Nivel de conocimiento sin precedentes de los fenómenos de borde de plasma

La energía de fusión por plasma y la producción de calor es una de las tecnologías prometedoras para la transición hacia fuentes de energía sostenibles. Uno de los desafíos es gestionar las temperaturas en el borde del plasma. Doctor. El investigador Artur Perek ha construido un sistema de imágenes conocido como MANTIS para obtener imágenes y monitorear la temperatura del borde del plasma y ha mejorado el rendimiento del software para mejorar el control de las temperaturas del borde del plasma. Perek defendió su tesis en el Departamento de Física Aplicada el 13 de abril.

La generación de energía baja en carbono es uno de los retos del siglo XXI. La fusión nuclear, el proceso de producción de energía del sol, es una de las soluciones previstas para generar carga base independiente de las condiciones climáticas.

En la Tierra, las condiciones de fusión se pueden recrear en dispositivos de confinamiento magnético. Cuando se cumplen las condiciones adecuadas, el calor generado por las reacciones de fusión puede mantener plasma temperaturas Una vez exitoso en la generación el poder de la fusionagotar la energía segura se convierte en un desafío.

Desafíos de la temperatura del borde del plasma

El borde del plasma tiene forma para crear una capa de raspado (SOL) alrededor del núcleo de plasma, que desvía el calor y las partículas cargadas que escapan del núcleo a una parte dedicada de la máquina llamada derivación. Los flujos de calor no mitigados derretirán las superficies objetivo del desviador en cuestión de segundos de funcionamiento a plena potencia. El SOL debe operarse en un régimen independiente en el que los flujos de calor y partículas que llegan al objetivo del desviador se reducen para proteger estos componentes. El desprendimiento del desviador se puede lograr aumentando la presión del gas neutro en el desviador y enriqueciendo el plasma con impurezas para irradiar energía.

El sobreenfriamiento del SOL puede afectar negativamente el rendimiento del plasma central. Por otro lado, el subenfriamiento puede dañar los componentes que enfrentan el plasma. Entre estos extremos hay un punto óptimo en el que se satisfacen los requisitos del núcleo y del desviador. Para encontrar este óptimo, Artur Perek construyó un Sistema avanzado de imágenes multiespectrales de banda estrecha (en resumen, MANTIS) dentro de una colaboración entre DIFFER, EPFL y MIT.

«Mi doctorado implicó resolver problema tras problema. Afortunadamente, realmente disfruto resolviendo problemas», agrega Perek. «Cuando comencé mi doctorado, los componentes de la cámara estaban ordenados y apilados. Mi objetivo era construirla, instalarla en la TCV Tokamak suiza de la EPFL (École Polytechnique de Lausanne) y habilitar su uso para el control».

Puede ver simultáneamente diez bandas de luz espectralmente estrechas a través de una sola pupila. Las bandas fueron seleccionadas para capturar fotones provenientes de átomos en el borde del plasma que corresponden a transiciones entre sus estados excitados.

Control de reactor de visión en bucle

La combinación de estas mediciones con la geometría de visualización de la cámara y el modelado de emisión de plasma de última generación produjo mapas 2D de parámetros de plasma como la densidad de electrones y la temperatura. Estos mapas brindan información sobre el estado de la capa de raspado (SOL) y la física detrás de ella. Los datos permitieron comparaciones entre modelos SOL y experimentos con un detalle sin precedentes, identificando dónde se desvían los modelos de los experimentos y viceversa.

La cámara MANTIS es un dispositivo de alta calidad y alto rendimiento, pero el software que la acompaña no está diseñado para igualar ese rendimiento. «Analizamos el plasma 800 veces por segundo. El software era demasiado lento para seguir ese ritmo, así que decidí mejorarlo». Perek creó un exploit de software que omitió el software original y mejoró la estabilidad en microsegundos.

MANTIS no es solo una cámara; también es parte del sistema de control del reactor en tiempo real. Puede proporcionar a los controladores información del estado del borde del plasma para equilibrar el enfriamiento SOL, evitando la degradación innecesaria del rendimiento del núcleo de plasma. Perek explica: «El MANTIS en realidad tiene diez cámaras, no solo la que usamos. Usarlas todas mejoraría drásticamente el control de desapego, pero requiere modelos mucho más rápidos».

Las imágenes proporcionaron una visión sin precedentes de los fenómenos de borde de plasma utilizados para la validación del modelo. Por lo tanto, esta investigación es fundamental para validar modelos SOL 2D con diagnósticos 2D para fortalecer su poder predictivo para futuras máquinas. También muestra que la visión en circuito se puede utilizar para controlar el agotamiento de energía de un Fusión nuclear reactor.