Research for future fusion reactors: using or avoiding impurities

Research Project, 2015 – 2018

Det långsiktiga målet med fusionsforskningen är att konstruera ett fusionskraftverk, som på ett hållbart sätt kan lösa världens växande energiproblem. Att producera energi via fusionsreaktioner mellan deuterium och tritium är såväl teknologiskt som vetenskapligt mycket krävande. Vid de temperaturer som krävs - cirka 100 miljoner grader - har bränslet blivit ett fullständigt joniserat plasma och man använder magnetfält för att kontrollera det. Fusionsplasmat ska helst hållas så rent som möjligt. I det ideala fallet ska bara väteisotoper och elektroner förekomma. Men det finns alltid föroreningsjoner i små mängder, antingen som resultat av plasma-vägg-interaktion eller avsiktlig injicering för att kyla plasmats ytterskikt. Föroreningar har särskilt hög prioritet för dagens fusionsforskning, eftersom man vill dra nytta av deras fördelar, men samtidigt undvika deras skadliga effekter. Även om föroreningarna är få procentuellt sett kan de starkt påverka plasmats egenskaper, speciellt om de har högt laddningstal. Det är väldigt viktigt att de inte tillåts ackumulera i plasmats centrum eftersom de där späder ut plasmat, ger upphov till strålningsförluster och i värsta fall saboterar plasmainneslutningen. I fusionskraftverk är det viktigt att den delen av väggen som är direkt utsatt för höga värmeflöden tillverkas av material med hög värmebeständighet, och det vanligaste materialet som används är volfram, på grund av dess höga smältpunkt och goda förmåga att motstå erodering. Nackdelen är att volfram har högt laddningstal, och man därför inte kan tolerera att det kontaminerar själva plasmat. Redan vid lägre volfram-koncentrationer än 0.1% av bakgrundsplasmats densitet blir strålningsförlusterna alltför höga. Detta är ett aktuellt problem i dagens fusionsexperiment och för dem som är under uppbyggnad i Europa. Inom projektet ska vi arbeta med att utveckla teoretiska och numeriska modeller för transport av - och dynamiken hos - föroreningsjoner i magnetiskt inneslutna plasmor. Vi ska studera transport orsakad både av kollisioner mellan plasmapartiklar och plasmaturbulens, samt radiovågors och magnetohydrodynamiska instabiliteters inverkan på föroreningarnas transport. En del av projektet kommer att ägnas åt att studera transport av föroreningsjoner i tredimensionella magnetfältskonfigurationer. Detta är bland annat relevant för den storskaliga stellarator-experimentet Wendelstein 7-X i norra Tyskland (Greifswald) som tas i bruk nästa år. Projektet kommer även att innefatta studier av hur plasmaströmprofilen påverkar föroreningarnas dynamik. Denna del av projektet kommer ske i samarbete med Tore-Supra/WEST experimentet i Frankrike, där det finns goda möjligheter att mäta detta experimentellt. Vår grupp har en stark internationell ställning i teoretisk fusionsforskning, speciellt när det gäller föroreningarnas roll. Detta projekt kommer att leda till att vi befäster denna ledande position. De nya experiment som närmast väntas tas i bruk i Europa är Wendelstein 7X i Tyskland och WEST i Frankrike, och vår konstellation har starka kopplingar till båda projekten. Dessutom har vi inom gruppen en fantastisk arsenal av numeriska och teoretiska hjälpmedel. Vår gedigna erfarenhet och våra verktyg kommer att ge oss möjlighet för högkvalitativ grundläggande forskning som direkt kan tillämpas på de mest aktuella experimentella resultaten inom området.