There are technological obstacles on the road to a working fusion reactor. Some of these are related to the question: ‘How do we ensure that the walls of the reactor remain intact under the extreme conditions that accompany a hot fusion plasma?’ PhD student Tijs Wijkamp’s answer is: simply by looking! During his PhD research at the TU/e and DIFFER fusion groups, he used MANTIS camera systems. These have been developed by DIFFER/EPFL/MIT to gain insights on how to tackle this challenge.
MANTIS was originally developed to study the exhaust region outside the confined fusion plasma. The particles that escape the core plasma have to cool down significantly so as not to melt the wall upon impact. At the English tokamak experiment MAST-U (UKAEA, Culham) the heat-reducing capabilities of alternative exhaust shapes are tested. One MANTIS-type system (UKAEA’s Multi-Wavelength Imaging system) operates as the eyes that help reveal which of these methods works best.
Colored glasses
So how does this work? Wijkamp: ‘Ten different cameras, all with their own colored glasses, make video recordings of the light that is emitted by the particles in the exhaust. By combining information from multiple cameras, we can deduce what processes (such as collisions between plasma particles and cold gas) are responsible for the cooling. This detailed information has added to the conclusion that the so-called ‘super-X’ exhaust shape is performing surprisingly well. It’s worth considering using this concept in a real reactor too.'
Super-fast electrons
As a spin-off within the MANTIS research, these systems are also used to study ‘runaway electrons’. ‘If we lose control over the plasma for whatever reason, a large electric field can be created which accelerates electrons close to the speed of light. If these runaway electrons hit the wall, they can cause devastating damage to the reactor’, says Wijkamp.
Multiple methods for avoiding this damage are investigated, amongst others, at the TCV tokamak at the Swiss Plasma Center. Wijkamp: ‘During my research, I’ve developed a new method to estimate the energy and location of runaway electrons using camera images by looking at the synchrotron emission of these particles. The unique multi-colored glasses of MANTIS are essential to make this work. This information will help to clarify what damage avoidance strategy will be most effective.’
On Friday March 22nd Tijs Wijkamp will defend his thesis titled 'Multispectral imaging for the mitigation of tokamak damage by plasma exhaust and runaway electrons'. More information and the full thesis are available on the websites of DIFFER and TU/e.
Hoe beschermen we de muur van een fusiereactor? ‘Door simpelweg met een camera te kijken komen we verder'
De weg naar een werkende fusiereactor kent technische obstakels. Enkele hiervan gaan over de vraag: ‘Hoe kun je er voor zorgen dat de wanden van de reactor heel blijven onder de extreme omstandigheden die horen bij een goed heet fusieplasma?’ Het antwoord van promovendus Tijs Wijkamp luidt: simpelweg door te kijken! Tijdens zijn promotieonderzoek binnen DIFFER’s en TU/e’s fusiegroepen maakte hij gebruik van MANTIS-camerasystemen. Deze zijn ontwikkeld door DIFFER/EPFL/MIT om inzichtelijk te maken hoe we deze uitdaging het hoofd kunnen bieden.
MANTIS is oorspronkelijk ontwikkeld om de afvoer tussen het hete opgesloten fusieplasma en de muur van de reactor te bestuderen. De deeltjes die uit het plasma ontsnappen moeten flink afkoelen in de reactoruitlaat voordat deze tegen de muur botsen. Bij het Engelse tokamak-experiment MAST-U (UKAEA, Culham) wordt onderzocht of alternatieve vormen van de afvoer tot minder hitte op de muur leiden. Eén MANTIS-type systeem (UKAEA’s Multi-Wavelength Imaging system) functioneert daar als de ogen die inzichtelijk maken welke methoden voor hittereductie het beste werken.
Gekleurde bril
Hoe dat in zijn werk gaat? Wijkamp: ‘Tien verschillende camera’s, ieder met een eigen gekleurde bril, maken video’s van het licht dat door de deeltjes in de uitlaat wordt uitgezonden. Door informatie van meerdere camera’s te combineren valt af te leiden welke processen (zoals botsingen tussen de plasmadeeltjes en koud gas) verantwoordelijk zijn voor het afkoelen. Deze gedetailleerde informatie heeft bijgedragen aan de conclusie dat de zogenaamde ‘super-X’ afvoervorm opvallend goed zijn werk doet. Het is het overwegen waard om een dergelijk concept ook in een echte reactor toe te passen.’
Razendsnelle elektronen
Als een spin-off binnen het MANTIS-onderzoek, worden deze systemen ook voor een andere tak van sport gebruikt; het kijken naar ‘runaway elektronen’. ‘Als we om wat voor reden dan ook controle over het plasma verliezen kan er een groot elektrisch veld worden opgewekt welke enkele elektronen versnelt tot snelheden tegen die van het licht aan. Als deze runaway elektronen tegen de muur botsen richt dit schade aan die niet te overzien is’, aldus Wijkamp.
Onder andere bij de TCV-tokamak van het Swiss Plasma Center worden meerdere methoden onderzocht om deze schade te voorkomen. Wijkamp: ‘Tijdens mijn onderzoek heb ik een nieuwe methode ontwikkeld om met behulp van camerabeelden een inschatting te maken van de energie en locatie van de runaway elektronen, door te kijken naar de synchrotronstraling die deze deeltjes uitzenden. De unieke gekleurde bril van MANTIS is essentieel om dit tot uitvoering te brengen. De vergaarde informatie gaat bijdragen aan het inzichtelijk maken van welke strategie voor het voorkomen van een kapotte tokamak het meest effectief is. ’
Tijs Wijkamp verdedigt op vrijdag 22 maart zijn proefschrift 'Multispectral imaging for the mitigation of tokamak damage by plasma exhaust and runaway electrons'. Meer informatie en de volledige scriptie vind je op de websites van DIFFER en TU/e.
Go to the News page.