Het opwekken van energie en warmte met behulp van plasmafusie is een van de kansrijke technologieën voor de transitie naar duurzame energiebronnen. Een van de uitdagingen is het beheersen van de temperaturen in de plasmarand. doctoraat onderzoeker Artur Perek heeft een beeldvormingssysteem gebouwd dat bekend staat als MANTIS om de temperatuur in de plasmarand af te beelden en te bewaken, en hij heeft de softwareprestaties verbeterd om de controle over de plasmarandtemperaturen te verbeteren. Perek verdedigde op 13 april zijn proefschrift bij de faculteit Technische Natuurkunde.

Koolstofarme energieopwekking is een van de uitdagingen van de 21e eeuw. Kernfusie, het energieproductieproces van de zon, is een van de beoogde oplossingen voor de opwekking van basislaststroom, onafhankelijk van de weersomstandigheden.

Op aarde kunnen de voorwaarden voor fusie worden nagebootst in magnetische opsluitingsapparaten. Wanneer aan de juiste voorwaarden wordt voldaan, kan de warmte die wordt gegenereerd door fusiereacties de plasmatemperaturen handhaven. Eenmaal succesvol in het genereren van fusie-energie, wordt de veilige stroomuitlaat een uitdaging.

Plasma edge temperatuuruitdagingen

De plasmarand is gevormd om een ​​Scrape-Off Layer (SOL) rond de plasmakern te creëren, die warmte en geladen deeltjes die uit de kern ontsnappen omleidt naar een speciaal onderdeel van de machine, de divertor genaamd. Onbeperkte warmtestromen zullen de doeloppervlakken van de divertor binnen enkele seconden na gebruik op vol vermogen doen smelten. De SOL moet worden gebruikt in een vrijstaand regime waarin warmte- en deeltjesfluxen die het doel van de divertor bereiken, worden verminderd om die componenten te beschermen. Het losmaken van de divertor kan worden bereikt door de neutrale gasdruk in de divertor te verhogen en het plasma te verrijken met onzuiverheden om de stroom weg te stralen.

Overkoeling van de SOL kan de prestaties van het kernplasma negatief beïnvloeden. Aan de andere kant kan onderkoeling de naar het plasma gerichte componenten beschadigen. Tussen die uitersten bevindt zich een optimum waarin zowel aan de kern- als aan de divertorvereisten wordt voldaan. Om dit optimum te vinden, bouwde Artur Perek een Multispectral Advanced Narrowband Imaging System (kortweg MANTIS) binnen een samenwerking tussen DIFFER, EPFL en MIT.

"Mijn doctoraat hield zich bezig met het oplossen van probleem na probleem. Gelukkig vind ik het erg leuk om problemen op te lossen", voegt Perek toe. "Toen ik aan mijn doctoraat begon, werden de componenten van de camera besteld en stapelden ze zich op. Mijn doel was om hem te bouwen, te installeren op de Zwitserse TCV Tokamak van EPFL (École Polytechnique de Lausanne) en het gebruik ervan voor controle mogelijk te maken ."

Het kan tegelijkertijd tien spectraal smalle banden van licht door een enkele pupil afbeelden. De banden zijn geselecteerd om fotonen te vangen die afkomstig zijn van atomen in de plasmarand die overeenkomen met overgangen tussen hun aangeslagen toestanden.

Vision-in-loop reactor control

Combining those measurements with the camera view geometry and the state-of-the-art modeling of the plasma emission yielded 2D maps of plasma parameters such as the electron density and temperature. These maps provide insights into the state of the Scrape-Off Layer (SOL) and the physics behind it. The data allowed for comparisons between SOL models and experiments in unprecedented detail, pinpointing where the models deviate from experiments and vice-versa.

The MANTIS camera is a high quality, high-performance apparatus, but the software that came with it was not designed to match this performance. "We analyze the plasma 800 times per second. The software turned out to be too slow to keep up with this, so I decided to improve it." Perek built a software exploit that bypassed the original software and improved microsecond stability.

MANTIS is not just a camera; it is also part of the real-time reactor control system. It can provide controllers with information about the plasma edge state to balance the SOL cooling while avoiding unnecessary degradation of the plasma core performance. Perek explains:"MANTIS actually has ten cameras, not just the one we use. Using them all would drastically improve detachment control, but it requires far faster models."

The images provided an unprecedented insight into the plasma edge phenomena used for model validation. Therefore, this research is essential for validating 2D SOL models with 2D diagnostics to strengthen their predictive power for future machines. It also shows that vision-in-the-loop can be used to control the power exhaust of a nuclear fusion reactor. + Verder verkennen

Integrating hot cores and cool edges in fusion reactors