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Staub blasen, um Fusionsplasmen zu kühlen

B=ΣZnB+Z in der mit EMC3-EIRENE berechneten SOL. Kredit: Nukleare Materialien und Energie (2021). DOI: 10.1016/j.nme.2021.100900″ width=”800″ height=”409″/>
(a) Das untere einzelne Null-Magnetgleichgewicht, das während Echtzeit-Wandkonditionierungsexperimenten verwendet wird. Bor wurde mit dem Impurity Powder Dropper (IPD) durch den Small Angle Slot (SAS) Divertor (roter Pfeil) injiziert. Die DiMES-Sonde (ebenfalls abgebildet) wurde verwendet, um abgeschiedene B-Schichten im unteren Divertor zu charakterisieren. (b) Beispiel einer 3D-Verteilung der Gesamtbordichte nBZnB+Z in der mit EMC3-EIRENE berechneten SOL. Kredit: Nukleare Materialien und Energie (2021). DOI: 10.1016/j.nme.2021.100900

Zukünftige Tokamak-Fusionsreaktoren werden Wärme erzeugen, die über das hinausgeht, was aktuelle Materialien aushalten können. Wissenschaftler haben verschiedene Methoden zum Kühlen des Randes des magnetisch eingeschlossenen Fusionsbrennstoffs oder Plasmas vorgeschlagen, um die Wände des umgebenden Tokamaks zu schützen. Ein Ansatz besteht darin, Verunreinigungen in Form von Gasen einzuspritzen, um die Abstrahlung überschüssiger Wärme zu unterstützen. Es gibt jedoch eine begrenzte Auswahl an Gasen, die injiziert werden können, und einige Gase reagieren schlecht mit Wasserstoff-Fusionsbrennstoff.

Ein neuer Ansatz nutzt Verunreinigungen in Pulverform. Dies ermöglicht es den Forschern, eine beträchtliche Menge an Material direkt in das Abgassystem einzubringen, weit mehr als bei jeder Gasinjektionstechnik. Dies führt zu einem vielversprechenden Szenario, das Spitzenwärmeströme reduziert, die die Tokamak-Wand erreichen.

Eine gleichmäßige Strahlung ist wichtig für einen bestimmten Bereich des Tokamaks, der als Divertor bezeichnet wird. Dieser Bereich gibt konzentrierte Wärme und Partikel ab und erfährt dann potenziell schädliche Wärmeströme. Anlagenbetreiber können Verunreinigungen injizieren, um Wärme von diesen Partikeln zu absorbieren und sie stattdessen als Licht abzugeben. Dadurch wird der Plasmarand gekühlt, wodurch ein schützendes Gaspolster entsteht, das dabei hilft, Wärme und Partikel gleichmäßig über den Divertor zu verteilen.

Die Verwendung von Pulvern anstelle von Gasen erweitert den Bereich möglicher Verunreinigungen, die in einen Tokamak injiziert werden können. Pulver können auch in höherer Reinheit als Gase geliefert werden, was die Verdünnung des Brennstoffs verringert und eine bessere Kontrolle des Fusionsplasmas ermöglicht. Die Pulverabgabe ist jedoch immer noch relativ langsam, und die Forscher müssen diese Methoden verbessern, um auf Änderungen der Plasmabedingungen zu reagieren.

Zukünftige Arbeiten werden die Pulverinjektion zur Abgaskontrolle mit der Optimierung der Fusionsleistung im Plasmakern kombinieren. Diese Schritte werden Fusionswissenschaftlern dabei helfen, zu demonstrieren, wie diese Methoden in einem funktionierenden Fusionsreaktor funktionieren würden.

Zusammenfassung

Typische Tokamak-Verunreinigungsinjektionsverfahren verwenden Gase wie Stickstoff. Während die Verwendung von Gas das Einbringen von Verunreinigungen in das Plasma vereinfacht, ist die Auswahl geeigneter Gase begrenzt, und diese Gase reagieren oft nachteilig mit dem Wasserstoffbrennstoff. Ein Forschungsteam, das an der DIII-D National Fusion Facility, einer Benutzereinrichtung des Energieministeriums (DOE), arbeitet, experimentierte mit der Injektion von Bor-, Bornitrid- und Lithiumpulvern. Insbesondere Lithium ist aufgrund seiner potenziellen Verwendung als Kandidat für vorgeschlagene Flüssigmetallwände in zukünftigen Tokamaks attraktiv, die eine effiziente und sichere Ausbreitung und Ableitung von Wärme ermöglichen würden.

Während der Experimente zeigten Messungen eine erhöhte Lichtemission (Strahlung) und damit verbundene Verringerungen des Spitzenwärmeflusses, der die Wandoberflächen erreicht. Gleichzeitig verbesserte die Pulverinjektion die Wandverhältnisse und reduzierte die Kraftstoffverdünnung durch Verunreinigungen. Sowohl Lithium als auch Bornitrid verursachten einen erheblichen Anstieg des Gasdrucks am Divertor.

Die während der Pulverinjektion beobachteten Strahlungsmerkmale und -verteilung wurden auch in Computersimulationen gesehen, die das Experiment modellieren. Die Simulationen zeigten, dass Materialien mit kleineren Partikelgrößen dazu neigen, direkt an der Injektionsstelle abgetragen zu werden und ähnlich wie ein Gas zu wandern. Größere Partikel können längere Strecken zurücklegen, bevor sie vollständig abgetragen und ionisiert sind.

Die Simulationen zeigen, dass durch die Wahl des Materials und der Partikelgröße die Abscheidung und die Lage der Kühlstelle gesteuert werden können. Das Verständnis dieses Effekts in den Experimenten und durch Computersimulationen ermöglicht es, ihn in Reaktordesigns einzubeziehen. Die Integration von Pulverinjektion in zukünftige Reaktordesigns kann es ihnen ermöglichen, ein hohes Maß an Fusionsleistung beizubehalten und gleichzeitig die Lebensdauer von Divertoroberflächen zu erhöhen.

Die Details dieser Experimente wurden in veröffentlicht Nukleare Materialien und Energie.


Integration heißer Kerne und kühler Kanten in Fusionsreaktoren


Mehr Informationen:
F. Effenberg et al, 3D-Modellierung des Bortransports in DIII-D-L-Modus-Wandkonditionierungsexperimenten, Nukleare Materialien und Energie (2021). DOI: 10.1016/j.nme.2021.100900

Bereitgestellt vom US-Energieministerium

Zitat: Blowing dust to cool fusion plasmas (2022, 8. März), abgerufen am 8. März 2022 von https://techxplore.com/news/2022-03-cool-fusion-plasmas.html

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