En ny løsning på et av fusjonsforskningens store problemer

Type-I ELM-plasma-ustabilitet kan smelte veggene til fusjonsenheter. Et team av forskere fra Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) og Vienna University of Technology (TU Wien) fant en måte å få dem under kontroll. Arbeidet deres er publisert i tidsskriftet Fysiske gjennomgangsbrev.

Kjernefusjonskraftverk kan en dag gi en bærekraftig løsning på energiproblemene våre. Det er grunnen til at det forskes over hele verden på denne metoden for energiproduksjon, som imiterer prosesser på solen. For at prinsippet skal fungere på jorden, må plasmaer varmes opp til minst 100 millioner grader Celsius i reaktorer. Magnetiske felt omslutter plasmaet slik at veggen i reaktoren ikke smelter. Dette fungerer kun fordi de ytterste centimeterne i den magnetisk utformede plasmakanten er ekstremt godt isolert. I denne regionen forekommer imidlertid plasma-ustabiliteter, såkalte edge localized modes (ELMs), ofte. Under et slikt arrangement, energiske partikler fra plasmaet kan treffe veggen til reaktoren og potensielt skade den.

Forskere fra Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) i Garching og fra Wiens teknologiske universitet har nå kunnet vise: Det er en driftsmodus for fusjonsreaktorer som unngår dette problemet. I stedet for store, potensielt destruktive ustabiliteter, aksepterer man med vilje mange små ustabiliteter som ikke utgjør et problem for reaktorens vegg.

“Vårt arbeid representerer et gjennombrudd i å forstå forekomsten og forebyggingen av store Type I ELMs,” sier Elisabeth Wolfrum, forskningsgruppeleder ved IPP i Garching, Tyskland, og professor ved TU Wien. “Operasjonsregimet vi foreslår er sannsynligvis det mest lovende scenariet for fremtidige fusjonskraftverksplasmaer.” Resultatene er nå publisert i tidsskriftet Fysiske gjennomgangsbrev.

Renessansen til en tilsidesatt driftsmåte

I en toroidformet tokamak-fusjonsreaktor beveger ultravarme plasmapartikler seg med høye hastigheter. Kraftige magnetspoler sørger for at partiklene forblir innestengt i stedet for å treffe reaktorveggen med destruktiv kraft. “Men du ønsker ikke å isolere plasmaet perfekt fra reaktorveggen heller; tross alt må nytt brensel tilsettes og heliumet som produseres under fusjon må fjernes,” forklarer Friedrich Aumayr, professor i ion- og plasmafysikk ved Institute of Applied Physics ved TU Wien i Wien, Østerrike.

Detaljene i dynamikken inne i reaktoren er kompliserte: Partiklenes bevegelse avhenger av plasmatetthet, temperatur og magnetfelt. Avhengig av hvordan man velger disse parameterne, er forskjellige operasjonsregimer mulig. Et langvarig samarbeid mellom TU Wien-gruppen til Friedrich Aumayr og IPP Garching-gruppen koordinert av Elisabeth Wolfrum førte nå til et driftsregime som kan forhindre de spesielt ødeleggende plasma-ustabilitetene som kalles type I ELM.

Allerede for noen år siden har eksperimenter vist en oppskrift mot de farlige Type-I ELMene: plasmaet deformeres litt av magnetspolene slik at plasmatverrsnittet ikke lenger er elliptisk, men ligner en avrundet trekant. Samtidig økes tettheten til plasmaet, spesielt ved kanten.

“Til å begynne med ble dette imidlertid antatt å være et scenario som bare forekommer i for tiden kjører mindre maskiner som ASDEX Upgrade på IPP i Garching og er irrelevant for en reaktor,” forklarer Lidija Radovanovic, som for tiden jobber med sin Ph.D. . avhandling om dette emnet ved TU Wien. “Men med nye eksperimenter og simuleringer har vi nå vært i stand til å vise: Regimet kan forhindre de farlige ustabilitetene selv i parameterområder forutsett for reaktorer.”

Som en kjele med lokk

På grunn av plasmaets trekantede form og den kontrollerte injeksjonen av ytterligere partikler ved plasma kanten oppstår mange små ustabiliteter – flere tusen ganger per sekund. “Disse små partikkelutbruddene treffer veggen til reaktoren raskere enn den kan varmes opp og kjøles ned igjen,” sier Georg Harrer, hovedforfatter av avisen. “Derfor spiller ikke disse individuelle ustabilitetene noen stor rolle for reaktorveggen.” Men som teamet har vært i stand til å vise gjennom detaljerte simuleringsberegninger, forhindrer disse mini-ustabilitetene de store ustabilitetene som ellers ville forårsake skade.

— Det er litt som en gryte med lokk, der vannet begynner å koke, forklarer Georg Harrer. “Hvis trykket fortsetter å bygge seg opp, vil lokket løfte seg og rasle kraftig på grunn av dampen som slipper ut. Men hvis du vipper lokket litt, kan damp kontinuerlig slippe ut, og lokket forblir stabilt og rasler ikke.” Dette operasjonsregimet for fusjonsreaktorer kan implementeres i en rekke reaktorer – ikke bare ved ASDEX Upgrade-reaktoren i Garching, men også ved ITER, som for tiden er under bygging i Frankrike, eller til og med i fremtidige DEMO-fusjonsanlegg.

Forskningen som beskrives er en del av den østerrikske fusjon forskningsprogrammet [email protected]ÖAW og ble gjennomført innenfor EU-prosjektet EUROfusion.

---

---