University of Tennessee doktorand Zichen "Horus" Han sätter ihop en del av ett bärbart diagnostiskt bildsystem som ska mäta plasmaparametrar i experimentella reaktorer. Upphovsman:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
Teknikerna Theodore Biewer och hans kollegor använder för att mäta om plasma har de rätta förutsättningarna för att skapa fusion har funnits ett tag.
De specialiserade lasrarna och de färdiga komponenterna de arbetar med är inget nytt, antingen.
Men att sätta ihop dem till ett bärbart diagnossystem som kan laddas i en lastbil och köras på en längdåkningstur av experimentella fusionsreaktorprototyper?
Biewer tror att hans lag kommer att bli de första som lyckas med det - i sommar.
Mätning av plasmaparametrar
I ungefär ett år, Biewer, en forskare vid Fusion Energy Division vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, har tänkt på ett sätt att bygga ett bärbart system, använder endast kommersiellt tillgängliga komponenter, som exakt kan mäta elektrontemperatur, jontemperatur, och elektrontäthet i fusionsprototyper finansierade av DOE:s Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).
ARPA-E finansierar nio projekt under sitt ALPHA-program 2015—som, om det lyckas, skulle kunna tjäna som en teknisk grund för nya reaktorkonstruktioner. Men byrån behövde ett sätt att avgöra om plasman i prototyperna är tillräckligt varm, tillräckligt tätt, och innehöll tillräckligt väl i magnetfältet för att producera fusion. I januari 2019, byrån begärde ytterligare förslag för att bygga bärbara diagnossystem för att mäta nyckelparametrar i dessa nya maskiner. Biewers lagförslag valdes ut i somras och fick lite mer än 1 miljon dollar i finansiering i november 2019.
Vid den tiden, Biewer, vem är huvudutredare, hade redan undersökt de kommersiellt tillgängliga komponenterna för optisk emissionsspektroskopi, en teknik som använder ljus för att mäta vilka typer av joner som finns i vilka koncentrationer och vid vilka temperaturer, och Thomson -spridning, som använder lasrar för att mäta elektrondensitet och temperatur genom att laserljuset sprids bort från elektronerna i plasman.
Postdoktorn Nischal Kafle placerar en komponent för en bärbar plasmabilddiagnostisk enhet vid ORNL i februari. Enheten, ett projekt för ARPA-E, är byggd av hylldelar. Kredit:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
Sex månader till resultat
Biewer sa att Thomson-spridning är guldstandarden för att mäta dessa parametrar, delvis för att den producerar data som är användbar utan att behöva mycket tolkning. Thomson-spridning utförs i allmänhet med avancerade lasrar som har anpassats och byggts in i permanenta system inrymda i dedikerade klimatkontrollerade byggnader i anslutning till plasmareaktorerna.
"Det är väldigt komplicerade system som verkligen gör jobbet bra, ", sa Biewer. "Men ARPA-E ville kunna flytta systemet från maskin till maskin. Så vi föreslog att man skulle använda några lasrar som inte är lika kraftfulla som de som används i dessa permanenta system men som fortfarande har tillräckligt med energi för att få jobbet gjort."
FoU -anställd Drew Elliott, postdoktor Nischal Kafle, och University of Tennessee doktorand Zichen "Horus" Han har byggt systemet på en rullande vagn, assisterad av instrumenteringsspecialisten Wayne Garren och Hes rådgivare, UT-professor Zhili Zhang.
Vändningen går snabbt. I mars, Biewer hoppas att de kommer att ha testat systemet på en plasmakälla i ORNL:s Engineering Technology Center. I maj, han hoppas ha data att presentera vid den 23:e aktuella konferensen om högtemperaturplasmadiagnostik i New Mexico.
Och i juni, han hoppas att systemet är på väg till Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) i New Jersey, inpackad i en lastbil från ORNL:s motorpool, drivs av sitt team.
Från vänster, postdoktor Nischal Kafle, UT -doktorand Zichen “Horus” He, instrumenteringsspecialist Wayne Garren, och huvudutredaren Theodore Biewer från ORNL:s Fusion Energy Division står med en bärbar plasmadiagnostisk bildapparat som de byggde. (Inte på bilden är FoU-anställd Drew Elliott.) Efter att teamet har lagt till en laser, enheten kommer att vara redo för testning på ORNL innan den tas till andra experimentella plasmakällor i sommar och höst. Kredit:Carlos Jones/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
"Ha laser, kommer resa'
Efter 4–6 månaders testning av systemet på en fusionsenhet vid PPPL, teamet kommer att ta den till en annan fusionsenhet vid University of Washington i Seattle och testa den under ungefär samma tid. En resa för att mäta en tredje enhet är möjlig - "Ha laser, kommer resa, " sa Biewer.
ORNL:s historia som ledare inom fusionsenergi gjorde det till en utmärkt plats för ett projekt av det här slaget - även mitt i skepsis mot att en bärbar enhet skulle kunna producera mätningar tillräckligt exakta för att vara användbara.
"Vi har erfarenhet från system byggda här, " sa Biewer. "Vi vet vad som krävs, och vi är i en lämplig tid i teknikutvecklingen för att samla allt detta i ett paket som vi kan sprida runt till dessa olika fusionsenheter för att mäta om de kan göra vad vi säger att de kan.
"Vi har tillräckligt med kunskap för att även om vi stöter på några fallgropar, vi vet hur vi ska ta oss ut. Man kan inte veta allt i förväg, men du kan anpassa dig till händelser i farten."
Biewers dåvarande gruppledare, Jeff Harris, kallade systemet "resväska Thomson sprider, "men alla system som ARPA-E finansierar för detta projekt är bärbara, sa Biewer. Det som gör hans teams design unik är användningen av hyllkomponenter istället för specialbyggda eller omfattande anpassade delar.
Om det fungerar som förväntat, designen kan i slutändan leda till ett massproducerat system, eller så kan ARPA-E fortsätta att finansiera teamets forskning för att förbättra konceptet.
"Nästa design kan vara ännu bättre:mer kompakt, Mer exakt, " sa Biewer.
