De ion cyclotron resonante verhitting (ICRH) voor de stellarator Wendelstein 7-X is klaar voor gebruik. Dit is het resultaat van een nauwe samenwerking tussen het Laboratorium voor Plasmafysica van de Koninklijke Militaire School (LPP-KMS) in Brussel, het Forschungszentrum Jülich (FZJ) en het Max-Planck Instituut voor Plasmafysica in Greifswald (IPP), beide in Duitsland.
"Deze sinds lang beproefde techniek zal het nieuwe verwarmingssysteem voor Wendelstein 7-X tot leven brengen", verklaart Johannes-Peter Kallmeyer, die bij het IPP verantwoordelijk is voor de ion cyclotron resonante verhitting. Twee zenders met de krachtigste elektronenbuizen ter wereld, wekken radiogolven op in het korte golfbereik tussen 25 en 38 MHz opgewekt, met een gezamenlijk vermogens tot 4 miljoen Watt. Via grote koperen transmissielijnen bereiken ze de antenne in de torushal. Daar zal de nieuwe, unieke antenne de radiogolven in het plasma stralen. Dit systeem zal begin 2022 in bedrijf worden genomen voor gebruik in de volgende experimentele campagne.
Het centrale onderdeel dat dit systeem zo uniek maakt, is de antenne van 380 kg samen met de 4,7 ton zware ondersteunende constructie. Dit systeem arriveerde in Greifswald op 10 augustus van vorig jaar. Bij de aanbouw in Wendelstein 7-X werd de antenne uitgelijnd met een precisie van ongeveer 1 mm, om te voorkomen dat bij beweging in de toegangspoort van de torus de antenna nergens tegenaan botst. "Met overdreven haast en kracht te werk gaan is uit den boze. Geduld en precisie waren hier vereist," beschrijft Dr. Jozef Ongena, onderzoeksdirecteur van LPP-ERM/KMS en projectleider van de ICRH-antenne.
Daarna moesten de 96 meter lange transmissielijnen worden afgewerkt, die de twee zenders verbinden met de antenne in de torushal. Bovendien werden allerhande apparaten en verschillende schakelkasten aangebouwd om de transmissielijnen te calibreren en de goede werking van het ICRH systeem te verzekeren.
Een revolutionair antenne concept ontworpen in de KMS
De ICRH-antenne bestaat uit twee 75cm lange elektrische geleiders die golven kunnen uitstralen met een willekeurige faseverhouding. Deze elektrische geleiders, ‘straps’ in het jargon, zijn bekleed met koper. Het oppervlak ervan is perfect aangepast aan een van de mogelijke plasmaconfiguraties in Wendelstein 7-X, en zijn daardoor gekromd in 3 dimensies. De fabricatie ervan was enkel mogelijk met de meest moderne digitale draaibanken. Deze ‘straps’ zitten in een metalen doos en zijn hierin één centimeter achteruit geplaatst om directe interactie te voorkomen met het hete plasma. Voor andere magnetische configuraties met kleinere of grotere afmetingen, kan de antenne over 35 centimeter horizontaal worden verplaatst.
De elektromagnetische golven die door de antenne worden uitgestraald kunnen zich echter niet voortplanten in vacuüm of een te ‘ijl’ plasma. Daarom is op meerdere punten in de antennedoos een systeem voor het injecteren van waterstofgas geïnstalleerd. Als de afstand tussen de antenne en het plasma op bepaalde plaatsen te groot is, kan daar lokaal gas worden geïnjecteerd, dat vervolgens ioniseert en een voldoende dicht plasma creëert. Op die manier kan voortplanting van de golven naar het plasma worden verzekerd. Dit is van groot belang om het door de antenne ingestraalde radiofrequente vermogen in het plasma te optimaliseren.
De antenne werd gebouwd en getest in het onderzoekscentrum in Jülich, onder de kundige leiding van Dr. Bernd Schweer. Dit centrum heeft een jarenlange ervaring en beschikt over de meest moderne apparatuur voor de bouw van dergelijke hoogwaardige instrumenten. Bovendien is er een nauwe samenwerking met topklasse leveranciers. Net als alle andere betrokkenen moesten ook zij met vernieuwingen komen om de bouw van de antenne mogelijk te maken.
