Die Erzeugung von Energie und Wärme mittels Plasmafusion ist eine der vielversprechenden Technologien für den Übergang zu nachhaltigen Energiequellen. Eine der Herausforderungen ist das Management der Temperaturen am Plasmarand. Ph.D. Der Forscher Artur Perek hat ein Bildgebungssystem namens MANTIS entwickelt, um die Temperatur am Plasmarand abzubilden und zu überwachen, und er hat die Softwareleistung verbessert, um die Kontrolle der Plasmarandtemperaturen zu verbessern. Perek hat am 13. April seine Dissertation am Institut für Angewandte Physik verteidigt.
CO2-arme Stromerzeugung ist eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die Kernfusion, das Energieerzeugungsverfahren der Sonne, ist eine der angestrebten Lösungen für eine wetterunabhängige Grundlaststromerzeugung.
Auf der Erde können die Bedingungen für die Fusion in magnetischen Einschlussvorrichtungen nachgebildet werden. Wenn die richtigen Bedingungen erfüllt sind, kann die durch Fusionsreaktionen erzeugte Wärme die Plasmatemperaturen aufrechterhalten. Sobald es gelungen ist, Fusionsenergie zu erzeugen, wird die sichere Energieabfuhr zu einer Herausforderung.
Herausforderungen bei der Plasmakantentemperatur
Die Plasmakante ist so geformt, dass sie um den Plasmakern herum eine Scrape-Off-Schicht (SOL) bildet, die Wärme und geladene Teilchen, die aus dem Kern entweichen, zu einem speziellen Teil der Maschine, dem Divertor, ableitet. Ungeminderte Wärmeströme schmelzen die Zielflächen des Divertors innerhalb von Sekunden nach Betrieb bei voller Leistung. Der SOL muss in einem losgelösten Regime betrieben werden, in dem Wärme- und Partikelflüsse, die das Divertorziel erreichen, reduziert werden, um diese Komponenten zu schützen. Die Ablösung des Divertors kann erreicht werden, indem der neutrale Gasdruck im Divertor erhöht und das Plasma mit Verunreinigungen angereichert wird, um die Leistung abzustrahlen.
Eine Überkühlung des SOL kann die Leistung des Kernplasmas negativ beeinflussen. Andererseits kann eine Unterkühlung die dem Plasma zugewandten Komponenten beschädigen. Zwischen diesen Extremen gibt es ein Optimum, bei dem sowohl die Kern- als auch die Divertoranforderungen erfüllt sind. Um dieses Optimum zu finden, baute Artur Perek in Zusammenarbeit zwischen DIFFER, EPFL und MIT ein Multispectral Advanced Narrowband Imaging System (kurz MANTIS).
„In meiner Promotion ging es darum, ein Problem nach dem anderen zu lösen. Glücklicherweise genieße ich es wirklich, Probleme zu lösen“, fügt Perek hinzu. „Als ich mit meiner Promotion begann, wurden die Komponenten der Kamera bestellt und gestapelt. Mein Ziel war es, sie zu bauen, auf dem Schweizer TCV Tokamak der EPFL (École Polytechnique de Lausanne) zu installieren und ihre Verwendung zur Steuerung zu ermöglichen .“
Es kann gleichzeitig zehn spektral schmale Lichtbänder durch eine einzige Pupille abbilden. Die Bänder wurden ausgewählt, um Photonen einzufangen, die von Atomen am Plasmarand stammen, die Übergängen zwischen ihren angeregten Zuständen entsprechen.
Vision-in-Loop-Reaktorsteuerung
Die Kombination dieser Messungen mit der Kameraansichtsgeometrie und der hochmodernen Modellierung der Plasmaemission ergab 2D-Karten von Plasmaparametern wie Elektronendichte und Temperatur. Diese Karten bieten Einblicke in den Zustand der Scrape-Off-Schicht (SOL) und die dahinter stehende Physik. Die Daten ermöglichten Vergleiche zwischen SOL-Modellen und Experimenten in beispielloser Detailgenauigkeit und zeigten genau auf, wo die Modelle von Experimenten abweichen und umgekehrt.
Die MANTIS-Kamera ist ein hochwertiges Hochleistungsgerät, aber die mitgelieferte Software wurde nicht für diese Leistung entwickelt. „Wir analysieren das Plasma 800 Mal pro Sekunde. Die Software erwies sich als zu langsam, um damit Schritt zu halten, also beschloss ich, sie zu verbessern.“ Perek baute einen Software-Exploit, der die ursprüngliche Software umging und die Stabilität im Mikrosekundenbereich verbesserte.
MANTIS ist nicht nur eine Kamera; es ist auch Teil des Echtzeit-Reaktorsteuerungssystems. Es kann Controllern Informationen über den Plasmarandzustand liefern, um die SOL-Kühlung auszugleichen und gleichzeitig eine unnötige Verschlechterung der Plasmakernleistung zu vermeiden. Perek erklärt: „MANTIS hat tatsächlich zehn Kameras, nicht nur die, die wir verwenden. Sie alle zu verwenden, würde die Ablösungskontrolle drastisch verbessern, erfordert aber viel schnellere Modelle.“
Die Bilder lieferten einen beispiellosen Einblick in die Plasmakantenphänomene, die für die Modellvalidierung verwendet wurden. Daher ist diese Forschung für die Validierung von 2D-SOL-Modellen mit 2D-Diagnose unerlässlich, um ihre Vorhersagekraft für zukünftige Maschinen zu stärken. Es zeigt auch, dass Vision-in-the-Loop verwendet werden kann, um die Leistungsabgabe eines Kernfusionsreaktors zu steuern.
Entwicklung und Anwendung quantitativer multispektraler Bildgebung in der Kernfusionsforschung. research.tue.nl/en/publication … ultispectral-imaging