetoond door een gedachte-experiment:Er werd aangenomen dat dezelfde plasmawaarden en profielen die leidden tot het recordresultaat in Wendelstein 7-X ook werden bereikt in planten met een minder geoptimaliseerd magnetisch veld . Vervolgens werden de daar te verwachten neoklassieke verliezen berekend - met een duidelijk resultaat:ze zouden groter zijn dan het ingangsverwarmingsvermogen, wat een fysieke onmogelijkheid is. "Dit laat zien, " zegt professor Per Helander, hoofd van de Stellarator Theory Division, "dat de plasmaprofielen waargenomen in Wendelstein 7-X alleen denkbaar zijn in magnetische velden met lage neoklassieke verliezen. Omgekeerd, dit bewijst dat het optimaliseren van het magnetische veld van Wendelstein met succes de neoklassieke verliezen heeft verlaagd".

Echter, de plasma-ontladingen zijn tot nu toe slechts kort geweest. Om de prestaties van het Wendelstein-concept in continubedrijf te testen, momenteel wordt een watergekoelde gevelbekleding aangebracht. Op deze manier uitgerust, de onderzoekers zullen zich geleidelijk opwerken tot plasma's van 30 minuten lang. Dan zal het mogelijk zijn om te controleren of Wendelstein 7-X zijn optimalisatiedoelen ook kan bereiken in continu bedrijf - het belangrijkste voordeel van de stellarators.

Achtergrond

Het doel van fusieonderzoek is het ontwikkelen van een klimaat- en milieuvriendelijke energiecentrale. gelijk aan de zon, het is om energie op te wekken uit de fusie van atoomkernen. Omdat het fusievuur pas ontbrandt bij temperaturen boven de 100 miljoen graden, de brandstof - een waterstofplasma met een lage dichtheid - mag niet in contact komen met koude vatwanden. Vastgehouden door magnetische velden, het drijft bijna contactloos in een vacuümkamer.

De magnetische kooi van Wendelstein 7-X wordt gevormd door een ring van 50 supergeleidende magnetische spoelen. Hun bijzondere vormen zijn het resultaat van uitgekiende optimalisatieberekeningen. Met hun hulp, de kwaliteit van plasma-opsluiting in een stellarator is om het niveau van concurrerende tokamak-achtige faciliteiten te bereiken.