Naast de antenne en een deel van de transmissielijnen zijn ook de twee zenders afkomstig uit het Forschungszentrum Jülich, waar ze indertijd werden aangebouwd door LPP/ERM-KMS voor gebruik op de beroemde tokamak TEXTOR. Tot eind 2013 werden in deze tokamak wandmaterialen voor toekomstige fusie-installaties getest. De zenders en transmissielijnen die vroeger in TEXTOR werden gebruikt krijgen dus een ‘tweede leven’ aan Wendelstein 7-X. Dit heeft voor- en nadelen, zoals Johannes-Peter Kallmeyer uitlegt: "Aan de ene kant zouden nieuwe technologieën geheel nieuwe mogelijkheden kunnen bieden, maar aan de andere kant is de techniek van de elektronenbuizen robust en dus zeer betrouwbaar."
De technische en mechanische eigenschappen van de antenne werd gedicteerd door door de gecompliceerde vorm van de machine Wendelstein 7-X in Greifswald en de plasmaconfiguraties daarin. Het relatief kleine formaat van de toegangspoort, hoewel één van de grootste van Wendelstein 7-X, de totaal verschillende vormen van de vele magnetische configuraties, en de warmtebelasting van ongeveer 100kW/m2 vereisten een uiterst nauwkeurig en flexibel antennesysteem.
De eerste ideeën omtrent de antenne ontstonden tijdens een brainstormsessie met Prof. Michael Van Schoor, directeur van het LPP-ERM/KMS, dr. Jozef Ongena en de collega’s in Greifswald zo'n tien jaar geleden. Omdat het LPP-ERM/KMS kan putten uit veel ervaring met ICRH-antennes voor tokamaks, was de start snel gemaakt. "Toen kwamen de moeilijke vragen van Dr. Dirk Hartmann en Prof. Robert Wolf," herinnert Dr. Jozef Ongena zich. Bij welke hoge dichtheid kan de ICRH worden gebruikt? Kunnen met dit systeem genoeg snelle deeltjes worden gegenereerd? Hoeveel vermogen kan ingestraald worden in het plasma ? De theoretische fysici in LPP/ERM-KMS bestudeerden in detail deze en andere vragen en kwamen tot de conclusie dat een goed gepland ICRH systeem de vereisten van het Wendelstein-7 team kan realiseren. Dit heeft uiteindelijk geleid tot een ICRH systeem dat op veel verschillende manieren kan worden ingezet.
Begonnen als “reserve” verwarmingssysteem…
Vooraleer Wendelstein 7-X in bedrijf werd genomen, was het niet duidelijk of de geplande magnetische veldsterkten op deze gecompliceerde fusiemachine ook werkelijk konden worden gerealiseerd. Het belangrijkste verwarmingssysteem van Wendelstein 7-X is het elektron cyclotron resonante verhitting (ECRH) systeem dat werkt bij de vaste frequentie van 140GHz, in het microgolf bereik, met een maximaal vermogen van 10 miljoen Watt. Dit systeem werkt alleen optimaal bij de geplande hoge magnetische veldsterkte. ICRH is veel flexibeler en laat in principe toe om ook zonder ECRH de plasma’s in Wendelstein 7-X te kunnen verhitten.
Een ander probleem is dat bij hoge deeltjesdichtheden in het plasma de werking van ECRH moeilijker wordt, aangezien dan specifieke details van de verwarmingsmethode moeten worden gewijzigd, waardoor de efficiëntie ervan afneemt. Deze hoge dichtheden zijn evenwel noodzakelijk voor cruciale experimenten op Wendelstein 7-X. Voor een goede werking onder zulke omstandigheden is ICRH een zeer belangrijke aanvulling.
