High-power TCV scenario for conventional and alternative divertor studies

Om de uitdaging te begrijpen die in dit nieuwe onderzoek wordt aangepakt, moet men eerst het fundamentele probleem van het bouwen van een fusiekrachtcentrale begrijpen. Fusie, het proces dat de zon aandrijft, houdt het bij elkaar rammen van atomen in om enorme hoeveelheden energie vrij te laten. Echter, op aarde creëert deze reactie een superverhit gas genaamd plasma dat zo heet is dat het elke vaste container zou doen smelten. Om het plasma zwevend te houden, gebruiken wetenschappers krachtige magnetische velden om het vast te houden in een ringvormige donut. Terwijl de magnetische kooi de hoofdinhoud van het plasma weg houdt van de wanden, ontsnapt er onvermijdelijk een dun laagje gas aan de uiterste rand, bekend als de scrape-off layer. Dit ontsnappende gas voert warmte af en moet veilig worden geleid naar een specifiek afvoerbied, de divertor genoemd, waar het kan worden afgekoeld en verwijderd. Als deze warmte niet wordt beheerd, zal het de machine beschadigen. Het doel is om een manier te vinden om deze warmte te verspreiden of af te koelen voordat deze het afvoermembraan raakt, een staat die bekend staat als "detachment" (ontkoppeling), zonder de energie te verliezen die nodig is om de fusiereactie gaande te houden.

Decennialang hebben onderzoekers verschillende vormen voor deze magnetische afvoersystemen getest, in de hoop een ontwerp te vinden dat de extreme hitte kan weerstaan die wordt verwacht in toekomstige elektriciteitscentrales. De meeste eerdere experimenten op kleinere machines waren beperkt omdat ze niet genoeg hitte konden genereren om deze nieuwe ontwerpen echt onder druk te testen. Ze waren als het testen van de remmen van een auto door langzaam op een parkeerplaats te rijden, in plaats van op snelwegtempo. Een team van wetenschappers bij de TCV tokamak in Zwitserland heeft dit nu veranderd door een nieuwe, krachtige operationele modus te creëren die de machine tot zijn grenzen drijft. Het lukte hen om een enorme hoeveelheid verwarmingsenergie in het plasma te injecteren terwijl ze de dichtheid van het gas zeer laag hielden. Deze combinatie creëerde een scenario waarin de hitte die het afvoermembraan raakte, niveaus bereikte die nooit eerder op deze specifieke machine waren gezien, waardoor de omstandigheden veel dichter bij wat een echte elektriciteitscentrale zou ervaren, werden gebracht.

De onderzoekers bereikten dit door gebruik te maken van een gespecialiseerd verwarmingssysteem dat microgolfstralen direct in het centrum van het plasma vuurt. Ze pompten 2,5 megawatt aan vermogen in, die bijna volledig door het plasma werd geabsorbeerd, en behielden een sterke elektrische stroom van 300.000 ampère die door het gas stroomde. Cruciaal was dat ze de hoeveelheid gas in de machine zeer laag hielden, veel minder dan wat gewoonlijk wordt gebruikt in soortgelijke experimenten. Deze lage dichtheid is belangrijk omdat het het probleem van de warmteafvoer veel moeilijker maakt, waardoor de magnetische vormen harder moeten werken. Onder deze intense omstandigheden bereikte de hitte die langs de magnetische veldlijnen naar het afvoermembraan stroomde een piek van 100 megawatt per vierkante meter. Dit is tien keer hoger dan wat deze machine in eerdere studies ooit heeft geproduceerd en komt in de range van de hittefluxen die worden aangetroffen in grotere, krachtigere fusieapparaten over de hele wereld.

Met deze nieuwe krachtige opstelling kon het team een breed scala aan magnetische vormen testen die zijn ontworpen om de warmteafvoer te verbeteren. Ze verkenden configuraties met lange, uitgerekte afvoervaten, evenals ontwerpen die extra magnetische punten gebruiken om de hitte over een groter gebied te verspreiden. Ze ontdekten dat hoewel de machine deze extreme hittebelastingen kon weerstaan, het afkoelen van het plasma tot een veilige, gedetacheerde staat via gasinjectie (gas seeding) verrassend moeilijk was. Wanneer ze stikstofgas injecteerden om de afvoer te proberen af te koelen, nam de straling toe, maar de kern van het plasma werd ook heter en onzuiverder. De hitteflux bij het doel daalde slechts licht, en het plasma bereikte niet de volledig gedetacheerde staat waarbij de hitte volledig wordt verwijderd voordat deze de wand raakt. Dit suggereert dat in dit specifieke scenario met hoog vermogen en lage dichtheid, de gebruikelijke methoden om de afvoer te koelen minder effectief zijn dan bij experimenten met een lager vermogen.

De betekenis van dit werk ligt in de mate waarin de omstandigheden nu overeenkomen met de voorspellingen voor toekomstige reactoren zoals ITER en SPARC. De onderzoekers berekenden dat de moeilijkheid om het plasma af te koelen in hun nieuwe scenario vergelijkbaar is met wat deze enorme toekomstige machines zullen ervaren. Ze maten een specifieke metriek voor de moeilijkheid van detachment die waarden bereikte rond de 200 tot 350, wat vergelijkbaar is met de waarden die worden verwacht voor SPARC en ARC, twee voorgestelde volgende generatie fusieapparaten. Hoewel de machine zelf veel kleiner is dan een elektriciteitscentrale, is de fysica van de warmteafvoer waarmee hij te maken heeft nu op dezelfde schaal. Dit betekent dat de TCV-machine nu kan dienen als een vitale testomgeving voor het begrijpen van hoe verschillende magnetische vormen zullen presteren onder stress op reactorniveau, wat wetenschappers helpt hun ontwerpen te verfijnen voordat de volledige schaal van de elektriciteitscentrales van de toekomst wordt gebouwd. De studie bevestigt dat hoewel de hittebelastingen nu hoog genoeg zijn om relevant te zijn, de weg naar het veilig beheren ervan een complexe uitdaging blijft die verdere investigatie vereist.