Produire de l'énergie et de la chaleur par fusion plasma est l'une des technologies prometteuses pour la transition vers des sources d'énergie durables. L'un des défis est de gérer les températures dans le bord du plasma. doctorat Le chercheur Artur Perek a construit un système d'imagerie connu sous le nom de MANTIS pour imager et surveiller la température dans le bord du plasma, et il a amélioré les performances du logiciel pour améliorer le contrôle des températures du bord du plasma. Perek a soutenu sa thèse au département de physique appliquée le 13 avril.

La production d'électricité à faible émission de carbone est l'un des défis du XXIe siècle. La fusion nucléaire, processus de production d'énergie solaire, est l'une des solutions envisagées pour la production d'électricité de base indépendamment des conditions météorologiques.

Sur Terre, les conditions de la fusion peuvent être recréées dans des dispositifs de confinement magnétique. Lorsque les bonnes conditions sont réunies, la chaleur générée par les réactions de fusion peut maintenir les températures du plasma. Une fois que vous avez réussi à générer de l'énergie de fusion, l'extraction d'énergie en toute sécurité devient un défi.

Défis liés à la température des bords du plasma

Le bord du plasma est façonné pour créer une couche de grattage (SOL) autour du noyau du plasma, qui détourne la chaleur et les particules chargées s'échappant du noyau vers une partie dédiée de la machine appelée le divertor. Les flux de chaleur non atténués feront fondre les surfaces cibles du divertor en quelques secondes de fonctionnement à pleine puissance. Le SOL doit fonctionner dans un régime détaché dans lequel les flux de chaleur et de particules atteignant la cible du divertor sont réduits pour protéger ces composants. Le détachement du divertor peut être obtenu en augmentant la pression du gaz neutre dans le divertor et en enrichissant le plasma avec des impuretés pour évacuer la puissance.

Un refroidissement excessif du SOL peut affecter négativement les performances du plasma central. D'autre part, le sous-refroidissement peut endommager les composants face au plasma. Entre ces extrêmes, il existe un optimum dans lequel les exigences du cœur et du divertor sont satisfaites. Pour trouver cet optimum, Artur Perek a construit un système d'imagerie multispectral avancé à bande étroite (en bref, MANTIS) dans le cadre d'une collaboration entre DIFFER, EPFL et MIT.

"Mon doctorat impliquait de résoudre problème après problème. Heureusement, j'aime vraiment résoudre des problèmes", ajoute Perek. "Lorsque j'ai commencé ma thèse, les composants de la caméra étaient commandés et s'empilaient. Mon objectif était de la construire, de l'installer sur le tokamak suisse TCV de l'EPFL (École Polytechnique de Lausanne) et de permettre son utilisation pour le contrôle ."

Il peut imager simultanément dix bandes de lumière spectralement étroites à travers une seule pupille. Les bandes ont été sélectionnées pour capturer les photons provenant des atomes du bord du plasma qui correspondent aux transitions entre leurs états excités.

Contrôle du réacteur par vision en boucle

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. + Explorer plus loin

Integrating hot cores and cool edges in fusion reactors