Fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat en diagnostik som ger viktig information i realtid om den ultrahota plasmavirvlingen i munkformade fusionsmaskiner som kallas tokamaks. Denna enhet övervakar fyra platser i en plasma, gör det möjligt för diagnosen att snabbt beräkna hur hastighetsprofilerna för joner inuti plasma utvecklas över tiden.

Resultaten är bland de första som erhållits från PPPL:s National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), laboratoriets nyligen uppgraderade flaggskeppsmaskin. Denna forskning stöddes av DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).

I ett papper i november 2016 -numret av Plasmafysik och kontrollerad fusion , fysikerna Mario Podestà och Ron Bell rapporterar framgångsrik driftsättning och drift av enheten, kallas en realtidshastighets (RTV) diagnos, som kan bli en del av ett system för att aktivt styra plasmarotationshastigheten. "Rotationskontroll är avgörande för att optimera plasmastabilitet mot en rad instabilitet, "noterade Stan Kaye, biträdande programdirektör för NSTX-U. Sådan stabilitet är väsentlig för att fusionsreaktioner ska äga rum.

Diagnosen samlar in information genom att observera vad som händer när en stråle av neutrala atomer injiceras i plasma. När dessa atomer interagerar med laddade koljoner i plasma, de upphetsade kolatomerna producerar en foton av ljus som diagnostiken upptäcker. Instrumentet avläser plasmajonernas hastighet genom att ta hänsyn till Doppler -effekten - samma process som får sirenernas tonhöjd att låta högre när man far fram mot någon och sänker när man rusar iväg.

Det lilla antalet mätningar som krävs är avgörande för beräkningshastigheten. "Det är som skillnaden mellan att bygga en vägbil och en racerbil, "sa Podestà." När du bygger en racerbil, du tar bort allt som inte är nödvändigt och driver för att öka prestanda. Liknande, dessa fyra mätningar ger minsta möjliga mängd information för att utläsa plasmas hastighet när plasmaurladdningen utvecklas. "Faktum är att tidigare experiment på tokamak före uppgraderingen visar att fyra mätningar - var och en optimerad för att samla den maximala mängden ljus - alla forskare behöver för att kontrollera plasmarotationen, med tanke på de inbyggda begränsningarna för NSTX-U.

Hastighetsmätning i realtid är inte unik. Andra tokamaker, som Joint European Torus (JET) i England och JT-60U i Japan, ha diagnostik som mäter hastigheter i realtid, fast vid en lägre samplingshastighet än i RTV -diagnostiken. Podestà och Bell ville ha en diagnos som gav en mer fullständig bild av plasmans hastighetsprofil. Att producera den typen av bilder innebar att man valde platserna för de fyra mätpunkterna mycket noggrant.

"Dessutom, "sa Podestà, "plasma i NSTX-U kan utvecklas på tidsskalor som är snabbare än de som vanligtvis observeras i JET eller JT-60U. Därför, vi behövde mäta vid högre samplingshastigheter för att få en bättre uppfattning om hur hastigheten förändras över tiden under en plasmaurladdning. "

På grund av dess snabba beräkningar, RTV-diagnosen kan en dag passa in i ett större system som gör att forskare kan finjustera en plasmas hastighetsprofil och optimera plasmans prestanda under fusionsoperationer.

PPPL, på Princeton Universitys Forrestal Campus i Plainsboro, N.J., ägnar sig åt att skapa ny kunskap om plasmas fysik-extremt hett, laddade gaser - och för att utveckla praktiska lösningar för skapandet av fusionsenergi. Laboratoriet hanteras av universitetet för U.S. Department of Energy's Office of Science, som är den största enskilda anhängaren av grundforskning inom fysik i USA, och arbetar för att hantera några av vår tids mest utmanande utmaningar. För mer information, besök science.energy.gov.