Att skapa värme från fusionsreaktioner kräver noggrann manipulering av plasmaegenskaperna, det elektriskt laddade fjärde tillståndet av materia som utgör 99 % av det synliga universum.
Nu har forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) slutfört att bygga ett nytt plasmamätinstrument, eller diagnostik, som skulle kunna hjälpa denna ansträngning och hjälpa till att öka värmen från fusionsreaktioner i anläggningar som kallas tokamaks och potentiellt förbättra kraftuttaget från framtida fusionskraftverk.
Känd som ALPACA, observerar diagnostiken ljus som avges av en halo av neutrala atomer som omger plasman inuti DIII-D, en munkformad enhet känd som en tokamak som drivs för DOE av General Atomics i San Diego.
Genom att studera detta ljus kan forskare samla information om de neutrala atomernas täthet som kan hjälpa dem att hålla plasman varm och öka mängden energi som genereras av fusionsreaktioner. Forskare runt om i världen försöker på jorden utnyttja fusionsreaktionerna som driver stjärnorna för att generera elektricitet utan att producera växthusgaser eller långlivat radioaktivt avfall.
ALPACA hjälper forskare att studera en process som kallas tankning. Under denna process bryter moln av neutrala atomer med varierande täthet runt plasmat isär till elektroner och joner och kommer in i plasman.
"Vi är intresserade av bränsle eftersom neutral atomdensitet kan öka plasmapartikeldensiteten, och plasmadensiteten påverkar antalet fusionsreaktioner", säger Laszlo Horvath, en PPPL-fysiker stationerad vid DIII-D som hjälpte till att koordinera ALPACAs montering och installation.
"Om vi kan öka plasmans densitet kan vi få fler fusionsreaktioner, som genererar mer fusionskraft. Det är precis vad vi vill ha i framtida fusionskraftverk."
Väteatomerna som är involverade i denna typ av bränsle kommer från tre källor. Den första är de ursprungliga puffarna av vätgas som forskare använde för att initiera plasman. Den andra är kombinationen av elektroner och kärnor i de kallare delarna av kammaren för att bilda hela atomer. Den tredje är läckage av väteatomer från materialet som utgör de inre kammarytorna, där de ibland fångas under tokamak-operationer.
I likhet med en pinhole-kamera samlar den nästan två fot långa ALPACA plasmaljus som har en specifik egenskap som kallas Lyman-alfa-våglängden. Forskare kan beräkna de neutrala atomernas densitet genom att mäta ljusets ljusstyrka.
Tidigare har forskare dragit slutsatser om densiteten från mätningar från andra instrument, men uppgifterna har varit svåra att tolka. ALPACA är en av de första diagnostikerna som utformats specifikt för att samla in plasmaljus vid Lyman-alfa-frekvensen, så dess data är mycket tydligare.
Forskare vill öka sin förståelse för tankning så att de kan kontrollera det. Med kontroll över bränslet kan forskare göra fusionsreaktionerna i tokamaks mer effektiva och öka mängden värme som de producerar.
Ökad värme är viktigt eftersom ju varmare plasma, desto mer elektricitet kan ett tokamak-baserat kraftverk generera. Detta projekt är ytterligare ett exempel på PPPL:s expertis i världsklass inom teknik och plasmadiagnostik.
ALPACA är faktiskt en av ett par diagnostik. Dess tvilling kallas "LLAMA", vilket står för "Lyman-alfa-mätapparat". De två diagnostikerna kompletterar varandra genom att medan LLAMA observerar de inre och yttre områdena i den nedre delen av tokamak, observerar ALPACA de inre och yttre områdena i den övre delen.
"Vi behöver båda enheterna för även om vi vet att neutrala atomer omger plasman, varierar antalet neutrala atomer från plats till plats, så vi vet inte exakt var de ackumuleras", säger Alessandro Bortolon, PPPL forskningsfysiker som leder PPPL-samarbete med General Atomics DIII-D National Fusion Facility i San Diego.
"På grund av det, och eftersom vi inte kan extrapolera från enstaka mätningar, måste vi mäta på flera platser."
Som all diagnostik tjänar ALPACA ett avgörande syfte. "När vi kör experiment på maskiner som DIII-D måste vi förstå vad som händer inuti enheten, speciellt om vi vill öka dess prestanda," sa Horvath.
"Men eftersom plasman är på 100 miljoner grader Celsius kan vi inte bara använda en ugnstermometer eller något konventionellt. De skulle bara smälta. Diagnostik ger oss kunskap om vad som annars skulle vara en svart låda."
ALPACAs design inkorporerade 3D-utskrift, en teknik som gjorde det möjligt att integrera en ihålig kammare inuti den huvudsakliga strukturella ryggraden för kylledningar. "Det skulle inte finnas något sätt att bearbeta den här delen på något annat sätt", säger David Mauzey, senior vid San Diego State University och teknisk assistent vid PPPL. Mauzey ledde också de maskintekniska aspekterna av ALPACA-projektet.
"Detta är det första stora projektet för vilket jag har hanterat majoriteten av maskintekniken," sa Mauzey. "Det fanns utmaningar - att ta reda på placeringen av de optiska komponenterna, till exempel - men processen var rolig."
ALPACA designades och byggdes enbart av PPPL, även om hela systemet, bestående av ALPACA och LLAMA, kommer att drivas av PPPL och Massachusetts Institute of Technology i samarbete. Betydande bidrag gjordes också av Alexander Nagy, biträdande chef för PPPL:s DIII-D off-site forskning, och Florian Laggner, biträdande professor i kärnteknik vid North Carolina State University.
ALPACA testas för närvarande. När DIII-D återupptas den här månaden efter en period av underhåll, kommer ALPACA att börja ta faktiska mätningar.
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
