Il team Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) ha proposto una nuova soluzione di controllo integrato per affrontare i problemi chiave nello scarico della potenza del deviatore per il funzionamento in regime stazionario del reattore a fusione tokamak.

Attraverso questo nuovo approccio, Il gruppo, guidato da Xu Guosheng dell'Istituto di Fisica del Plasma, Hefei Institutes of Physical Sciences, ha raggiunto la compatibilità tra il regime H-mode in modalità localizzata ai bordi erbosi ad alte prestazioni (ELM) e il deviatore radiativo controllato in retroazione.

Nell'operazione tokamak ad alto confinamento, il divertore e la prima parete sopportano un flusso di calore sostanziale stazionario e transitorio trasportato fuori dal plasma centrale, e il divertore è il componente che interagisce maggiormente con il plasma.

Per i futuri reattori a fusione tokamak come l'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), il flusso di calore in regime stazionario sulla superficie del deviatore in tungsteno deve essere mantenuto al di sotto del limite ingegneristico, cioè ~10 MWm–2. Perciò, l'operazione di distacco parziale con inseminazione di impurità o cosiddetto deviatore radiativo è stata considerata come soluzione primaria per il controllo del flusso termico del deviatore ITER.

Però, per il tradizionale divertore a piastra bersaglio verticale tipo ITER, c'è solo una finestra dei parametri operativi molto piccola in cui può essere mantenuto un plasma parzialmente staccato, che rappresenta una grande sfida per mantenere un distacco parziale stabile con un buon confinamento al plasma per il funzionamento in regime stazionario ad alte prestazioni di ITER.

Il grande flusso di calore transitorio noto come ELM può anche portare grandi sfide al funzionamento del reattore a fusione ad alte prestazioni oltre all'inaccettabile flusso di calore allo stato stazionario. Il regime H-mode ELM erboso è un regime operativo con un buon confinamento del plasma caratterizzato da piccoli ELM naturali ad alta frequenza. Il regime ELM erboso è stato raggiunto con successo nel tokamak EAST in un ampio spazio di parametri dalla campagna del 2016 da Xu e dai suoi colleghi.

Il flusso di calore istantaneo prodotto da ELM erbosi è circa 1/20 di quello prodotto da ELM di tipo I di grandi dimensioni convenzionali. In particolare (come mostrato nella figura 1), gli ELM erbosi mostrano una forte capacità di scarico di impurità di tungsteno, rendendolo un candidato ideale per operare in modo compatibile con l'inseminazione di impurità, specialmente in un ambiente con pareti metalliche come ITER e il reattore di prova di ingegneria della fusione cinese (CFETR).

Inoltre, c'è una densità di plasma relativamente alta alla separatrice del tokamak in regime ELM erboso, che migliora lo screening delle impurità di confine e quindi facilita il raggiungimento dell'operazione di distacco sotto il deviatore radiativo.

Dopo l'istituzione con successo del regime ELM erboso nell'EST, Xu ei suoi colleghi hanno condotto una serie di esperimenti nella struttura EAST per studiare la compatibilità del regime ELM erboso con il divertore radiativo.

Hanno scoperto che una significativa degradazione nel confinamento del plasma di solito si verifica se le impurità di semina per il divertore radiativo vengono iniettate costantemente senza alcun controllo in regime ELM erboso.

Poi hanno spinto ulteriormente la loro scoperta. I loro studi successivi hanno indicato che il segnale di radiazione ultravioletta assoluta estrema (AXUV) vicino al punto X del tokamak è un buon indicatore del confinamento del plasma durante la semina delle impurità del divertore, poiché il degrado del confinamento con eccessiva semina/accumulo di impurità del divertore è solitamente correlato con un aumento significativo della radiazione vicino al punto X.

Però, il solo controllo della radiazione AXUV non è sufficiente per mantenere il deviatore in uno stato parzialmente distaccato, poiché il valore assoluto della radiazione AXUV varia con le condizioni del plasma durante il processo di distacco.

Per raccogliere questa sfida, il team questa volta ha sviluppato una nuova soluzione di feedback per controllare attivamente lo stato di distacco del divertore in tungsteno simile a ITER a EAST.

In primo luogo hanno utilizzato una sonda Langmuir per misurare la temperatura degli elettroni (Tet) vicino al punto di impatto del divertore per controllare lo stato del divertore durante le scariche erbose dell'ELM. Una volta che il distacco del divertore o il distacco parziale è stato confermato, ad es. Tetdrop al di sotto di 5-8eV, il sistema di controllo in retroazione passerebbe a un segnale AXUV vicino al punto X per poi controllare attivamente il distacco del deviatore.

I risultati sperimentali, come mostrato in figura 2, dimostrato che questa soluzione di controllo potrebbe realizzare un distacco parziale costante del bersaglio del divertore. La temperatura di picco locale della piastra bersaglio del deviatore potrebbe essere limitata a un valore inferiore a 180 durante l'intero processo di feedback misurato da una telecamera a infrarossi.

Il loro esperimento ha mostrato il successo della soluzione di controllo nel realizzare la compatibilità del distacco parziale del deviatore radiativo e del regime ELM erboso ad alte prestazioni.

Nel futuro, secondo la squadra, considerando che il divertore inferiore di EAST è pianificato per essere aggiornato dall'attuale grafite al tungsteno e avrà capacità migliorate di potenza e scarico delle particelle, gli scienziati ottimizzeranno ulteriormente la soluzione di controllo integrato verso le potenziali applicazioni sui futuri reattori a fusione, e quindi facilitare le loro operazioni di stato stazionario.