_ Noul instrument ar putea ajuta oamenii de știință adaptează plasma pentru a produce mai multă căldură de fuziune

Crearea de căldură din reacțiile de fuziune necesită manipularea cu atenție a proprietăților plasmei, a patra stare a materiei încărcată electric care reprezintă 99% din universul vizibil.

Acum, oamenii de știință de la Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au terminat de construit un nou instrument de măsurare a plasmei, sau de diagnostic, care ar putea ajuta acest efort, ajutând la creșterea căldurii reacțiilor de fuziune în instalațiile cunoscute sub numele de tokamaks și poate îmbunătăți puterea de ieșire a viitoarelor centrale electrice de fuziune.

Cunoscut sub numele de ALPACA, diagnosticul observă lumina emisă de un halo de atomi neutri care înconjoară plasma din interiorul DIII-D, un dispozitiv în formă de gogoși cunoscut sub numele de un tokamak operat pentru DOE de General Atomics din San Diego.

Prin studierea acestei lumini, oamenii de știință pot culege informații despre densitatea atomilor neutri care i-ar putea ajuta să mențină plasma fierbinte și să mărească cantitatea de energie generată. prin reacții de fuziune. Oamenii de știință din întreaga lume încearcă să valorifice pe Pământ reacțiile de fuziune care alimentează stelele pentru a genera electricitate fără a produce gaze cu efect de seră sau deșeuri radioactive cu viață lungă.

ALPACA ajută oamenii de știință să studieze un proces cunoscut sub numele de alimentare. În timpul acestui proces, norii de atomi neutri de densități diferite în jurul plasmei se despart în electroni și ioni și intră în plasmă.

„Suntem interesați de alimentarea cu combustibil deoarece densitatea atomului neutru poate crește densitatea particulelor de plasmă și densitatea plasmei afectează numărul de reacții de fuziune”, a spus Laszlo Horvath, un fizician PPPL staționat la DIII-D, care a ajutat la coordonarea asamblarii și instalării ALPACA.

„Dacă putem crește densitatea plasmei, atunci putem avea mai multe reacții de fuziune, care generează mai multă putere de fuziune, exact asta ne dorim să avem în viitoarele centrale electrice de fuziune.”

Atomii de hidrogen implicați în acest tip de alimentare provin din trei surse. Primul este pufurile originale de hidrogen gazos pe care oamenii de știință le-au folosit pentru a iniția plasma. Al doilea este combinarea electronilor și a nucleelor ​​în regiunile mai reci ale camerei pentru a forma atomi întregi. Al treilea este scurgerea atomilor de hidrogen din materialul care alcătuiește suprafețele camerei interioare, unde sunt uneori prinși în timpul operațiunilor de tokamak.

Asemănător cu o cameră pinhole, ALPACA de aproape doi metri lungime. colectează lumina plasmatică care are o proprietate specifică cunoscută sub numele de lungime de undă Lyman-alfa. Cercetătorii pot calcula densitatea atomilor neutri măsurând luminozitatea luminii.

Anterior, oamenii de știință au dedus densitatea din măsurătorile efectuate cu alte instrumente, dar datele au fost greu de interpretat. ALPACA este unul dintre primele diagnostice concepute special pentru a colecta lumina din plasmă la frecvența Lyman-alfa, așa că datele sale sunt mult mai clare.

Oamenii de știință doresc să-și îmbunătățească înțelegerea despre alimentarea cu combustibil, astfel încât să o poată controla. Cu controlul asupra alimentării cu combustibil, oamenii de știință ar putea eficientiza reacțiile de fuziune din tokamak și ar putea crește cantitatea de căldură pe care o produc.

Caldura crescută este importantă deoarece cu cât plasma este mai fierbinte, cu atât mai multă electricitate este o centrală electrică bazată pe tokamak. ar putea genera. Acest proiect este un alt exemplu de expertiză de clasă mondială a PPPL în inginerie și diagnosticare cu plasmă.

ALPACA este de fapt unul dintr-o pereche de diagnostice. Geamănul său se numește „LLAMA”, care înseamnă „aparatul de măsurare Lyman-alfa”. Cele două diagnostice se completează reciproc prin faptul că, în timp ce LLAMA observă regiunile interioare și exterioare ale părții inferioare a tokamak-ului, ALPACA observă regiunile interioare și exterioare ale părții superioare.

„Avem nevoie de ambele dispozitive pentru că, deși știm că atomi neutri înconjoară plasma, numărul de atomi neutri variază de la un loc la altul, așa că nu știm exact unde se acumulează”, a spus Alessandro Bortolon, Fizician principal de cercetare PPPL care conduce colaborarea PPPL cu General Atomics DIII-D National Fusion Facility din San Diego.

„Din cauza asta și pentru că nu putem extrapola din măsurători unice, trebuie să măsurăm în mai multe locații.”

Ca toate diagnosticele, ALPACA are un scop crucial. „Când desfășurăm experimente pe mașini precum DIII-D, trebuie să înțelegem ce se întâmplă în interiorul dispozitivului, mai ales dacă vrem să-i creștem performanța”, a spus Horvath.

„Dar pentru că plasma este la 100 de milioane de grade Celsius, nu putem folosi doar un termometru de cuptor sau orice altceva convențional. Diagnosticarea ne oferă cunoștințe despre ceea ce altfel ar fi o cutie neagră.”

Designul ALPACA a încorporat 3D. imprimare, o tehnică care a permis integrarea unei camere goale în interiorul coloanei vertebrale structurale principale pentru conductele de răcire. „Nu ar exista nicio modalitate de a prelucra această piesă în alt mod”, a spus David Mauzey, senior la Universitatea de Stat din San Diego și asociat tehnic la PPPL. Mauzey a condus, de asemenea, aspectele de inginerie mecanică ale proiectului ALPACA.

„Acesta este primul mare proiect pentru care m-am ocupat de cea mai mare parte a ingineriei mecanice”, a spus Mauzey. „Au existat provocări, de exemplu, să stabilim poziționarea componentelor optice, dar procesul a fost distractiv.”

ALPACA a fost proiectat și construit numai de PPPL, deși sistemul complet, constând din ALPACA și LLAMA , va fi operat de PPPL și Massachusetts Institute of Technology în colaborare. Contribuții semnificative au avut și Alexander Nagy, șef adjunct al cercetării în afara amplasamentului PPPL DIII-D, și Florian Laggner, profesor asistent de inginerie nucleară la Universitatea de Stat din Carolina de Nord.

ALPACA este în prezent în curs de testare. Odată ce DIII-D își va relua operațiunile luna aceasta după o perioadă de întreținere, ALPACA va începe să efectueze măsurători efective.

(Fluierul)