PPPL-fysikere bygger diagnostik, der måler plasmahastigheden i realtid

Fysikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet en diagnostik, der giver afgørende realtidsinformation om det ultravarme plasma, der hvirvler i doughnut-formede fusionsmaskiner kendt som tokamaks. Denne enhed overvåger fire steder i et plasma, gør det muligt for diagnostikken at foretage hurtige beregninger af, hvordan ionernes hastighedsprofiler inde i plasmaet udvikler sig over tid.

Resultaterne er blandt de første opnået fra PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), laboratoriets nyligt opgraderede flagskibsmaskine. Denne forskning blev støttet af DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).

I et papir i november 2016-udgaven af Plasmafysik og kontrolleret fusion , fysikerne Mario Podestà og Ron Bell rapporterer den vellykkede idriftsættelse og drift af enheden, kaldet en real-time velocity (RTV) diagnostik, som kunne blive en del af et system til aktiv styring af plasmarotationshastigheden. "Kontrol af rotation er afgørende for at optimere plasmastabiliteten mod en række ustabiliteter, " bemærkede Stan Kaye, viceprogramdirektør for NSTX-U. En sådan stabilitet er afgørende for, at fusionsreaktioner kan finde sted.

Diagnosen indsamler information ved at observere, hvad der sker, når en stråle af neutrale atomer injiceres i plasmaet. Når disse atomer interagerer med ladede kulstofioner i plasmaet, de exciterede carbonatomer producerer en foton af lys, som diagnostikeren detekterer. Instrumentet udleder plasma-ionernes hastighed ved at tage højde for Doppler-effekten - den samme proces, der får sirenernes tonehøjde til at lyde højere, når man suser mod nogen, og lavere, når man skynder sig væk.

Det lille antal målinger, der kræves, er afgørende for beregningshastigheden. "Det er ligesom forskellen mellem at bygge en landevejsbil og en racerbil, " sagde Podestà. "Når du bygger en racerbil, du fjerner alt, hvad der ikke er nødvendigt, og presser på for at øge ydeevnen. Tilsvarende disse fire målinger giver den mindste mængde information til at udlede plasmaets hastighed, efterhånden som plasmaudladningen udvikler sig." tidligere eksperimenter på tokamak før dens opgradering viser, at fire målinger - hver optimeret til at indsamle den maksimale mængde lys - er alt, hvad forskere behøver for at kontrollere plasmarotationen, givet de indbyggede begrænsninger af NSTX-U.

Hastighedsmåling i realtid er ikke unik. Andre tokamaks, ligesom Joint European Torus (JET) i England og JT-60U i Japan, har diagnostik, der måler hastigheder i realtid, dog med en lavere samplingshastighed end i RTV-diagnostiken. Podestà og Bell ønskede en diagnostik, der gav et mere komplet billede af plasmaets hastighedsprofil. At producere den slags billeder betød at vælge placeringen af ​​de fire målepunkter meget omhyggeligt.

"Ud over, " sagde Podestà, "plasmaer i NSTX-U kan udvikle sig på tidsskalaer, der er hurtigere end dem, der typisk observeres i JET eller JT-60U. Derfor, vi var nødt til at måle ved højere samplingshastigheder for at få en bedre ide om, hvordan hastigheden ændrer sig over tid under en plasmaudledning."

På grund af dens hurtige beregninger, RTV-diagnostiken kunne en dag passe ind i et større system, der gør det muligt for forskere at finjustere et plasmas hastighedsprofil og optimere plasmaets ydeevne under fusionsoperationer.

PPPL, på Princeton University's Forrestal Campus i Plainsboro, N.J., er dedikeret til at skabe ny viden om plasmas fysik - ultrahot, ladede gasser – og til at udvikle praktiske løsninger til skabelse af fusionsenergi. Laboratoriet ledes af University for US Department of Energy's Office of Science, som er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning i de fysiske videnskaber i USA, og arbejder på at løse nogle af vor tids mest presserende udfordringer. For mere information, besøg venligst science.energy.gov.