Integrative modeling of transport barriers in fusion reactors

Fusionsenergi kan vara lösningen till det ökade behovet av en ren och hållbar energiutvinning som finns i dagens moderna samhälle. Fusion har förutsättningen att bli en säker och storskalig energikälla med vitt tillgängliga resurser av bränsle, som dessutom saknar utsläpp av växthusgaser och radioaktivt avfall med lång halveringstid. Emellertid måste en fusionsreaktor drivas med en liten marginal till vad som är fysiskt och teknologiskt möjligt, och det är därför nödvändigt med en djup förståelse för den bakomliggande fysiken samt att ha en god förmåga att förutsäga hur dessa system uppträder. Det grundläggande problemet är att det krävs extremt höga temperaturer för att fusionsreaktionerna ska ske. Vid dessa temperaturer faller atomerna i bränslet sönder i sina beståndsdelar och bildar ett plasma av joner (atomkärnor) och fria elektroner. Plasmat måste inneslutas i ett magnetfält så att den hetaste regionen ("plasma-kärnan") inte kommer i kontakt med de omslutande väggarna, vilket skulle göra det omöjligt att uppnå och uppehålla den nödvändiga temperaturen. För att kunna driva fusionsplasmaexperiment effektivt måste vi förstå och kontrollera den transport av partiklar och värme som sker mellan kärnan och plasmats kant. Trots att de endast utgör en mycket liten del av plasmat är så kallade transportbarriärer mycket viktiga för fusionsreaktorns prestanda. Transportbarriärer är tunna skikt i plasmat där partikel- och värmetransporten är kraftigt reducerad; de fungerar som ett isolerande lager som hindrar värmen i plasmats heta kärna från att snabbt läcka ut till kanterna, vilket gör det lättare att uppnå önskad temperatur i kärnan. Det finns också nackdelar med den goda isoleringen. Transportbarriären gör det svårare för partiklar att ta sig till och från plasmats kärna, vilket kan försvåra tillförsel av nytt bränsle och bortforslande av fusionsreaktionens restprodukter. I själva transportbarriären förändras ofta plasmats egenskaper (till exempel temperatur och täthet) kraftigt över korta avstånd, vilket kan göra transportbarriärerna bräckliga och leda till instabiliteter som är förödande för plasmat och även potentiellt skadliga för själva reaktorn. Trots detta är transportbarriärer nödvändiga för en ekonomiskt hållbar fusionsreaktor; utan dem blir energiförlusterna från plasmat så stora att värmen från fusionsreaktionerna inte räcker till för att uppehålla plasmats temperatur och värmeenergi måste tillföras utifrån, vilket minskar energieffektiviteten. Det är önskvärt att hitta nya avancerade typer av transportbarriärer vilka är effektiva värmeisolatorer, samtidigt som de tillåter partikeltransport, och som dessutom är mer stabila. De processer som leder till bildandet av tranportbarriärer, och som påverkar deras stabilitet och transporten genom dem, är trots barriärernas vikt för fusionsforskningen relativt outforskade och det saknas verktyg för att simulera dem på ett korrekt sätt. Transport i fusionsplasmor beror på kollisioner mellan plasmats partiklar och på turbulens. I transportbarriärer, i motsats till i resten av plasmat, påverkar dessa två processer varandra så pass mycket att de måste studeras samtidigt, vilket gör problemet mer komplicerat. Många existerande teorier och simuleringsverktyg kan dessutom inte hantera de stora täthets- och temperaturvariationerna. Detta projekt syftar till att, med utgångspunkt i de mest avancerade teorierna och beräkningsverktygen, utveckla en heltäckande modell som beskriver transporten i transportbarriärer och deras stabilitet. Modellen skall sedan användas för att studera dagens fusionsexperiment och de fysikaliska processer som leder till skapandet av transportbarriärer med olika egenskaper; målet är att förstå hur transportbarriärer med förbättrade egenskaper kan genereras. Resultaten kommer ge fördjupad insikt i fysiken bakom transportbarriärer och bidra till att ta fram driftscenarier som är relevanta för framtida fusionsreaktorer. Utöver dess praktiska betydelse för fusionsforskningen, kommer den erhållna kunskapen fördjupa vår förståelse för plasmaturbulens och -transport i många andra sammanhang, till exempel i astrofysikaliska plasmor.

Participants

Istvan Pusztai (contact)

Forskare at Applied Physics, Nuclear Engineering

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2015–2018

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Created

2015-03-31