Avustavat järjestelmät ITER tokamakin fuusioplasman lämmityksessä

Abstract

Tämä tutkimus on kirjallisuuskatsaus tokamak-fuusioreaktoreissa käytössä oleviin avustaviin lämmitysjärjestelmiin. Tässä tukimuksessa käydään läpi niiden merkitys fuusioplasman lämmitykseen ja ylläpitoon ITER-projektin tokamakin tapauksessa. Tähtien energianlähteenä toimivaa lämpöydinfuusiota on jo kauan pyritty valjasta- maan mahdolliseksi sähköntuotantomuodoksi. 1950-luvulta lähtien fuusiotutkimus on toiminut aktiivisena fysiikan osa-alueena, joka on kehittynyt huomattavasti etenkin viime vuosikymmenien aikana. ITER on yksi merkittävistä projekteista, joka pyrkii ajamaan tätä kehitystä. ITER:n Ranskaan rakenteilla oleva tokamak on suurin magneettiseen koossapitoon perustuva fuusioreaktori tähän päivään mennessä. Projektin tavoitteena on saavut- taa otto- ja tuottotehon minimitasoitus sekä nettotehon kymmenkertaistus. Tämän saavuttaakseen ITER tulee hyödyntämään neljää avustavaa lämmitysjärjestelmää: neutraalisädeinjektio-, elektroni- ja ionisyklotroniresonanssilämmitystä sekä alahybri- di virranajojärjestelmää. Tutkimuksessa huomataan, että järjestelmät ovat tehokkaita tokamak-plasmojen lämmityksessä sekä niiden stabiloinnissa. Lämmitysjärjestelmien fysiikka on hyvin tunnettu ja näitä on onnistuneesti käytetty fuusio-olosuhteita mukailevien plasmojen saavuttamiseen muissa tokamakeissa. ITER:n vaatimalla tasolla kyseisiä järjestelmiä ei kuitenkaan vielä koskaan olla ajettu. Onnistuessaan ITER tulee kuitenkin tarjoamaan merkittävän tieteellisen kontri- buution fuusiotutkimuksen saralle. ITER:n saavuttamat tulokset tulevat epäilemättä edistämään ydinfuusion matkaa kaupalliseksi energiantuotantomuodoksi.

This study is a literary review of the auxiliary systems used to heat fusion plasma in tokamaks. Additionally, this research looks into how ITER utilises these auxiliary systems to achieve thermonuclear fusion. Thermonuclear fusion is the process that powers the stars. Ever since the 1950s, fusion research has been an active subfield of physics that has been driven by the ambition to harness fusion as a feasible energy source. This field has undergone significant progress, especially in the last few decades. One of the major projects willing to further drive this development is ITER. The tokamak currently under construction by ITER in France is the largest magnetic confinement based fusion reactor to this day. The project aims to achieve not only the breakeven of in- and output power, but to also tenfold this efficiency coefficient. To achieve this, ITER will apply four different auxiliary systems: neutral beam injection, electron- and ion cyclotron resonance heating and lower hybrid current drive. This study found that these auxiliary systems are well established in their applications in plasma heating and stabilisation. These systems have also demonstrated fusion-like conditions in multiple tokamaks world wide. However, ITER requires these systems to perform on a level on which they have not yet been operated. If it succeeds, ITER will offer a significant scientific contribution to the field of fusion research. Undoubtedly, the results achieved in ITER will drive fusion closer to becoming a viable commercial energy production method.