Fusionskraft, som tänder solen och stjärnorna, kräver temperaturer på miljontals grader för att smälta partiklarna inuti plasma, en soppa av laddad gas som driver fusionsreaktioner. Här på jorden, forskare som utvecklar fusion som ett säkert, ren och riklig energikälla måste producera temperaturer som är varmare än solkärnan i munkformade anläggningar som kallas tokamaker. Mycket av den kraft som behövs för att nå dessa temperaturer kommer från högenergi strålar som fysiker pumpar in i plasma genom enheter som kallas neutralstråleinjektorer.

Vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), ingenjörer har nyligen konstruerat och levererat en uppsättning innovativa nya komponenter för neutralstråleinsprutarna som värmer plasma i DIII-D National Fusion Facility, den tokamak som General Atomics driver för DOE i San Diego.

De omdesignade delarna, kallas polsköldar, skydda magneterna i injektorerna från de energiska partiklarna från strålen och kommer att ersätta enheter som smält och spruckit under tidigare fusionsexperiment, resulterar i vattenläckage. Magneterna omdirigerar laddade atomkärnor, eller joner, i strålarna till en jondump inuti injektorerna, tillåter endast neutrala atomer att komma in i plasma.

"De hade ett problem som behövde åtgärdas. I slutändan vi kom på en lösning som löste problemet, "sade PPPL -ingenjören Irving Zatz, som övervakade designen, analys och leverans av sköldarna. Han samarbetade med ingenjörerna Andrei Khodak, som körde datoranalyser för att verifiera den nya designen, och Alex Nagy, som leder PPPL-tekniska samarbeten om DIII-D. Stöd för detta arbete kommer från DOE Office of Fusion Energy Sciences.

De nya enheterna liknar sköldar som PPPL levererade till DIII-D för installation på den första av anläggningens fyra injektorer 2014. Efter månaders användning av dessa skärmar, "inspektionsresultaten visade inga tecken på slitage eller skada, "Sa Nagy.

Tål högre värmebelastningar

Den nya designen tål de kraftigt ökade värmebelastningar som injektorerna är planerade att producera. Planerna kräver en uppgradering av injektorns maximala effekt från 2,6 megawatt i tre sekunders pulser till 3,2 megawatt i pulser som kommer att vara dubbelt så långa.

De nya sköldarna består av en halv tum tjock, ungefär fem fot långa kopparplattor utrustade med skär av hård, silvrig metallmolybden i mitten av plattorna, området som kommer att absorbera mest energi från strålen. Insatserna, som motstår smältning vid höga temperaturer, är en viktig designinnovation som ursprungligen föreslogs av General Atomics Tim Scoville, chef för neutralstråleoperationer vid DIII-D.

Varje ny sköld innehåller 10 molybdenplattor som är räfflade ihop som ett pussel, med en nyckelbit i koppar som håller dem på plats. Denna installation kommer att rymma olika grader av värmeutvidgning och andra förhållanden, och gör att molybdenplattorna enkelt kan demonteras och bytas ut, utan demontering av injektor.

Khodak använde en mjukvarukod för att undersöka hur sköldarna stod upp till faktorer som sträcker sig från fördelningen av värmelast till spänningarna i koppar och molybden som större effekt kommer att utöva. Resultaten visade att konstruktionen uppfyllde eller överträffade alla prestationskrav.

"Originalet, helt kopparplattor misslyckas vanligtvis efter cirka fem års tjänst, "Sa Nagy." Livet för den nya polskölddesignen är okänt, men bör avsevärt öka tiden till fel för denna kritiska komponent. Skillnaden mellan de gamla och nya sköldarna är som att jämföra gamla förspänningsdäck med nya stålbältade radialer. "

Stångskydd är inte de enda delarna som PPPL uppgraderar på DIII-D neutralstråleinsprutarna. Laboratoriet har designat nya kollimatorer, som riktar in neutralerna i parallella strålar, och kalorimetrar, som mäter värme, för maskinerna. Tillverkningen pågår och komponenterna är schemalagda för leverans under hösten.

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.