DTU-forskere udvikler målesystem til ekstremt varmt plasma

tirsdag 15 nov 22
|

Med CTS målesystemet kan Søren B. Korsholm og hans forskerkolleger diagnosticere, hvad der sker i et ekstremt varmt plasma inde i en fusionsmaskine. Det er vigtigt at kende til plasmaets tilstand, så man i fremtiden kan holde på energien i plasmaet i længere tid og skabe gode betingelser for, at atomkerner vil fusionere.

Selvom flere og flere forskere, ingeniører og teknikere arbejder med udvikling af fusionsenergi, er fusionsverdenen som en familie. Forskerne hjælper hinanden på tværs af landegrænser, når en forskergruppe i et land bygger en fusionsmaskine. I sidste ende arbejder de alle for at skabe energi ud fra sammensmeltninger af atomkerner. Det er ikke let at få denne fusionsproces til at ske, så man må bruge hinandens erfaringer. Forskerne går tilmed sammen på tværs af landegrænser for at bygge fælles fusionsmaskiner. Danmark er fx med i ITER-projektet, Verdens største fusionsmaskine, der skal være bygget færdig i løbet af 2020’erne. ITER er det største energiforskningsprojekt med deltagere på tværs af lande fra hele Verden: Kina, EU, USA, Indien, Japan, Rusland og Sydkorea.

Et målesystem - som vil noget

Der er stor efterspørgsel efter DTUs forskergruppe med seniorforsker Søren Bang Korsholm og hans kollegaer. Forskergruppen er verdens bedste til at lave målesystemet CTS – Collective Thomson Scattering, der kan fortælle om ionernes (atomkernernes) tilstand i det 200 millioner graders varme plasma.

Arbejdet bygger videre på indsatsen af bl.a. tidligere DTU-forsker, Henrik Bindslev, der i 1990´erne begyndte at udvikle CTS-målesystemet på bl.a. JET, der er en europæisk fusionsmaskine i England. Søren fortæller:

- Målesystemet skal i en række afgrænsede områder bl.a. bestemme hastighederne og tætheden af de energirige alfapartikler/heliumkerner, der fødes i fusionsprocessen i plasmaet inde i en fusionsmaskine. Vi kan måle noget, som ingen andre målesystemer kan måle.

Sørens forskningsgruppe har leveret designet til CTS-målesystemet til ITER og skal også levere et til den efterfølgende europæiske DEMO, der er prototypen på et fusionskraftværk.

Intet instrument tåler 200 millioner grader

Det har krævet kreativ tænkning at finde metoder til at få viden om det 200 millioner grader varme plasma inde i en fusionsmaskine. Man kan ikke bare kan stikke et instrument ind i et plasma med sådan en ekstrem høj temperatur. Der findes en lang række mere eller mindre komplicerede metoder til alligevel at få en masse fysik-information ud af plasmaet. Et af de mere avancerede målesystemer er CTS. DTU-gruppen kan faktisk med CTS-systemet måle temperaturen af atomkernerne (ionerne) i forskellige velafgrænsede områder i det meget varme plasma. En af udfordringerne for fusionsforskerne er at holde plasmaets temperatur på det rigtige niveau.

- Er plasmaet for koldt eller for varmt, bliver det sværere at få atomkernerne til at smelte sammen, fortæller Søren.

Søren B. Korsholm med en mikrobølgeleder til CTS. Igennem sådanne rør sendes et beam af mikrobølger ind mod plasma i en fusionsmaskine, og mikrobølger fra plasmaet sendes også tilbage igen via tilsvarende rør.

Søren B. Korsholm med en mikrobølgeleder til CTS. Igennem sådanne rør sendes et beam af mikrobølger ind mod plasma i en fusionsmaskine, og mikrobølger fra plasmaet sendes også tilbage igen via tilsvarende rør.

Hvordan måler DTU-forskerne plasmaets temperatur?

For at forstå hvordan DTU-forskernes CTS system virker, kan vi først kigge på, hvordan man måler elektronernes temperatur inde i et plasma på mange millioner grader – med målesystemet Thomson Spredning (TS).

Princippet i at bestemme elektronernes varierende hastigheder vha. laserlysbølger, er ligesom det klassiske eksempel med forskydning af bølgelængderne i lyden fra en ambulance med udrykning.

En ambulance sender lyd ud til dig med en bestemt bølgelængde. Hvis den imens kører væk fra dig, så bliver de bølger, du modtager, længere. Det vil sige, at ambulancelyden bliver dybere for dig. Hvis ambulancen derimod kører imod dig, bliver bølgerne, som du modtager, kortere. Tonen bliver højere. Dette fænomen kaldes Dopplereffekten.

TS-målesystemet sender laserlysbølger med en bestemt bølgelængde ind mod plasmaet.

