En stor udfordring for at høste fusionsenergi på Jorden

En vigtig udfordring for forskere, der stræber efter at producere fusionsenergien på Jorden, der driver solen og stjernerne, er at forhindre, hvad der kaldes løbende elektroner, partikler sluppet løs i forstyrrede fusionseksperimenter, der kan bore huller i tokamaks, de doughnut-formede maskiner, der huser eksperimenterne. Forskere ledet af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har brugt en ny diagnostik med vidtgående muligheder til at opdage fødslen, og de lineære og eksponentielle vækstfaser af elektroner med højenergi, der løber væk, som kan give forskere mulighed for at bestemme, hvordan man forhindrer elektronernes skade.

Startenergi

"Vi er nødt til at se disse elektroner ved deres oprindelige energi, snarere end når de er fuldt udvoksede og bevæger sig tæt på lysets hastighed, " sagde PPPL-fysiker Luis Delgado-Aparicio, som ledede eksperimentet, der opdagede de tidlige løbsk på Madison Symmetric Torus (MST) ved University of Wisconsin-Madison. "Det næste skridt er at optimere måder at stoppe dem på, før den løbske elektronpopulation kan vokse til en lavine, " sagde Delgado-Aparicio, hovedforfatter af et første papir, der beskriver resultaterne i Gennemgang af videnskabelige instrumenter .

Fusionsreaktioner producerer enorme mængder energi ved at kombinere lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99 procent af det synlige univers. Forskere verden over søger at producere og kontrollere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet

PPPL samarbejdede med University of Wisconsin om at installere multi-energy pinhole-kameraet på MST, som fungerede som testbed for kameraets muligheder. Diagnosen opgraderer og redesigner et kamera, som PPPL tidligere havde installeret på den nu lukkede Alcator C-Mod tokamak ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), og er unik i sin evne til at registrere ikke kun plasmaets egenskaber i tid og rum, men også dets energifordeling.

Denne dygtighed gør det muligt for forskere at karakterisere både udviklingen af ​​det supervarme plasma såvel som fødslen af ​​løbske elektroner, som begynder ved lav energi. "Hvis vi forstår energiindholdet, kan jeg fortælle dig, hvad tætheden og temperaturen af ​​baggrundsplasmaet er samt mængden af ​​løbske elektroner, " sagde Delgado Aparicio. "Så ved at tilføje denne nye energivariabel kan vi finde ud af flere mængder af plasmaet og bruge det som en diagnostik."

Nyt kamera

Brug af det nye kamera bevæger teknologien fremad. "Dette har bestemt været et fantastisk videnskabeligt samarbejde, " sagde fysiker Carey Forest, en professor ved University of Wisconsin, der fører tilsyn med MST, som han beskriver som "en meget robust maskine, der kan producere løbende elektroner, der ikke bringer dets drift i fare."

Som resultat, Forest sagde, "Luis' evne til at diagnosticere ikke kun fødselsstedet og den indledende lineære vækstfase af elektronerne, når de accelereres, og så for at følge, hvordan de transporteres udefra og ind, er fascinerende. At sammenligne hans diagnose med modellering vil være det næste skridt, og selvfølgelig kan en bedre forståelse føre til nye afhjælpningsteknikker i fremtiden."

Delgado-Aparicio ser allerede fremad. "Jeg vil tage al den ekspertise, vi har udviklet på MST, og anvende den på en stor tokamak, " sagde han. To postdoktorale forskere, som Delgado-Aparicio fører tilsyn med, kan bygge videre på MST-resultaterne, men på WEST, Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak drevet af den franske kommission for alternative energier og atomenergi (CEA) i Cadarache, Frankrig.

Vifte af anvendelser

"Det, jeg vil gøre med mine post-docs, er at bruge kameraer til en masse forskellige ting, herunder partikeltransport, indespærring, radiofrekvensopvarmning og også dette nye twist, diagnosticering og undersøgelse af løbske elektroner, " sagde Delgado-Aparicio. "Vi vil grundlæggende gerne finde ud af, hvordan man giver elektronerne en blød landing, og det kunne være en meget sikker måde at håndtere dem på."

To dusin forskere deltog i forskningen sammen med Delgado-Aparicio og var medforfatter til papiret om dette arbejde. Inkluderet var syv fysikere fra PPPL og otte fra University of Wisconsin. Sammen med dem var i alt tre forskere fra University of Tokyo, Kyushi University og National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology i Japan; fem medlemmer af Dectris, en schweizisk producent af detektorer; og en fysiker fra Edgewood College i Madison, Wisconsin.