Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) mätte ett nytt rekord för en fusionsenhet internt klädd i volfram, det element som skulle kunna passa bäst för de maskiner i kommersiell skala som krävs för att göra fusion till en lönsam energikälla för världen.
Enheten upprätthöll ett hett fusionsplasma på cirka 50 miljoner grader Celsius under rekordhöga sex minuter med 1,15 gigajoule injicerad kraft, 15 % mer energi och dubbelt så mycket densitet än tidigare. Plasman måste vara både varm och tät för att generera tillförlitlig kraft till nätet.
Rekordet sattes i en fusionsenhet känd som WEST, volfram (W) Environment in Steady-state Tokamak, som drivs av den franska kommissionen för alternativ energi och atomenergi (CEA). PPPL har länge samarbetat med WEST, som är en del av International Atomic Energy Agencys grupp för koordinering av internationella utmaningar för långtidsoperationer (CICLOP).
Denna milstolpe representerar ett viktigt steg mot CICLOP-programmets mål. Forskarna kommer att lämna in ett arbete för publicering inom de närmaste veckorna.
"Vi måste leverera en ny energikälla, och källan bör vara kontinuerlig och permanent", säger Xavier Litaudon, CEA-forskare och CICLOP-ordförande. Litaudon sa att PPPL:s arbete på WEST är ett utmärkt exempel.
"Det här är vackra resultat. Vi har nått en stationär regim trots att vi befinner oss i en utmanande miljö på grund av denna volframvägg."
Remi Dumont, chef för Experimentation &Plasma Development Group vid CEA:s Institute for Magnetic Fusion Research, var den vetenskapliga koordinatorn för experimentet och kallade det "ett spektakulärt resultat."
PPPL-forskare använde en ny metod för att mäta flera egenskaper hos plasmastrålningen. Deras tillvägagångssätt involverade en specialanpassad röntgendetektor som ursprungligen tillverkades av DECTRIS, en elektroniktillverkare, och senare inbäddad i WEST tokamak, en maskin som begränsar plasma – det ultraheta fjärde tillståndet av materia – i ett munkformat kärl med hjälp av magnetiska fält.
"Röntgengruppen i PPPL:s avancerade projektavdelning utvecklar alla dessa innovativa verktyg för tokamaks och stellaratorer runt om i världen", säger Luis Delgado-Aparicio, PPPL:s chef för avancerade projekt och ledande forskare för fysikforskning och röntgen. detektorprojekt.
Detta är bara ett exempel på PPPL:s styrkor inom diagnostik:specialiserade mätverktyg som används, i det här fallet, för att karakterisera heta fusionsplasma.
"Plasmafusionsgemenskapen var bland de första att testa hybridfotonräkningstekniken för att övervaka plasmadynamik", säger DECTRIS försäljningschef Nicolas Pilet.
"I dag uppnådde WEST oöverträffade resultat, och vi vill gratulera teamet till deras framgångar. Plasmafusion är ett fascinerande vetenskapligt område som har ett stort löfte för mänskligheten. Vi är otroligt stolta över att bidra till denna utveckling med våra produkter, och är stolta över genom vårt utmärkta samarbete."
Forskare över hela världen prövar olika metoder för att tillförlitligt extrahera värme från plasma medan det genomgår en fusionsreaktion. Men detta har visat sig vara särskilt utmanande, delvis för att plasman måste vara innesluten tillräckligt länge för att göra processen ekonomisk vid temperaturer som är mycket varmare än solens mitt.
En tidigare version av enheten – Tore Supra – fick en något längre reaktion, eller skott, men då var maskinens insida gjord av grafitplattor.
Även om kol gör miljön lättare för långa skott, kanske det inte är lämpligt för en storskalig reaktor eftersom kolet tenderar att hålla kvar bränslet i väggen, vilket kommer att vara oacceptabelt i en reaktor där effektiv återvinning av tritium från reaktorkammaren och återinförande i plasma kommer att vara av största vikt.
Volfram är fördelaktigt för att behålla mycket mindre bränsle, men om till och med små mängder volfram kommer in i plasman, kan strålning från volframet snabbt kyla plasmat.
"Miljön med volframväggar är mycket mer utmanande än att använda kol," sa Delgado-Aparicio. "Detta är helt enkelt skillnaden mellan att försöka fånga din kattunge hemma och att försöka klappa det vildaste lejonet."
Skottet mättes med en ny metod utvecklad av PPPL-forskare. Hårdvaran för mätverktyget, eller diagnostiken, gjordes av DECTRIS och modifierades av Delgado-Aparicio och andra i hans forskargrupp, inklusive PPPL-forskarna Tullio Barbui, Oulfa Chellai och Novimir Pablant.
"Diagnostiken mäter i princip den röntgenstrålning som produceras av plasman," sa Barbui om enheten, känd som en multi-energy soft röntgenkamera (ME-SXR).
"Genom mätningen av denna strålning kan vi sluta oss till mycket viktiga egenskaper hos plasman, såsom elektrontemperaturen i plasmans verkliga kärna, där den är som varmast."
