Fusion rekord sæt til wolfram tokamak WEST

PPPL-forskere brugte en ny tilgang til at måle flere egenskaber ved plasmastrålingen. Deres tilgang involverede en specielt tilpasset røntgendetektor, der oprindeligt blev fremstillet af DECTRIS, en elektronikproducent, og senere indlejret i WEST tokamak, en maskine, der begrænser plasma - den ultravarme fjerde tilstand af stof - i et donutformet kar ved hjælp af magnetiske felter.

"Røntgengruppen i PPPL's ​​Advanced Projects Department er ved at udvikle alle disse innovative værktøjer til tokamaks og stellaratorer rundt om i verden," sagde Luis Delgado-Aparicio, PPPLs leder af avancerede projekter og ledende videnskabsmand for fysikforskning og røntgen. detektorprojekt.

Dette er blot et eksempel på PPPL's ​​styrker inden for diagnostik:specialiserede måleværktøjer, der i dette tilfælde bruges til at karakterisere varme fusionsplasmaer.

"Plasmafusionssamfundet var blandt de første til at teste hybrid-fotontællingsteknologien til at overvåge plasmadynamik," sagde DECTRIS salgschef Nicolas Pilet.

"I dag opnåede WEST hidtil usete resultater, og vi vil gerne lykønske holdet med deres succes. Plasmafusion er et fascinerende videnskabeligt område, der lover meget for menneskeheden. Vi er utroligt stolte over at bidrage til denne udvikling med vores produkter, og er begejstrede ved vores fremragende samarbejde."

Forskere verden over forsøger forskellige metoder til pålideligt at udvinde varme fra plasma, mens det gennemgår en fusionsreaktion. Men dette har vist sig at være særligt udfordrende, blandt andet fordi plasmaet skal være indespærret længe nok til at gøre processen økonomisk økonomisk ved temperaturer, der er meget varmere end solens centrum.

En tidligere version af enheden - Tore Supra - opnåede en lidt længere reaktion, eller skud, men dengang var maskinens indre lavet af grafitfliser.

Selvom kulstof gør miljøet lettere for lange skud, er det muligvis ikke egnet til en storskala reaktor, fordi kulstoffet har en tendens til at tilbageholde brændstoffet i væggen, hvilket vil være uacceptabelt i en reaktor, hvor effektiv genvinding af tritium fra reaktorkammeret og genindførelse i plasmaet vil være altafgørende.

Wolfram er fordelagtigt til at tilbageholde langt mindre brændstof, men hvis selv små mængder wolfram kommer ind i plasmaet, kan stråling fra wolfram hurtigt afkøle plasmaet.

"Tungsten-vægmiljøet er langt mere udfordrende end at bruge kulstof," sagde Delgado-Aparicio. "Dette er simpelthen forskellen mellem at prøve at få fat i din killing derhjemme versus at prøve at klappe den vildeste løve."

Nye diagnostiske måloptagelser

Skuddet blev målt ved hjælp af en ny tilgang udviklet af PPPL-forskere. Hardwaren til måleværktøjet, eller diagnosticeringen, blev lavet af DECTRIS og modificeret af Delgado-Aparicio og andre på hans forskerhold, herunder PPPL-forskerne Tullio Barbui, Oulfa Chellai og Novimir Pablant.

"Diagnostikken måler dybest set røntgenstrålingen produceret af plasmaet," sagde Barbui om enheden, kendt som et multi-energi blødt røntgenkamera (ME-SXR).

"Gennem målingen af ​​denne stråling kan vi udlede meget vigtige egenskaber ved plasmaet, såsom elektrontemperaturen i plasmaets virkelige kerne, hvor det er varmest."

Fra hylden kan DECTRIS diagnosticering normalt konfigureres med alle pixels indstillet til samme energiniveau. PPPL udviklede en ny kalibreringsteknik, der giver dem mulighed for at indstille energien uafhængigt for hver pixel.

Barbui sagde, at tilgangen har fordele i forhold til den eksisterende teknik, der bruges i WEST, som kan være svær at kalibrere og genererer aflæsninger, der nogle gange påvirkes af de radiofrekvensbølger, der bruges til at opvarme plasmaet. "Radiofrekvensbølger generer ikke vores diagnostik," sagde Barbui.

"Under det seks minutter lange skud var vi i stand til at måle den centrale elektrontemperatur ganske pænt. Den var i en meget stabil tilstand på omkring 4 kilovolt. Det var et ret bemærkelsesværdigt resultat," sagde han.

