ºÚÁÏÍø

Väitöskirjan nimi: The effect of magnetic configuration on fast ions in stellarators

³Õä¾±³Ù³Ù±ð±ô¾±Âáä: Joona Kontula
³Õ²¹²õ³Ù²¹±¹Ã¤¾±³Ù³ÙäÂáä: professori Raúl Sánchez, University Carlos III in Madrid, Espanja
Kustos: professori Mathias Groth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Ydinfuusio on lupaava tulevaisuuden energiantuotannon menetelmä. Fuusioenergia on turvallista ja puhdasta, ja sen polttoaineena toimii pääosin merivedestä saatava vety. Yleisimmin käytetyssä tokamak-fuusioreaktorissa on kuitenkin perustavanlaatuinen ongelma: polttoaineena toimivassa plasmassa kulkee suuri sähkövirta. Tämä sähkövirta paitsi lisää plasman epävakautta myös vaatii reaktorin säännöllistä sammuttamista. Stellaraattori-fuusioreaktorit eivät tokamakeista poiketen vaadi sähkövirtaa, joten ne ovat vakaampia ja pystyvät toimimaan jatkuvasti. Tämä olisi erityisen hyödyllinen ominaisuus kaupallisissa voimalaitoksissa.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin nopeiden ionien käyttäytymistä stellaraattoreissa. Nopeita ioneja syntyy reaktoreissa esimerkiksi plasman kuumennuksesta sekä ydinreaktioista. Väitöskirjan tavoitteena oli selventää magneettikentän vaikutusta nopeiden ionien liikeratoihin. Ionien liikeradat määräävät monia reaktorin ominaisuuksia, kuten esimerkiksi reaktorien lämpökuormien jakaumaa sekä fuusioreaktioiden määrää. Ionien tutkimiseen käytettiin simulaatioita, mikä mahdollisti normaalisti hankalasti kokeellisesti tutkittavien ilmiöiden mallintamisen. Simulaatioihin käytettiin Aalto-yliopiston ja VTT:n kanssa yhteistyössä kehittämää ASCOT-radanseurantakoodia.

Simulaatioiden perusteella plasman kuumennukseen käytettävän neutraalisuihkun aiheuttamat seinäkuormat eivät ylitä komponenteille asetettuja turvallisuusrajoja Wendelstein 7-X stellaraattorissa.
Nopeiden ionien aiheuttaman neutronivuon mallinnettiin myös olevan riittävän suuri, että sitä mittaamalla voidaan seurata fuusioreaktioiden määrää plasmassa ajan funktiona. Nopeiden ionien aiheuttaman sähkövirran mallintamiseen kehitettiin uusi menetelmä, jonka avulla sen suuruus toisessa stellaraattorissa, TJ-II:ssa, pystyttiin ennustamaan aiempaa tarkemmin.

Väitöskirjassa esitetyt tulokset vahvistivat käsitystä siitä, että pääosin magneettikentän muoto määrää nopeiden ionien radat stellaraattoreissa. Väitöskirjassa esitetyn sähkövirran mallinnusmenetelmän avulla voidaan taas optimoida plasman kuumennusta niin ettei magneettikentän muoto häiriinny. Tutkimuksissa esitelly tulokset ja menetelmät antavat uusia työkaluja fuusioreaktorien toiminnan ohjaamiseen ja myös helpottavat nopeiden ionien ominaisuuksien ennustamista tulevissa fuusioreaktoreissa.

Avainsanat: Fuusio, stellaraattori, nopeat ionit

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): .

Yhteystiedot: joona.kontula@aalto.fi