Grundläggande fysikstudier av uppvärmning och inneslutning av energiska partiklar i fusionsreaktorförhållanden med neutrondiagnostik vid JET och MAST-U

Projekttitel: Grundläggande fysikstudier av uppvärmning och inneslutning av energiska partiklar i fusionsreaktorförhållanden med neutrondiagnostik vid JET och MAST-U
Huvudsökande: Marco Cecconello, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Medsökande: Jacob Eriksson, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Beviljade medel: 3 400 000 SEK för perioden 2022-2025

Fusionsforskning har som mål att kunna ta tillvara på den energi som frigörs i kärnreaktioner där lätta atomkärnor slås ihop till tyngre kärnor. Som bränsle används väteisotoperna deuterium och tritium. Fördelarna med fusionsenergi är att bränslet är mycket energitätt; per viktenhet är energiinnehållet drygt 4 gånger högre än traditionella fissionsbränslen, och ca 1 miljon gånger högre än fossila bränslen. Samtidigt bildas heller inget långlivat avfall, och olyckor likt de i ett kärnkraftverk kan heller inte ske.

För att kunna antända fusionsbränslet måste man uppnå mycket höga temperaturer, ungefär 200 miljoner grader och bränslet måste inneslutas i ett magnetfält. Vid så höga temperaturer befinner sig bränslet i plasmaform, alltså en elektriskt ledande gas bestående av elektroner och joner.

Bränslet värms till 200 miljoner grader genom att skjuta in stålar med högenergetiska neutrala partiklar i plasmat eller genom att skicka in radiovågor som överför energi till plasmats joner. Dessa ”uppvärmningsjoner” kommer då värma upp resten av bränslet genom att de kolliderar med andra bränslepartiklar.

Nästa stora steg inom fusionsforskningen kommer bli när den nya experimentanläggningen ITER, som håller på att byggas i Cadarache i Frankrike, tas i bruk i slutet av 2020-talet.

Denna anläggning är tänkt att kunna leverera 10 gånger mer energi än vad som behövs för dess drift, vilket skulle bevisa att fusionsenergi är möjligt att realisera i praktiken.

Forskning rörande de viktigaste frågorna som fortfarande kvarstår inför starten av ITER kommer de närmaste åren att bedrivas vid befintliga forskningsanläggningar såsom MAST Upgrade och JET, båda lokaliserade i England. Det här projektet ämnar studera uppvärmningsjonernas fysik i förhållanden som liknar de som kommer råda på ITER, med hjälp av de neutroner som emitteras i fusionsreaktionerna vid JET och MAST Upgrade.

Grunden för verksamheten är de instrument som de sökandes forskargrupp har utvecklat och driver vid anläggningarna.

JET är en unik anläggning då den utgör det enda nu aktiva fusionsexperimentet som, likt ITER och andra framtida fusionskraftverk, kan använda tritium i plasmat. JET är för närvarande mitt uppe i en experimentkampanj där betydande mängder tritium används, och dessa experiment utgör ett unikt tillfälle att ta reda på kunskap som kommer att vara nödvändig för att konstruera fungerande fusionskraftverk i framtiden.

Inom detta projekt kommer vi att fokusera på att förstå hur radiovågsuppvärmning fungerar i plasman bestående av deuterium och tritium. Det finns många olika sätt att värma upp plasmat med radiovågor, men just de sätt som kommer att vara mest aktuella i framtida fusionskraftverk har inte testats experimentellt i någon större omfattning ännu. Med hjälp av neutronmätningar kommer vi kunna detaljstudera hur jonernas energier påverkas av uppvärmningen, vilket är viktigt att veta för att kunna uppnå en så effektiv uppvärmning som möjligt. Vi kommer också att studera hur de uppvärmda jonerna påverkas av så kallade plasmainstabiliteter. Samspelet mellan dessa instabiliteter och plasmats joner är viktiga att förstå och kontrollera, i och med att instabiliteterna annars kan bidra till att jonerna förloras från plasmat, med försämrad uppvärmning och minskad fusionseffekt som följd.

Vid MAST Upgrade kommer vi, återigen med hjälp av neutronmätningar, använda anläggningens mycket flexibla system för neutralstråleuppvärmning till att studera samspelet mellan instabiliteter och plasmats joner i ITER-liknande förhållanden som inte går att uppnå vid JET. Syftet med dessa studier är att möjliggöra att behålla reaktorn i drift kontinuerligt över tid, vilket inte är möjligt med dagens anläggningar.

Resultaten från det projekt vi föreslår i den här ansökan kommer förhoppningsvis bidra till att ITER-experimentet blir framgångsrikt och därmed visa att fusion är en möjlig framtida energikälla.