Ny enhed i Z-maskine måler kraft til kernefusion

Hvis du jagter det uhåndgribelige mål om atomfusion og tror, ​​du har brug for en større reaktor for at udføre jobbet, du vil måske først vide præcis, hvor meget inputenergi, der kommer fra stikket, der gør det til hjertet af din maskine.

Hvis du et sted under denne rejse kunne reducere interne tab, du har måske ikke brug for en maskine så stor, som du troede.

For bedre at bestemme energilækager ved Sandias kraftfulde Z -maskine - hvor der er sket bemærkelsesværdige gevinster i fusionsoutput i løbet af de sidste to og et halvt årti, herunder en tredobling af produktionen i 2018 - et fælles team fra de nationale laboratorier fra Sandia og Lawrence Livermore har installeret et opgraderet laserdiagnosticeringssystem.

Jagten på nøjagtigt at forstå, hvor meget strøm der gør det til Zs fusionsreaktion, er blevet mere presserende, da Z flytter til at producere det enorme antal neutroner, der nu kun er en faktor 40 under den milepæl, hvor energiproduktion er lig energiindgang, en ønskelig tilstand kendt som videnskabelig break-even. Z-maskinens usædvanligt store strømme - omkring 26 megampere - komprimerer direkte fusionsbrændstof til de ekstreme forhold, der er nødvendige for, at fusionsreaktioner kan opstå.

Laboratoriefusionsreaktioner - sammenføjning af atomkerner - har både civile og militære formål. Data, der bruges i supercomputersimuleringer, giver oplysninger om atomvåben uden underjordiske test, et miljø, økonomisk og politisk plus. Jo stærkere reaktionen er, jo bedre data.

Og, på længere sigt, visionen om at opnå et ekstraordinært højt udbytte, stabil og relativt ren energikilde er ambitionen hos mange forskere inden for fusionsområdet.

Lidt hjælp fra vores lasere

Laserdiagnosesystemet, som Sandia udviklede for at hjælpe med at opnå disse forbedringer, hed oprindeligt VISAR, til hastighedsinterferometersystem til enhver reflektor. VISAR tager oplysninger om tilgængelig strøm indsamlet fra et område på størrelse med et blyantspids.

Det nye system, kaldet Line VISAR, blev udviklet senere hos Lawrence Livermore. Den analyserer information indsamlet inden for det større omfang, der stilles til rådighed via en linje, i stedet for et punkt, kilde.

Begge innovationer afviser en laserstråle fra et mål i bevægelse i centrum af Z. Men der er en stor forskel mellem de to teknikker.

VISAR bruger et fiberkabel til at sende en laserpuls fra en stabil udvendig placering til midten af ​​maskinen. Der, pulsen reflekteres fra et punkt på et stykke metal på størrelse med en skilling kaldet en flyerplade. Flyerpladen, fungerer som et spejl, hopper lasersignalet tilbage langs kablet. Men fordi flyerpladen drives frem af Zs enorme elektromagnetiske puls med en afstand på cirka en millimeter på et par hundrede nanosekunder, returpulsen er lidt ude af fase med inputversionen.

Måling af faseforskellen mellem de to bølger bestemmer den hastighed, flyerpladen opnåede i den periode. Den hastighed, matematisk kombineret med massen af ​​flyerpladen, bruges derefter til at estimere, hvor meget energi der har drevet pladen. Fordi pladen sidder i maskinens hjerte, dette tal er næsten identisk med de energi, der forårsager fusionsreaktioner i midten af ​​maskinen. Denne observation var formålet med VISAR.

Men punktmålet kunne ikke tage højde for forvrængninger i selve flyerpladen forårsaget af det enorme tryk, der skabes af det elektromagnetiske felt, der driver dens bevægelse.

Prøv optik

Lawrence Livermores forbedring af enheden, nu installeret på Z, var at sende en laserstråle langs en optisk strålebane i stedet for et fiberkabel. At passere gennem linser og hoppe af spejle, Line VISAR returnerer et visuelt billede af pulsen, der rammer hele flyerpladen, i stedet for at returnere et enkelt elektrisk signal fra et enkelt punkt på flyerpladen.

Forskere studerer kontrasten mellem det faseændrede Line VISAR-billede og et uændret referencebillede og skæres derefter langs en linje, så en ultrahøjhastighedsfilm med en reduceret, men brugbar mængde data kan optages. Ved at analysere filmen, som viser udvidelsen og deformationen af ​​flyerpladen langs linjen, forskere afdækker et mere sandt billede af mængden af ​​energi, der er til rådighed i maskinens hjerte.

"Fordi du har rumlig opløsning, det fortæller dig mere præcist, hvor det aktuelle tab opstår, "sagde Clayton Myers, hvem er ansvarlig for eksperimenter på Z ved hjælp af Line VISAR.

Sandia og Lawrence Livermore teknikere ændrede Line VISAR til at arbejde på Z, hvor alt travlt sker i hjertet af en maskine, der ryster kaffekopper i bygninger flere hundrede meter væk, når den brænder, sammenlignet med den relative ro i fyringerne på National Ignition Facility ved Lawrence Livermore, hvor banker af lasere sidder fjernet fra den ellers rolige sfære, hvor fyringer finder sted.

"Sandia -teamet fik til opgave at integrere de forskellige Line VISAR -komponenter i Z -maskinens eksisterende infrastruktur, "Sagde Myers." Det betød, blandt andet, konstruktion af et 50 meter stråletransportsystem, der gav en buffer mellem instrumentet og dets Z-mål."

Alligevel, den sidste optik af Line VISAR på Z skal udskiftes for hvert skud, fordi den står over for øjeblikkelig ødelæggelse af energien, der leveres som Z-brande.

Hvordan fungerer det nye detektionssystem? "Vidunderligt, " sagde Myers. "Jeg kan næsten ikke tro præcisionen af ​​de data, vi får."