Se stai inseguendo l'obiettivo sfuggente della fusione nucleare e pensi di aver bisogno di un reattore più grande per fare il lavoro, per prima cosa potresti voler sapere con precisione quanta energia in ingresso emerge dalla presa a muro sta arrivando al cuore della tua macchina.

Se da qualche parte durante quel viaggio potessi ridurre le perdite interne, potresti non aver bisogno di una macchina grande come pensavi.

Per determinare meglio le perdite di energia nella potente macchina Z di Sandia, dove negli ultimi due decenni e mezzo si sono verificati notevoli guadagni nei risultati della fusione, inclusa una triplicazione della produzione nel 2018, un team congiunto dei laboratori nazionali Sandia e Lawrence Livermore ha installato un sistema diagnostico laser aggiornato.

La ricerca per capire con precisione quanta potenza entra nella reazione di fusione di Z è diventata più pressante man mano che Z si muove nella produzione dell'enorme numero di neutroni che ora sono solo un fattore 40 al di sotto della pietra miliare in cui l'energia prodotta è uguale all'ingresso di energia, uno stato desiderabile noto come pareggio scientifico. Le correnti eccezionalmente grandi della macchina Z, circa 26 megampere, comprimono direttamente il combustibile di fusione alle condizioni estreme necessarie affinché si verifichino le reazioni di fusione.

Le reazioni di fusione di laboratorio - l'unione dei nuclei degli atomi - hanno scopi sia civili che militari. I dati utilizzati nelle simulazioni al supercomputer offrono informazioni sulle armi nucleari senza test sotterranei, un ambiente, vantaggio finanziario e politico. Più potente è la reazione, migliori sono i dati.

E, a lungo termine, la visione di raggiungere un rendimento straordinariamente elevato, una fonte di energia stabile e relativamente pulita è l'ambizione di molti ricercatori nel campo della fusione.

Un piccolo aiuto dai nostri laser

Il sistema diagnostico laser che Sandia ha sviluppato per aiutare a raggiungere questi miglioramenti era originariamente chiamato VISAR, per il sistema di interferometro di velocità per qualsiasi riflettore. VISAR prende le informazioni sulla potenza disponibile raccolte da un'area delle dimensioni di una punta di matita.

Il nuovo sistema, denominata Linea VISAR, è stato sviluppato in seguito a Lawrence Livermore. Analizza le informazioni raccolte nell'ambito più ampio reso disponibile attraverso una linea, invece di un punto, fonte.

Entrambe le innovazioni fanno rimbalzare un raggio laser su un bersaglio in movimento al centro di Z. Ma c'è una grande differenza tra le due tecniche.

VISAR utilizza un cavo in fibra per inviare un impulso laser da una posizione esterna stabile al centro della macchina. Là, l'impulso viene riflesso da un punto su un pezzo di metallo delle dimensioni di una monetina chiamato piatto volante. Il piatto del volantino, comportandosi come uno specchio, fa rimbalzare il segnale laser lungo il cavo. Ma poiché la piastra volante viene spinta in avanti dall'enorme impulso elettromagnetico di Z per una distanza di circa un millimetro in poche centinaia di nanosecondi, l'impulso di ritorno è leggermente sfasato rispetto alla versione in ingresso.

La misurazione della differenza di fase tra le due onde determina la velocità raggiunta dalla piastra volante in quel periodo. quella velocità, combinato matematicamente con la massa del piatto del volantino, viene quindi utilizzato per stimare quanta energia ha guidato la piastra. Perché il piatto si trova nel cuore della macchina, questa cifra è quasi identica all'energia che provoca le reazioni di fusione al centro della macchina. Questa osservazione era l'obiettivo di VISAR.

Ma il bersaglio puntuale non poteva spiegare le distorsioni nella stessa piastra del volantino causate dalle enormi pressioni create dal campo elettromagnetico che ne guida il movimento.

Prova l'ottica

Il miglioramento di Lawrence Livermore al dispositivo, ora installato in Z, era quello di inviare un raggio laser lungo un percorso del raggio ottico invece di un cavo in fibra. Passando attraverso le lenti e rimbalzando sugli specchi, La linea VISAR restituisce un'immagine visiva dell'impulso che colpisce l'intera lastra del volantino, piuttosto che restituire un singolo segnale elettrico da un unico punto sulla piastra del volantino.

I ricercatori studiano il contrasto tra l'immagine Line VISAR modificata di fase e un'immagine di riferimento invariata e quindi tagliata lungo una linea in modo da poter registrare un film ad altissima velocità con una quantità di dati ridotta ma utilizzabile. Analizzando il film, che mostra l'espansione e la deformazione della piastra del volantino lungo la linea, i ricercatori scoprono un quadro più vero della quantità di energia disponibile nel cuore della macchina.

"Poiché hai una risoluzione spaziale, ti dice più precisamente dove si verifica la perdita attuale, " disse Clayton Myers, che si occupa di esperimenti presso Z utilizzando Line VISAR.

I tecnici Sandia e Lawrence Livermore hanno modificato la Linea VISAR per lavorare a Z, dove tutto accade freneticamente nel cuore di una macchina che scuote le tazze di caffè in edifici a diverse centinaia di metri di distanza quando si accende, rispetto alla relativa calma dei licenziamenti al National Ignition Facility a Lawrence Livermore, dove banchi di laser siedono rimossi dalla sfera altrimenti tranquilla in cui avvengono gli spari.

"Il team Sandia è stato incaricato di integrare i vari componenti della Linea VISAR nell'infrastruttura esistente della macchina Z, " disse Myers. "Questo significava, tra l'altro, progettando un sistema di trasporto del raggio di 50 metri che forniva un buffer tra lo strumento e il suo bersaglio Z."

Tuttavia, l'ultima ottica della linea VISAR a Z deve essere sostituita ad ogni colpo perché rischia la distruzione quasi istantanea dall'energia erogata quando Z spara.

Come funziona il nuovo sistema di rilevamento? "Meraviglioso, " ha detto Myers. "Non riesco a credere alla precisione dei dati che stiamo ottenendo."