... om later een veelzijdig onderzoeksinstrument te worden …
Naast pure verwarming biedt ICRH nog andere aantrekkelijke mogelijkheden. "Voor experimenteel onderzoek is het van belang om over verschillende opties te beschikken. Met ICRH wordt het mogelijk om het verwarmingssysteem te wijzigen en daardoor het effect op het plasma beter te begrijpen” legt Dr. Dirk Hartmann uit. Bovendien kunnen met ICRH hoogenergetische ionen worden gegenereerd die zich op dezelfde manier gedragen als snelle heliumdeeltjes. Dergelijke heliumdeeltjes worden geproduceerd tijdens fusiereacties en zullen in toekomstige fusiecentrales worden gebruikt om de hoge plasmatemperatuur te onderhouden. Daarom is het belangrijk hun gedrag te begrijpen. Met behulp van de snelle ionen die met het ICRH systeem worden geproduceerd, kunnen deeltjesbanen en interactiepatronen worden bestudeerd. Vervolgens kunnen conclusies worden getrokken over het gedrag van heliumdeeltjes en hun opsluiting in een toekomstige fusiereactor.
Bestudering van de banen van snelle ionen is ook een manier om de optimalisatie van Wendelstein 7-X te controleren. "Als je een stellarator gewoon op basis van de basisprincipes laat werken, werkt die niet omdat de deeltjes veel te gemakkelijk het plasma verlaten," legt Dr. Jozef Ongena uit. Een eerste optimalisatie voor een betere opsluiting van de deeltjes werd in het verleden uitgetest met de kleine stellarator Wendelstein 7-AS in het Max Planck instituut voor Plasmafysica in Garching bei München. Wendelstein 7-X heeft een nog verder geoptimaliseerd magnetisch veld. Het effect ervan op de deeltjesbanen kan in detail worden bestudeerd met ICRH.
De zenders voor de radiogolven voor het ICRH systeem bieden nog een ander voordeel: de frequentie van de golven kan zeer gemakkelijk worden gewijzigd. Dit is niet het geval voor het ECRH systeem met zijn vaste frequentie. Daardoor kunnen golven worden ingestraald die resoneren met andere ionen dan de waterstofionen. Hierdoor kunnen ook ionen van verontreinigingen worden verhit, en zo beïnvloed worden dat ze het plasma verlaten. "Dit zou zo ver kunnen gaan," legt Dr. Dirk Hartmann uit, "dat een homeopathische dosis ICRH volstaat om het plasma in zeer belangrijke mate positief te beïnvloeden."
… voor nieuwe inzichten in het internationale kernfusie onderzoek
"Dit zijn nieuwe technieken die nog nooit op een stellarator zijn uitgeprobeerd," vat Dr. Jozef Ongena samen. "We willen zien of deze methoden, die in theorie zouden moeten werken, ook in de praktijk hun belofte waarmaken. En natuurlijk willen we het maximale verhittingsvermogen in het plasma stralen, zodat er in het centrum van de machine voldoende snelle deeltjes zijn, hetgeen dan belangrijk is voor essentiële tests van de geoptimaliseerde magneetveld configuratie van Wendelstein 7-X."
Dit maakt ook duidelijk waar de hoop van het ICRH-project ligt. Het gaat niet alleen om de succesvolle verwarming met ICRH, maar ook om positieve effecten op de magnetische opsluiting van de plasmadeeltjes. De deelnemende partners IPP, Forschungszentrum Jülich en LPP/ERM-KMS willen vooruitgang boeken voor het fusie-onderzoek in zijn geheel. "Een goede samenwerking tussen alle betrokkenen levert altijd de beste resultaten op," zegt Dr. Jozef Ongena. Van zodra de radiogolven via de koperen transmissielijnen de antenne bereiken, zullen nieuwe wetenschappelijke bevindingen niet lang op zich laten wachten.
Bron: Artikel uit IMPULSE nr 4/21 - titel: "Präzise geplante Antenne eröffnet neue Möglichkeiten" - Vrij vertaald uit het Duits door Jef Ongena.
Hoofdafbeelding: Het montage team na de succesvolle inbouw van de antenne in Greifswald. Van links naar rechts : Matthias Stern en Peter Kallmeyer (IPP), Jef Ongena enYevgen Kazakov (LPP-ERM/KMS), Noah Richter en David Castaño-Bardawill (FZJ), Bernd Schweer (LPP-ERM/KMS).
