Att belägga plasmaexponerade komponenter i en fusionsreaktor med ett tunt lager bor kan avsevärt förbättra reaktorernas prestanda och minska föroreningar från väggarna.
Tokamak spelar en central roll inom forskningen kring kontrollerad termonukleär fusion. Genom att använda kraftfulla magnetfält för att hålla het plasma på plats efterliknar de energiproduktionsprocesserna i stjärnor. Detta kan i framtiden leda till en nästan obegränsad och ren energikälla.
Tokamak i framkant för fusion
För att bibehålla optimala plasmavillkor och prestanda använder forskare olika tekniker för att behandla reaktorernas väggar. Syftet är att minska föroreningar som kan kyla plasman och försämra dess stabilitet. En av de mest effektiva metoderna är boronisering, där ett tunt lager bor deponeras på de plasmaexponerade ytorna för att minska föroreningar och förbättra plasmaprestanda.
Hur fungerar boronisering?
Boronisering sker genom en glödutladdning, liknande det fenomen som ses i neontuber. En borhaltig gas, exempelvis diboran, tillförs tokamaken och bryts ned så att ett borhydridlager bildas på reaktorns innerväggar. Det finns olika tekniker för boronisering, bland annat glödutladdningsboronisering och boronisering vid joncyklotronfrekvenser (ICRF-boronisering).
I den schweiziska fusionsanläggningen TCV (Tokamak à Configuration Variable) vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) värms först reaktorn upp till 240 grader Celsius. Därefter genomförs en timslång glödutladdning med helium innan en 60 minuter lång glödutladdning med en gasblandning av 10 procent diboran i helium. Initialt var processen instabil, men genom att öka glödeffekten och minska boroniseringstiden från 60 till 15 minuter har stabiliteten förbättrats. I den franska anläggningen WEST varar injektionen av diboran i upp till fem timmar, och den totala mängden bor som injiceras uppgår till cirka 10 gram per boronisering.
Fördelar med boronisering
– Minskning av föroreningar: Borlagret minskar effektivt syre- och kolföroreningar (i reaktorer med kolfoder), vilket hjälper till att bevara plasmaförutsättningarna.
– Förbättrad plasmaprestanda: Genom att minimera föroreningar minskar boronisering energiförluster och hjålper till att bibehålla högre plasmatemperaturer, vilket gynnar fusionsreaktionerna.
– Reducerad vätgasåtercirkulation: Boronisering fungerar som en pumpvägg som minskar vätgasåtercirkulationen och därmed förbättrar densitetskontrollen, vilket gör det möjligt att driva små reaktorer med volframväggar vid lägre plasmakanter.
Boronisering i europeiska fusionsreaktorer
– TCV (Schweiz): TCV drivs av Swiss Plasma Center vid EPFL och fokuserar på avancerade plasmakonfigurationer och uppvärmningstekniker. Boronisering utförs genom en kombination av värmebehandling, heliumglödutladdning och diboranglödutladdning. Stabilitetsproblem åtgärdades genom att öka glödeffekten och minska behandlingstiden.
– WEST (Frankrike): WEST drivs av Franska Kommissionen för Alternativa Energikällor och Atomenergi (CEA) och undersöker användningen av volfram som plasmaexponerat material i långpulsexperiment. Boronisering har visat sig minska volframerosionen och stabilisera plasman. Detta är viktigt för att kunna studera borlagerens livslängd inför framtida ITER-experiment.
– ASDEX Upgrade (Tyskland): Denna anläggning, som drivs av Max Planck-institutet för Plasmafysik (IPP), studerar interaktionen mellan plasma och väggmaterial. Regelbunden glödutladdningsboronisering med helium och diboran är avgörande för att uppnå lågdensitetsförhållanden och avancerade plasmakonfigurationer.
Samarbeten och framtida riktningar
EUROfusion samordnar forskningen kring boronisering och främjar erfarenhetsutbyte mellan europeiska fusionsreaktorer. Forskning pågår för att optimera glödutladdningsparametrar och utforska alternativa boronkällor. Samarbete mellan forskningsinstitut som EPFL, CEA och IPP är avgörande för att vidareutveckla boroniseringstekniker och maximera tokamakernas prestanda.
Slutsats
Boronisering spelar en central roll för att minska föroreningar och förbättra plasmaprestanda i fusionsreaktorer. Med fortsatt forskning och teknikutveckling kommer metoden att bidra till framtida fusionsenergisystem. Det europeiska samarbetet kring boronisering är avgörande för att optimera tekniken och säkerställa effektiv drift av framtidens fusionskraftverk.
Källa: Euro-fusion