Ingeniører leverer nye nøglekomponenter for at hjælpe med at drive et fusionsenergieksperiment

Fusionskraft, der tænder solen og stjernerne, kræver temperaturer på millioner af grader for at smelte partiklerne inde i plasma, en suppe med ladet gas, der nærer fusionsreaktioner. Her på Jorden, forskere udvikler fusion som et pengeskab, ren og rigelig energikilde skal producere temperaturer varmere end solens kerne i donutformede faciliteter kaldet tokamaks. Meget af den kraft, der er nødvendig for at nå disse temperaturer, kommer fra højenergistråler, som fysikere pumper ind i plasmaet gennem enheder kendt som neutralstråleinjektorer.

Ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), ingeniører har for nylig designet og leveret et sæt innovative nye komponenter til neutralstråleinjektorer, der opvarmer plasma i DIII-D National Fusion Facility, den tokamak, som General Atomics driver for DOE i San Diego.

De nydesignede dele, kaldet pole skjolde, beskytte magneter i injektorerne mod de energiske partikler fra strålen og vil erstatte enheder, der smeltede og revnede under tidligere fusionsforsøg, resulterer i vandlækager. Magneterne omdirigerer ladede atomkerner, eller ioner, i bjælkerne til en iondump inde i injektorerne, tillader kun neutrale atomer at trænge ind i plasmaet.

"De havde et problem, der skulle rettes. I sidste ende vi fandt på en løsning, der løste problemet, "sagde PPPL -ingeniør Irving Zatz, der havde tilsyn med designet, analyse og levering af skjoldene. Han gik sammen med ingeniører Andrei Khodak, der kørte computeranalyser for at verificere det nye design, og Alex Nagy, der leder PPPL ingeniørsamarbejde om DIII-D. Støtte til dette arbejde kommer fra DOE Office of Fusion Energy Sciences.

De nye enheder ligner skjolde, som PPPL leverede til DIII-D til installation på den første af anlæggets fire injektorer i 2014. Efter måneders brug af disse skærme, "inspektionsresultater viste ingen tegn på slid eller beskadigelse, "Sagde Nagy.

Modstår højere varmebelastninger

Det nye design vil modstå de kraftigt øgede varmebelastninger, som injektorerne efter planen skal producere. Planer kræver en opgradering af injektorens maksimale effekt fra 2,6 megawatt i tre sekunders impulser til 3,2 megawatt i impulser, der vil vare dobbelt så længe.

De nye skjolde består af en halv tommer tyk, omtrent fem fod lange kobberplader udstyret med skær af hårdt, sølvfarvet metal molybdæn i midten af ​​pladerne, det område, der vil absorbere mest energi fra strålen. Indlæggene, som modstår smeltning ved høje temperaturer, er en vigtig designinnovation, der oprindeligt blev foreslået af General Atomics 'Tim Scoville, chefen for neutralstråleoperationer ved DIII-D.

Hvert nyt skjold indeholder 10 molybdænplader, der er rillet sammen som et puslespil, med en kobbernøgle, der holder dem på plads. Denne opsætning vil rumme forskellige grader af varmeudvidelse og andre forhold, og gør det let at skille molybdænfliserne ad og udskifte dem, uden afmontering af injektor.

Khodak brugte en softwarekode til at undersøge, hvordan skjoldene stod op til faktorer lige fra fordelingen af ​​varmebelastninger til spændingerne i kobber og molybdæn, som større effekt vil udøve. Resultaterne viste, at designet opfyldte eller oversteg alle ydelseskrav.

"Den oprindelige, helkobberplader fejler typisk efter cirka fem års service, " sagde Nagy. "Livtiden for det nye stangskjolddesign er ukendt, men bør øge tiden til fejl for denne kritiske komponent betydeligt. Forskellen mellem de gamle og nye skjolde er som at sammenligne gamle bias-ply dæk med nye stålbælte radialer."

Polskjolde er ikke de eneste dele, som PPPL opgraderer på DIII-D neutralstråleinjektorerne. Laboratoriet har designet nye kollimatorer, som justerer neutralerne i parallelle bjælker, og kalorimetre, som måler varme, for maskinerne. Fremstilling er i gang, og komponenterne er planlagt til levering i efteråret.

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