Laserlysbølgerne vekselvirker med elektronernes bevægelser i et bestemt område, og de spreder lyset. En modtager måler bølgelængden af noget af det spredte lys. Desto kortere (eller længere) bølgelængden er i forhold til den indsendte, desto hurtigere bevæger elektronerne sig i det område, hvor laserlyset og bølgerne til modtageren krydser hinanden.

Søren forklarer: - Generelt har elektronerne ethvert sted en fordeling af mange forskellige hastigheder – det vi kalder en hastighedsfordeling. Ud fra hastighedsfordelingen kan man bestemme elektronernes temperatur et givent sted.

Principskitse af CTS-systemet. Pink linje er stråling af mikrobølger med en bestemt frekvens, der sendes ind i plasmaet. De indsendte mikrobølger accelererer elektronerne uden energitab. De blå linjer er den mikrobølge-stråling, som elektronerne fra syv områder i plasmaet udsender (i mange retninger), fordi de er accelereret. De modtagne mikrobølgers frekvens måles og frekvensforskydningen, og elektronernes hastigheder og temperaturer beregnes for hvert område.

Principskitse af CTS-systemet. Pink linje er stråling af mikrobølger med en bestemt frekvens, der sendes ind i plasmaet. De indsendte mikrobølger accelererer elektronerne uden energitab. De blå linjer er den mikrobølge-stråling, som elektronerne fra syv områder i plasmaet udsender (i mange retninger), fordi de er accelereret. De modtagne mikrobølgers frekvens måles og frekvensforskydningen, og elektronernes hastigheder og temperaturer beregnes for hvert område. 

Alfapartikler er alfaomega

Hvordan får vi så viden om, tætheden af alfapartiklerne og deres hastighed i plasmaet?

– Vi kan ikke måle direkte på alfapartiklerne, for de er så tunge, at de næsten ikke rykker sig af at vekselvirke med mikrobølger - som er det, vi bruger, fortæller Søren.

Til gengæld er princippet for CTS – Collective Thomson Scattering, at når en positivt ladet alfapartikel bevæger sig i plasmaet, så tiltrækker den de negativt ladede elektroner. Faktisk skaber alfapartiklerne bølger i elektrontætheden – lidt ligesom bølger i kølvandet efter en båd – eller bølgerne fra en svane, der svømmer i en sø.

- Ved en CTS diagnostik spreder mikrobølgerne sig på disse bølger af elektronernes tæthed i et område. Ud fra forskydningen af bølgelængden af de modtagne mikrobølger kan vi sige noget om tætheden af elektronerne og dermed også af alfapartikler, og vi kan tilmed sige noget om alfapartiklernes hastigheder i det bestemte område inde midt i plasmaet. Det har vi afprøvet i forskellige europæiske fusionsmaskiner, og det virker, siger Søren, der stadig virker fascineret over målemetoden.

På den måde kan CTS-målesystemet fra DTU ikke alene bestemme temperaturen af plasmaet, men det kan også bestemme tætheden af alfapartikler i fusionsmaskinens plasma – og variationen af alfapartiklernes hastigheder. I fremtidens fusionskraftværker skal 90-95 % af opvarmningen af plasmaet komme fra alfapartiklerne.

- Derfor er vi så interesseret i, hvor alfapartiklerne er i vores plasma, hvordan de overfører deres høje energi til det øvrige plasma, og hvor vi taber dem, understreger Søren.

Selvopvarmende plasma

Alfapartiklerne overfører sin energi til de andre partikler og opvarmer derved plasmaet og sikrer, at fusion bliver ved med at foregå. Og det skulle gerne være sådan i ITER, at vi kan bevise, at alfapartiklerne rent faktisk afsætter tilstrækkelig meget af deres energi til resten af plasmaet inden, de forsvinder væk fra det.

Søren siger: - Jo mere alfapartiklerne kan opvarme plasmaet, desto større mulighed er der for energioverskud. Dermed kan vi slukke for de mikrobølger og radiobølger, som vi bruger til opvarmningen af plasmaet. Når først plasmaet er opvarmet og fusionen sker, skal det kunne varme sig selv op gennem de hurtige alfapartikler fra fusionsprocessen.

I dag har forskerne endnu ikke opnået et energioverskud i en kraftværksrelevant fusionsmaskine, men det er planen med ITER. For at få overskud i energiregnskabet, er viden om, hvordan alfapartiklerne fordeler sig i plasmaet, deres energi mm. afgørende.

Af videnskabsjournalist Karina Goyle

Er alfapartiklerne i et fusionskraftværk farlige?

I fusionsprocessen laver man alfapartikler/heliumkerner. Men så snart en alfapartikel forlader plasmaet, fanger den to elektroner og bliver til et helium-atom, som er helt uskadeligt.
https://www.fusionsenergi.dk/artikler/dtu-forskere-udvikler-maalesystem-til-ekstremt-varmt-plasma
13 JUNI 2024