A equipe Experimental de Tokamak Supercondutor Avançado (EAST) propôs uma nova solução de controle integrado para resolver os principais problemas na exaustão de energia do divertor para a operação em estado estacionário do reator de fusão tokamak.

Por meio dessa nova abordagem, O time, liderado por Xu Guosheng do Instituto de Física do Plasma, Hefei Institutes of Physical Science, alcançou compatibilidade entre o regime do modo H do modo relvado localizado na borda (ELM) de alto desempenho e o divertor radiativo controlado por feedback.

Na operação de alto confinamento de tokamak, o divertor e a primeira parede suportam um fluxo de calor transiente e em estado estacionário substancial transportado para fora do plasma do núcleo, e o divertor é o componente que interage mais fortemente com o plasma.

Para futuros reatores de fusão tokamak, como o International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), o fluxo de calor em estado estacionário na superfície do divertor de tungstênio deve ser mantido abaixo do limite de engenharia, ou seja, ~ 10 MWm – 2. Portanto, A operação de desprendimento parcial com semeadura de impurezas ou o chamado divertor radiativo foi considerada como uma solução primária para o controle do fluxo de calor do divertor ITER.

Contudo, para o divertor de placa alvo vertical semelhante ao ITER convencional, há apenas uma janela de parâmetro operacional muito pequena na qual um plasma parcialmente destacado pode ser mantido, o que representa um grande desafio para manter um destacamento parcial estável com um bom confinamento de plasma para a operação em estado estacionário de alto desempenho do ITER.

O grande fluxo de calor transiente conhecido como ELMs também pode trazer grandes desafios para a operação do reator de fusão de alto desempenho, além do fluxo de calor em estado estacionário inaceitável. O regime de modo H de ELM gramíneo é um regime operacional com bom confinamento de plasma caracterizado por pequenos ELMs naturais de alta frequência. O regime Grassy ELM foi alcançado com sucesso em EAST tokamak em um amplo espaço de parâmetros desde a campanha de 2016 por Xu e seus colegas.

O fluxo instantâneo de calor produzido por ELMs gramíneos é aproximadamente 1/20 daquele produzido por grandes ELMs Tipo I convencionais. Notavelmente (como mostrado na figura 1), ELMs gramíneos exibem forte capacidade de exaustão de impureza de tungstênio, tornando-o um candidato ideal para operar de forma compatível com semeadura de impureza, especialmente em um ambiente de parede de metal como o ITER e o Chinese Fusion Engineering Test Reactor (CFETR).

Além disso, há uma densidade de plasma relativamente alta na separatriz tokamak em regime ELM gramíneo, o que aumenta a triagem de impureza de limite e, portanto, facilita a realização da operação de destacamento sob o divertor radiativo.

Após o estabelecimento bem-sucedido do regime de ELM gramíneo no LESTE, Xu e seus colegas conduziram uma série de experimentos na instalação EAST para estudar a compatibilidade do regime ELM gramíneo com o divertor radiativo.

Eles descobriram que a degradação significativa no confinamento do plasma geralmente ocorre se as impurezas de semeadura para o divertor radiativo forem continuamente injetadas sem qualquer controle no regime de ELM gramíneo.

Então eles levaram sua descoberta mais longe. Os estudos a seguir indicaram que o sinal de radiação ultravioleta extremo absoluto (AXUV) perto do ponto X tokamak é um bom indicador do confinamento de plasma durante a semeadura de impureza do divertor, uma vez que a degradação do confinamento com a disseminação / acumulação excessiva de impurezas do divertor está geralmente correlacionada com um aumento significativo da radiação perto do ponto X.

Contudo, controlar a radiação AXUV por si só é insuficiente para manter o divertor em um estado parcialmente destacado, já que o valor absoluto da radiação AXUV varia com as condições do plasma durante o processo de desprendimento.

Para enfrentar este desafio, Desta vez, a equipe desenvolveu uma nova solução de feedback para controlar ativamente o status de destacamento do divertor de tungstênio semelhante ao ITER no EAST.

Eles primeiro usaram uma sonda Langmuir para medir a temperatura do elétron (Tet) perto do ponto de ataque do divertor para verificar o status do divertor durante descargas de ELM gramíneas. Uma vez que o descolamento do divertor ou o desprendimento parcial foram confirmados, isto é, Tetdropping abaixo de 5-8eV, o sistema de controle de feedback mudaria para um sinal AXUV próximo ao ponto X para controlar ativamente o destacamento do divertor.

Os resultados experimentais, como mostrado na figura 2, demonstraram que esta solução de controle pode realizar o destacamento parcial constante do alvo do divertor. O pico de temperatura local da placa alvo do divertor pode ser limitado a 180 ℃ durante todo o processo de feedback medido por uma câmera infravermelha.

O experimento mostrou o sucesso da solução de controle em realizar a compatibilidade do destacamento parcial do divertor radiativo e o regime de ELM gramado de alto desempenho.

No futuro, de acordo com a equipe, considerando que o divertor inferior de EAST está planejado para ser atualizado de grafite atual para tungstênio e terá recursos aprimorados de energia e exaustão de partículas, os cientistas irão otimizar ainda mais a solução de controle integrado para as aplicações potenciais em futuros reatores de fusão, e assim facilitar suas operações em estado estacionário.