Nyt instrument kan hjælpe forskere med at skræddersy plasma til at producere mere fusionsvarme

At skabe varme fra fusionsreaktioner kræver omhyggelig manipulation af egenskaberne af plasma, den elektrisk ladede fjerde tilstand af stof, der udgør 99 % af det synlige univers.

Nu er forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) færdige med at bygge et nyt plasmamåleinstrument, eller diagnostik, der kunne hjælpe denne indsats og hjælpe med at booste varmen fra fusionsreaktioner i faciliteter kendt som tokamaks og potentielt forbedre elproduktionen af ​​fremtidige fusionskraftværker.

Kendt som ALPACA, observerer den diagnostiske lys, der udsendes af en halo af neutrale atomer, der omgiver plasmaet inde i DIII-D, en doughnut-formet enhed kendt som en tokamak, der drives for DOE af General Atomics i San Diego.

Ved at studere dette lys kan videnskabsmænd indsamle information om de neutrale atomers tæthed, der kan hjælpe dem med at holde plasmaet varmt og øge mængden af ​​strøm, der genereres af fusionsreaktioner. Forskere over hele verden forsøger på Jorden at udnytte de fusionsreaktioner, der driver stjernerne til at generere elektricitet uden at producere drivhusgasser eller langlivet radioaktivt affald.

ALPACA hjælper videnskabsmænd med at studere en proces kendt som brændstof. Under denne proces bryder skyer af neutrale atomer med varierende tæthed omkring plasmaet fra hinanden til elektroner og ioner og trænger ind i plasmaet.

"Vi er interesserede i brændstof, fordi neutral atomtæthed kan øge plasmapartikeldensiteten, og plasmadensiteten påvirker antallet af fusionsreaktioner," sagde Laszlo Horvath, en PPPL-fysiker udstationeret ved DIII-D, som hjalp med at koordinere ALPACA's samling og installation.

"Hvis vi kan øge plasmatætheden, så kan vi få flere fusionsreaktioner, som genererer mere fusionskraft. Det er præcis, hvad vi ønsker at have i fremtidige fusionskraftværker."

Brintatomerne involveret i denne type brændstof kommer fra tre kilder. Den første er de originale pust af brintgas, som videnskabsmænd brugte til at starte plasmaet. Den anden er kombinationen af ​​elektroner og kerner i de køligere områder af kammeret for at danne hele atomer. Den tredje er lækage af brintatomer fra materialet, der udgør de indre kammeroverflader, hvor de nogle gange er fanget under tokamak-operationer.

I lighed med et pinhole-kamera opsamler den næsten to fod lange ALPACA plasmalys, der har en specifik egenskab kendt som Lyman-alfa-bølgelængden. Forskere kan beregne de neutrale atomers tæthed ved at måle lysets lysstyrke.

Tidligere har forskere udledt tætheden fra målinger taget af andre instrumenter, men dataene har været svære at fortolke. ALPACA er en af ​​de første diagnostik, der er designet specifikt til at indsamle plasmalys ved Lyman-alfa-frekvensen, så dens data er meget klarere.

Forskere ønsker at øge deres forståelse af brændstof, så de kan kontrollere det. Med kontrol over brændstofpåfyldning kunne forskerne gøre fusionsreaktionerne i tokamaks mere effektive og øge mængden af ​​varme, de producerer.

Øget varme er vigtig, fordi jo varmere plasmaet er, jo mere elektricitet kan et tokamak-baseret kraftværk generere. Dette projekt er endnu et eksempel på PPPLs ekspertise i verdensklasse inden for teknik og plasmadiagnostik.

ALPACA er faktisk en af ​​et par diagnostik. Dens tvilling kaldes "LLAMA", som står for "Lyman-alpha måleapparat." De to diagnostik komplementerer hinanden ved, at mens LLAMA observerer de indre og ydre regioner af den nederste del af tokamak, observerer ALPACA de indre og ydre regioner af den øvre del.

"Vi har brug for begge enheder, for selvom vi ved, at neutrale atomer omgiver plasmaet, varierer antallet af neutrale atomer fra sted til sted, så vi ved ikke præcist, hvor de ophobes," sagde Alessandro Bortolon, PPPLs ledende forskningsfysiker, der leder PPPL-samarbejde med General Atomics DIII-D National Fusion Facility i San Diego.

"På grund af det, og fordi vi ikke kan ekstrapolere fra enkeltmålinger, er vi nødt til at måle flere steder."

Som al diagnostik tjener ALPACA et afgørende formål. "Når vi kører eksperimenter på maskiner som DIII-D, skal vi forstå, hvad der foregår inde i enheden, især hvis vi vil øge dens ydeevne," sagde Horvath.

"Men fordi plasmaet er på 100 millioner grader Celsius, kan vi ikke bare bruge et ovntermometer eller noget konventionelt. De ville bare smelte. Diagnostik giver os viden om, hvad der ellers ville være en sort boks."

ALPACA's design inkorporerede 3D-print, en teknik, der tillod integrationen af ​​et hult kammer inde i den primære strukturelle rygrad til kølerør. "Der ville ikke være nogen måde at bearbejde denne del på nogen anden måde," sagde David Mauzey, senior ved San Diego State University og teknisk associeret ved PPPL. Mauzey ledede også de maskintekniske aspekter af ALPACA-projektet.

"Dette er det første store projekt, for hvilket jeg har håndteret størstedelen af ​​maskinteknik," sagde Mauzey. "Der var udfordringer - for eksempel at finde ud af placeringen af ​​de optiske komponenter - men processen var sjov."

ALPACA blev designet og bygget udelukkende af PPPL, selvom hele systemet, bestående af ALPACA og LLAMA, vil blive drevet af PPPL og Massachusetts Institute of Technology i samarbejde. Væsentlige bidrag blev også givet af Alexander Nagy, stedfortrædende leder af PPPL's ​​DIII-D off-site forskning, og Florian Laggner, assisterende professor i nuklear teknik ved North Carolina State University.

ALPACA testes i øjeblikket. Når DIII-D genoptager driften i denne måned efter en periode med vedligeholdelse, begynder ALPACA at tage faktiske målinger.

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory