El equipo Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) ha propuesto una nueva solución de control integrado para abordar problemas clave en el escape de energía del desviador para el funcionamiento en estado estable del reactor de fusión de Tokamak.

A través de este nuevo enfoque, el equipo, dirigido por Xu Guosheng del Instituto de Física del Plasma, Institutos de Ciencias Físicas de Hefei, logró la compatibilidad entre el régimen de modo H de modo H de alto rendimiento en modo de borde con césped localizado (ELM) y el desviador radiativo controlado por retroalimentación.

En la operación de alto confinamiento de tokamak, el desviador y la primera pared soportan un flujo de calor sustancial en estado estacionario y transitorio transportado desde el plasma central, y el desviador es el componente que interactúa más fuertemente con el plasma.

Para futuros reactores de fusión tokamak como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER), el flujo de calor de estado estable sobre la superficie del desviador de tungsteno debe mantenerse por debajo del límite de ingeniería, es decir, ~ 10 MWm – 2. Por lo tanto, La operación de desprendimiento parcial con siembra de impurezas o el llamado desviador radiativo se ha considerado como una solución primaria para el control del flujo de calor del desviador ITER.

Sin embargo, para el desviador de placa de objetivo vertical tipo ITER convencional, solo hay una ventana de parámetros operativos muy pequeña en la que se puede mantener un plasma parcialmente desprendido, lo que plantea un gran desafío para mantener un desprendimiento parcial estable con un buen confinamiento del plasma para el funcionamiento en estado estable de alto rendimiento del ITER.

El gran flujo de calor transitorio conocido como ELM también puede traer grandes desafíos para el funcionamiento del reactor de fusión de alto rendimiento, además del inaceptable flujo de calor de estado estacionario. El régimen Grassy ELM H-mode es un régimen operativo con un buen confinamiento del plasma caracterizado por pequeños ELM naturales de alta frecuencia. El régimen Grassy ELM se ha logrado con éxito en EAST Tokamak en un amplio espacio de parámetros desde la campaña de 2016 de Xu y sus colegas.

El flujo de calor instantáneo producido por los ELM herbáceos es aproximadamente una vigésima parte del producido por los ELM grandes de tipo I convencionales. En particular (como se muestra en la figura 1), Los ELM cubiertos de hierba exhiben una fuerte capacidad de escape de impurezas de tungsteno, lo que lo convierte en un candidato ideal para operar de manera compatible con la siembra de impurezas, especialmente en un entorno de paredes metálicas como ITER y el reactor de prueba de ingeniería de fusión chino (CFETR).

Es más, hay una densidad de plasma relativamente alta en la separatriz de tokamak en régimen de ELM herboso, lo que mejora la detección de impurezas en los límites y, por lo tanto, facilita el logro de la operación de desprendimiento bajo un desviador radiativo.

Tras el establecimiento con éxito del régimen de ELM herboso en ESTE, Xu y sus colegas llevaron a cabo una serie de experimentos en las instalaciones de EAST para estudiar la compatibilidad del régimen de ELM herboso con el desviador radiativo.

Descubrieron que generalmente ocurre una degradación significativa en el confinamiento de plasma si las impurezas de siembra para el desviador radiativo se inyectan de manera constante sin ningún control en el régimen de ELM herbáceo.

Luego llevaron su descubrimiento más lejos. Los siguientes estudios indicaron que la señal de radiación ultravioleta extrema absoluta (AXUV) cerca del punto X de tokamak es un buen indicador del confinamiento del plasma durante la siembra de impurezas del desviador. ya que la degradación del confinamiento con un exceso de siembra / acumulación de impurezas del desviador suele correlacionarse con un aumento significativo de la radiación cerca del punto X.

Sin embargo, controlar la radiación AXUV por sí solo es insuficiente para mantener el desviador en un estado parcialmente desprendido, ya que el valor absoluto de la radiación AXUV varía con las condiciones del plasma durante el proceso de desprendimiento.

Para hacer frente a este desafío, Esta vez, el equipo desarrolló una nueva solución de retroalimentación para controlar activamente el estado de desprendimiento del desviador de tungsteno tipo ITER en EAST.

En primer lugar, utilizaron una sonda Langmuir para medir la temperatura de los electrones (Tet) cerca del punto de impacto del desviador para verificar el estado del desviador durante las descargas de ELM cubiertas de hierba. Una vez confirmado el desprendimiento o desprendimiento parcial del desviador, es decir, Tetdropping por debajo de 5-8eV, el sistema de control de retroalimentación cambiaría a una señal AXUV cerca del punto X y luego controlaría activamente el desprendimiento del desviador.

Los resultados experimentales, como se muestra en la figura 2, demostró que esta solución de control podía realizar un desprendimiento parcial constante del objetivo desviador. La temperatura máxima local de la placa diana del desviador podría limitarse a 180 ° C durante todo el proceso de retroalimentación medido por una cámara infrarroja.

Su experimento mostró el éxito de la solución de control al lograr la compatibilidad del desprendimiento parcial del desviador radiativo y el régimen de ELM herboso de alto rendimiento.

En el futuro, según el equipo, considerando que se planea actualizar el desviador inferior de EAST de grafito actual a tungsteno y poseerá capacidades mejoradas de potencia y escape de partículas, Los científicos optimizarán aún más la solución de control integrado para las posibles aplicaciones en futuros reactores de fusión. y así facilitar sus operaciones de estado estacionario.