Från hyllan kan DECTRIS-diagnostiken normalt konfigureras med alla pixlar inställda på samma energinivå. PPPL utvecklade en ny kalibreringsteknik som låter dem ställa in energin oberoende för varje pixel.
Barbui sa att tillvägagångssättet har fördelar jämfört med den befintliga tekniken som används i WEST, som kan vara svår att kalibrera och genererar avläsningar som ibland påverkas av radiofrekvensvågorna som används för att värma plasman. "Radiofrekvensvågor stör inte vår diagnostik," sa Barbui.
"Under det sex minuter långa skottet kunde vi mäta den centrala elektrontemperaturen ganska bra. Den var i ett mycket stabilt tillstånd på runt 4 kilovolt. Det var ett ganska anmärkningsvärt resultat", sa han.
Diagnostiken letar efter ljus från en specifik typ av strålning som kallas Bremsstrahlung, som produceras när en elektron ändrar riktning och saktar ner. Den första utmaningen var att ta reda på vilka frekvenser av ljus från Bremsstrahlung man skulle leta efter eftersom både plasman och volframväggarna kan avge denna typ av strålning, men mätningarna måste fokusera på plasman.
"Fotonenergibandet mellan 11 och 18 kiloelektronvolt (keV) erbjöd oss ett bra fönster av möjlighet från kärnemissionen som aldrig utforskats tidigare och påverkade därför vårt beslut att noggrant ta prov på detta område", säger Delgado-Aparicio.
"Normalt, när den här tekniken tillämpas, gör du bara två mätningar. Detta är första gången vi har tagit en serie mätningar," sa Barbui.
Delgado-Aparicio påpekade också att "den speciella kalibreringen av vår detektor gjorde det möjligt för oss att erhålla avläsningar för varje energinivå mellan 11 och 18 keV, för varje siktlinje från kameran, samtidigt som vi tog prover på hela tvärsnittet."
Cirka 10 mätningar görs per sekund. Tricket är att använda intensiteten från den lägsta 11 keV-energin som referensnivå, och mätningar från de andra sju intensiteterna jämförs med den initiala. I slutändan ger denna process sju samtidiga temperaturavläsningar per siktlinje, därav den höga noggrannheten i mätningen.
"Denna innovativa förmåga är nu redo att exporteras till många maskiner i USA och runt om i världen", säger Delgado-Aparicio.
"Från de åtta olika intensitetsmätningarna fick vi den bästa passformen, som var mellan 4 och 4,5 kilovolt för kärnplasman. Detta representerar nästan 50 miljoner grader och i upp till sex minuter", säger Delgado-Aparicio.
De diagnostiska avläsningarna kan användas inte bara för att beräkna temperaturen på elektronerna i plasmat utan även plasmaladdningen och tätheten av föroreningar i plasman, som till stor del är volfram som har migrerat från tokamakens väggar.
"Detta speciella system är det första av det här slaget med energidiskriminering. Som sådant kan det ge information om temperatur och många detaljer om det exakta föroreningsinnehållet - främst volfram - i utsläppet, vilket är en avgörande kvantitet för att fungera i alla metalliska miljöer .
"Det är spektakulärt", sa Dumont. Även om dessa data kan härledas från flera andra diagnostik och stöds med modellering, beskrev Dumont denna nya metod som "mer direkt."
Barbui sa att diagnostiken kan samla ännu mer information i framtida experiment. "Denna detektor har den unika förmågan att den kan konfigureras för att mäta samma plasma med så många energier du vill," sa Barbui. "Nu har vi valt ut åtta energier, men vi kunde ha valt 10 eller 15."
Litaudon sa att han är glad över att ha en sådan diagnostik till hands för CICLOP-programmet. "Faktum är att denna energiupplösande kamera kommer att öppna en ny väg när det gäller analys", sa han.
"Det är extremt utmanande att driva en anläggning med en volframvägg. Men tack vare dessa nya mätningar kommer vi att ha förmågan att mäta volframet inuti plasmat och förstå transporten av volfram från väggen till plasmans kärna."
Litaudon säger att detta kan hjälpa dem att minimera mängden volfram i plasmans kärna för att säkerställa optimala driftsförhållanden för fusion. "Tack vare denna diagnostik kan vi förstå detta problem och gå till roten av fysiken för både mätning och simulering."
Tidskrävande datorberäkningar utförda av CEA:s Dumont, Pierre Manas och Theo Fonghetti bekräftade också god överensstämmelse mellan relevanta simuleringar och de mätningar som rapporterats av PPPL-teamet.
Dumont noterade också att ME-SXR-kameran bygger på labbets viktiga diagnostiska arbete på WEST. "ME-SXR är bara en del av ett mer globalt bidrag av diagnostik från PPPL till CEA/WEST," sa Dumont och noterade den hårda röntgenkameran och röntgenkristallspektrometern.
"Det här samarbetet hjälper oss mycket. Med denna kombination av diagnostik kommer vi att kunna utföra mycket noggranna mätningar i plasman och kontrollera den i realtid."
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
