La producción de energía y calor mediante fusión de plasma es una de las tecnologías prometedoras para la transición hacia fuentes de energía sostenibles. Uno de los desafíos es administrar 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 en el 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 desafíos del siglo XXI. La fusión nuclear, el proceso de producción de energía del sol, es una de las soluciones previstas para la generación de energía de carga base independientemente de las condiciones climáticas.

En la Tierra, las condiciones para la 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 las temperaturas del plasma. Una vez que se logra generar energía de fusión, el escape de energía seguro se convierte en un desafío.

Desafíos de la temperatura del borde del plasma

El borde de plasma tiene la forma de 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 desviador. Los flujos de calor no mitigados derretirán las superficies objetivo del desviador en cuestión de segundos de funcionamiento a plena potencia. El SOL debe funcionar en un régimen independiente en el que los flujos de calor y partículas que llegan al objetivo del desviador se reducen para proteger esos 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 la 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 esos extremos, existe un óptimo en el que se satisfacen tanto los requisitos del núcleo como los del desviador. Para encontrar este óptimo, Artur Perek construyó un sistema de imágenes de banda estrecha avanzada multiespectral (en resumen, MANTIS) en una colaboración entre DIFFER, EPFL y MIT.

"Mi doctorado involucró 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 el Swiss TCV Tokamak de la EPFL (École Polytechnique de Lausanne) y habilitar su uso para el control. ."

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

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. + Explora más

Integrating hot cores and cool edges in fusion reactors