A produção de energia e calor por fusão a plasma é uma das tecnologias promissoras para a transição para fontes de energia sustentáveis. Um dos desafios é gerenciar as temperaturas na borda do plasma. Ph.D. O pesquisador Artur Perek construiu um sistema de imagem conhecido como MANTIS para criar imagens e monitorar a temperatura na borda do plasma e melhorou o desempenho do software para aprimorar o controle das temperaturas da borda do plasma. Perek defendeu sua tese no departamento de Física Aplicada em 13 de abril.
A geração de energia com baixo carbono é um dos desafios do século XXI. A fusão nuclear, o processo de produção de energia do sol, é uma das soluções previstas para a geração de energia de carga de base independente das condições climáticas.

Na Terra, as condições de fusão podem ser recriadas em dispositivos de confinamento magnético. Quando as condições certas são atendidas, o calor gerado pelas reações de fusão pode manter as temperaturas do plasma. Uma vez bem-sucedido na geração de energia de fusão, a exaustão segura de energia se torna um desafio.

Desafios da temperatura de borda do plasma

A borda do plasma é moldada para criar uma camada de raspagem (SOL) ao redor do núcleo do plasma, que desvia o calor e as partículas carregadas que escapam do núcleo para uma parte dedicada da máquina chamada de desvio. Fluxos de calor não mitigados derreterão as superfícies do alvo do desviador em segundos de operação em potência máxima. O SOL deve ser operado em um regime destacado no qual os fluxos de calor e partículas que atingem o alvo desviador são reduzidos para proteger esses componentes. O desprendimento do desviador pode ser obtido aumentando a pressão do gás neutro no desviador e enriquecendo o plasma com impurezas para irradiar a energia.

O super-resfriamento do SOL pode afetar negativamente o desempenho do plasma do núcleo. Por outro lado, o subresfriamento pode danificar os componentes voltados para o plasma. Entre esses extremos, existe um ótimo no qual tanto o núcleo quanto os requisitos do desviador são satisfeitos. Para encontrar isso ideal, Artur Perek construiu um Sistema de Imagem Multiespectral Avançado de Banda Estreita (em resumo, MANTIS) dentro de uma colaboração entre DIFFER, EPFL e MIT.

"Meu doutorado envolveu resolver problema após problema. Felizmente, gosto muito de resolver problemas", acrescenta Perek. "Quando comecei meu doutorado, os componentes da câmera estavam encomendados e empilhados. Meu objetivo era construí-la, instalá-la na TCV Tokamak suíça da EPFL (École Polytechnique de Lausanne) e permitir seu uso para controle ."

Ele pode visualizar simultaneamente dez bandas de luz espectralmente estreitas através de uma única pupila. As bandas foram selecionadas para capturar fótons originados de átomos na borda do plasma que correspondem a transições entre seus estados excitados.

Controle do reator Vision-in-loop

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. + Explorar mais

Integrating hot cores and cool edges in fusion reactors