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La produzione di energia e calore mediante fusione al plasma è una delle tecnologie promettenti per la transizione verso fonti energetiche sostenibili. Una delle sfide è la gestione delle temperature nel bordo del plasma. dottorato di ricerca il ricercatore Artur Perek ha costruito un sistema di imaging noto come MANTIS per visualizzare e monitorare la temperatura nel bordo del plasma e ha migliorato le prestazioni del software per migliorare il controllo delle temperature del bordo del plasma. Perek ha difeso la sua tesi presso il dipartimento di Fisica Applicata il 13 aprile.
La produzione di energia a basse emissioni di carbonio è una delle sfide del 21° secolo. La fusione nucleare, il processo di produzione di energia del sole, è una delle soluzioni previste per la produzione di energia a carico di base indipendentemente dalle condizioni meteorologiche.
Sulla Terra, le condizioni per la fusione possono essere ricreate in dispositivi di confinamento magnetico. Quando vengono soddisfatte le giuste condizioni, il calore generato dalle reazioni di fusione può mantenere le temperature del plasma. Una volta riuscito nella generazione di energia da fusione, lo scarico sicuro dell'energia diventa una sfida.
Sfide relative alla temperatura del bordo del plasma
Il bordo del plasma è sagomato per creare uno Scrape-Off Layer (SOL) attorno al nucleo del plasma, che devia il calore e le particelle cariche che fuoriescono dal nucleo verso una parte dedicata della macchina chiamata deviatore. Flussi di calore non mitigati scioglieranno le superfici del bersaglio del deviatore in pochi secondi di funzionamento a piena potenza. Il SOL deve funzionare in un regime distaccato in cui i flussi di calore e particelle che raggiungono il bersaglio del deviatore vengono ridotti per proteggere tali componenti. Il distacco del deviatore può essere ottenuto aumentando la pressione del gas neutro nel deviatore e arricchendo il plasma con impurità per irradiare la potenza.
Il raffreddamento eccessivo del SOL può influire negativamente sulle prestazioni del plasma del nucleo. D'altra parte, il sottoraffreddamento può danneggiare i componenti rivolti al plasma. Tra questi estremi c'è un ottimo in cui sono soddisfatti sia i requisiti del nucleo che quelli del deviatore. Per trovare questo ottimale, Artur Perek ha costruito un sistema di imaging multispettrale avanzato a banda stretta (in breve, MANTIS) all'interno di una collaborazione tra DIFFER, EPFL e MIT.
"Il mio dottorato riguardava la risoluzione di problemi dopo problemi. Fortunatamente, mi piace molto risolvere i problemi", aggiunge Perek. "Quando ho iniziato il mio dottorato di ricerca, i componenti della fotocamera sono stati ordinati e accumulati. Il mio obiettivo era costruirla, installarla sul TCV Tokamak svizzero dell'EPFL (École Polytechnique de Lausanne) e consentirne l'uso per il controllo ."
Può visualizzare simultaneamente dieci bande di luce spettralmente strette attraverso una singola pupilla. The bands were selected to capture photons originating from atoms in the plasma edge that correspond to transitions between their excited states.
Vision-in-loop reactor control
Combining those measurements with the camera view geometry and the state-of-the-art modeling of the plasma emission yielded 2D maps of plasma parameters such as the electron density and temperature. These maps provide insights into the state of the Scrape-Off Layer (SOL) and the physics behind it. The data allowed for comparisons between SOL models and experiments in unprecedented detail, pinpointing where the models deviate from experiments and vice-versa.
The MANTIS camera is a high quality, high-performance apparatus, but the software that came with it was not designed to match this performance. "We analyze the plasma 800 times per second. The software turned out to be too slow to keep up with this, so I decided to improve it." Perek built a software exploit that bypassed the original software and improved microsecond stability.
MANTIS is not just a camera; it is also part of the real-time reactor control system. It can provide controllers with information about the plasma edge state to balance the SOL cooling while avoiding unnecessary degradation of the plasma core performance. Perek explains:"MANTIS actually has ten cameras, not just the one we use. Using them all would drastically improve detachment control, but it requires far faster models."
The images provided an unprecedented insight into the plasma edge phenomena used for model validation. Therefore, this research is essential for validating 2D SOL models with 2D diagnostics to strengthen their predictive power for future machines. It also shows that vision-in-the-loop can be used to control the power exhaust of a nuclear fusion reactor. + Esplora ulteriormente
