potere di fusione, che illumina il sole e le stelle, richiede temperature di milioni di gradi per fondere le particelle all'interno del plasma, una zuppa di gas carico che alimenta le reazioni di fusione. Qui sulla Terra, scienziati che sviluppano la fusione come sicurezza, fonte di energia pulita e abbondante deve produrre temperature più calde del centro del sole in strutture a forma di ciambella chiamate tokamak. Gran parte della potenza necessaria per raggiungere queste temperature proviene da fasci ad alta energia che i fisici pompano nel plasma attraverso dispositivi noti come iniettori a fascio neutro.

Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, gli ingegneri hanno recentemente progettato e consegnato una serie di nuovi componenti innovativi per gli iniettori a raggio neutro che riscaldano il plasma nel DIII-D National Fusion Facility, il tokamak che la General Atomics gestisce per il DOE a San Diego.

Le parti ridisegnate, chiamati scudi polari, proteggere i magneti negli iniettori dalle particelle energetiche del raggio e sostituirà le unità che si sono fuse e si sono rotte durante i precedenti esperimenti di fusione, con conseguente perdite d'acqua. I magneti reindirizzano i nuclei atomici carichi, o ioni, nei fasci a uno scarico ionico all'interno degli iniettori, permettendo solo agli atomi neutri di entrare nel plasma.

"Avevano un problema che doveva essere risolto. Alla fine, abbiamo trovato una soluzione che ha risolto il problema, ", ha affermato l'ingegnere PPPL Irving Zatz, che ha curato la progettazione, analisi e consegna degli scudi. Ha collaborato con gli ingegneri Andrei Khodak, che ha eseguito analisi al computer per verificare il nuovo design, e Alex Nagy, che dirige le collaborazioni di ingegneria PPPL su DIII-D. Il supporto per questo lavoro viene dal DOE Office of Fusion Energy Sciences.

Le nuove unità sono simili agli schermi che PPPL ha consegnato a DIII-D per l'installazione sul primo dei quattro iniettori della struttura nel 2014. Dopo mesi di utilizzo di tali schermi, "i risultati dell'ispezione non hanno mostrato segni di usura o danni, " ha detto Nagy.

Resistere a carichi termici più elevati

Il nuovo design resisterà ai carichi termici nettamente aumentati che gli iniettori dovrebbero produrre. I piani prevedono un aggiornamento della potenza massima dell'iniettore da 2,6 megawatt in impulsi di tre secondi a 3,2 megawatt in impulsi che dureranno il doppio.

I nuovi scudi sono costituiti da mezzo pollice di spessore, lastre di rame lunghe circa cinque piedi dotate di inserti del duro, metallo argenteo molibdeno al centro delle piastre, l'area che assorbirà più energia dal raggio. Gli inserti, che resistono allo scioglimento ad alte temperature, sono un'innovazione di design chiave originariamente proposta da Tim Scoville di General Atomics, il capo delle operazioni di raggio neutro a DIII-D.

Ogni nuovo scudo contiene 10 piastre di molibdeno che sono scanalate insieme come un puzzle, con una chiave di rame che li tiene in posizione. Questa configurazione si adatta a diversi gradi di espansione del calore e altre condizioni, e consentirà alle piastrelle di molibdeno di essere facilmente smontate e sostituite, senza smontaggio dell'iniettore.

Khodak ha utilizzato un codice software per esaminare come gli schermi hanno resistito a fattori che vanno dalla distribuzione dei carichi termici alle sollecitazioni nel rame e nel molibdeno che eserciteranno una potenza maggiore. I risultati hanno mostrato che il design ha soddisfatto o superato tutti i requisiti di prestazione.

"L'originale, le piastre interamente in rame in genere si guastano dopo circa cinque anni di servizio, " Disse Nagy. "La vita del nuovo design dello scudo polare è sconosciuta, ma dovrebbe aumentare significativamente il tempo di guasto per questo componente critico. La differenza tra i vecchi e i nuovi scudi è come confrontare i vecchi pneumatici a tele diagonali con i nuovi radiali con cintura d'acciaio".

Gli schermi polari non sono le uniche parti che PPPL sta aggiornando sugli iniettori a raggio neutro DIII-D. Il laboratorio ha progettato nuovi collimatori, che allineano i neutri in fasci paralleli, e calorimetri, che misurano il calore, per le macchine. La fabbricazione è in corso e la consegna dei componenti è prevista per l'autunno.

PPPL, al Forrestal Campus della Princeton University a Plainsboro, NJ, è dedicato alla creazione di nuove conoscenze sulla fisica dei plasmi:ultra-caldi, gas carichi e allo sviluppo di soluzioni pratiche per la creazione di energia da fusione. Il Laboratorio è gestito dall'Office of Science dell'Università per l'U.S. Department of Energy, che è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, visita science.energy.gov.