Søger efter lys på de rigtige energiniveauer

Diagnosen leder efter lys fra en specifik type stråling kendt som Bremsstrahlung, som produceres, når en elektron ændrer retning og bremser. Den første udfordring var at finde ud af, hvilke frekvenser af lys fra Bremsstrahlung man skulle se efter, fordi både plasma- og wolframvæggene kan udsende denne form for stråling, men målingerne skal fokusere på plasmaet.

"Fotonenergibåndet mellem 11 og 18 kiloelektronvolt (keV) tilbød os et godt vindue af muligheder fra kerneemissionen, der aldrig er blevet undersøgt før og påvirkede derfor vores beslutning om omhyggeligt at prøve dette område," sagde Delgado-Aparicio.

"Normalt, når denne teknik anvendes, foretager du kun to målinger. Det er første gang, vi har taget en række målinger," sagde Barbui.

Delgado-Aparicio påpegede også, at "den særlige kalibrering af vores detektor gjorde det muligt for os at opnå aflæsninger for hvert energiniveau mellem 11 og 18 keV, for hver sigtelinje fra kameraet, mens vi prøvede hele tværsnittet."

Der foretages cirka 10 målinger i sekundet. Tricket er at bruge intensiteten fra den laveste 11 keV energi som referenceniveau, og målinger fra de øvrige syv intensiteter sammenlignes med den oprindelige. I sidste ende producerer denne proces syv samtidige temperaturaflæsninger pr. sigtelinje, deraf den høje nøjagtighed af målingen.

"Denne innovative kapacitet er nu klar til at blive eksporteret til mange maskiner i USA og rundt om i verden," sagde Delgado-Aparicio.

"Fra de otte forskellige intensitetsmålinger fik vi den bedste pasform, som var mellem 4 og 4,5 kilovolt for kerneplasmaet. Dette repræsenterer næsten 50 millioner grader og i op til seks minutter," sagde Delgado-Aparicio.

De diagnostiske aflæsninger kan ikke kun bruges til at beregne temperaturen af ​​elektronerne i plasmaet, men også plasmaladningen og tætheden af ​​urenheder i plasmaet, som i høj grad er wolfram, der er vandret fra tokamaksens vægge.

"Dette særlige system er det første af denne slags med energidiskrimination. Som sådan kan det give information om temperatur og mange detaljer om det præcise indhold af urenheder - primært wolfram - i udledningen, som er en afgørende størrelse for at fungere i ethvert metallisk miljø .

"Det er spektakulært," sagde Dumont. Selvom disse data kan udledes af adskillige andre diagnostik og understøttes med modellering, beskrev Dumont denne nye metode som "mere direkte."

Barbui sagde, at diagnosen kan indsamle endnu mere information i fremtidige eksperimenter. "Denne detektor har den unikke evne, at den kan konfigureres til at måle det samme plasma med så mange energier, som du vil," sagde Barbui. "Nu har vi udvalgt otte energier, men vi kunne have udvalgt 10 eller 15."

Litaudon sagde, at han er glad for at have sådan en diagnose ved hånden til CICLOP-programmet. "Faktisk vil dette energiopløsende kamera åbne en ny rute med hensyn til analyse," sagde han.

"Det er ekstremt udfordrende at drive et anlæg med en wolframvæg. Men takket være disse nye målinger vil vi have mulighed for at måle wolfram inde i plasmaet og forstå transporten af ​​wolfram fra væggen til plasmaets kerne."

Litaudon siger, at dette kunne hjælpe dem med at minimere mængden af ​​wolfram i plasmaets kerne for at sikre optimale driftsbetingelser for fusion. "Takket være denne diagnostik kan vi forstå dette problem og gå til roden af ​​fysikken for både måling og simulering."

Tidskrævende computerberegninger udført af CEA's Dumont, Pierre Manas og Theo Fonghetti bekræftede også god overensstemmelse mellem relevante simuleringer og målinger rapporteret af PPPL-teamet.

Dumont bemærkede også, at ME-SXR-kameraet bygger på laboratoriets vigtige diagnostiske arbejde på WEST. "ME-SXR er kun en del af et mere globalt bidrag af diagnostik fra PPPL til CEA/WEST," sagde Dumont og bemærkede det hårde røntgenkamera og røntgenbilleddannelseskrystalspektrometeret.

"Dette samarbejde hjælper os meget. Med denne kombination af diagnostik vil vi være i stand til at udføre meget nøjagtige målinger i plasmaet og kontrollere det i realtid."

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory