Zichen "Horus", studente laureato dell'Università del Tennessee, assembla un pezzo di un sistema di imaging diagnostico portatile che misurerà i parametri del plasma nei reattori sperimentali. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Le tecniche che Theodore Biewer ei suoi colleghi stanno usando per misurare se il plasma ha le condizioni giuste per creare la fusione sono in circolazione da un po'.
I laser specializzati e i componenti standard con cui stanno lavorando non sono una novità, o.
Ma assemblarli in un sistema diagnostico portatile che può essere caricato in un furgone e guidato in un tour attraverso il paese di prototipi sperimentali di reattori a fusione?
Biewer pensa che la sua squadra sarà la prima a farlo con successo, quest'estate.
Misurazione dei parametri del plasma
Da circa un anno, Biewer, un ricercatore nella Divisione per l'energia da fusione presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di energia, ha pensato a un modo per costruire un sistema portatile, utilizzando solo componenti disponibili in commercio, che può misurare con precisione la temperatura degli elettroni, temperatura ionica, e densità elettronica nei prototipi di fusione finanziati dall'Agenzia per l'energia (ARPA-E) del DOE.
ARPA-E sta finanziando nove progetti nell'ambito del suo programma ALPHA 2015, che, in caso di successo, potrebbe servire come base tecnologica per nuovi progetti di reattori. Ma l'agenzia aveva bisogno di un modo per dire se il plasma nei prototipi è abbastanza caldo, abbastanza denso, e contenuto abbastanza bene nel campo magnetico per produrre fusione. A gennaio 2019, l'agenzia ha sollecitato ulteriori proposte per costruire sistemi diagnostici portatili per misurare i parametri chiave in queste nuove macchine. La proposta del team di Biewer è stata selezionata la scorsa estate e ha ricevuto un finanziamento di poco più di 1 milione di dollari a novembre 2019.
A quel punto, Biewer, chi è il ricercatore principale, aveva già studiato i componenti disponibili in commercio per la spettroscopia di emissione ottica, una tecnica che utilizza la luce per misurare quali tipi di ioni sono presenti in quali concentrazioni e a quali temperature, e dispersione Thomson, che utilizza i laser per misurare la densità e la temperatura degli elettroni mediante la dispersione della luce laser dagli elettroni nel plasma.
Il ricercatore post-dottorato Nischal Kafle posiziona un componente per un dispositivo diagnostico di imaging al plasma portatile all'ORNL a febbraio. Il dispositivo, un progetto per ARPA-E, è costruito con parti standard. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Sei mesi ai risultati
Biewer ha affermato che lo scattering Thomson è il gold standard per misurare tali parametri, in parte perché produce dati utili senza bisogno di molte interpretazioni. La diffusione Thomson viene generalmente eseguita con laser di fascia alta che sono stati adattati e integrati in sistemi permanenti alloggiati in edifici climatizzati dedicati adiacenti ai reattori al plasma.
"Sono sistemi molto complicati che fanno davvero bene il lavoro, " ha detto Biewer. "Ma ARPA-E voleva essere in grado di spostare il sistema da una macchina all'altra. Quindi abbiamo proposto di utilizzare alcuni laser che non sono potenti come quelli utilizzati in questi sistemi permanenti, ma che hanno ancora energia sufficiente per portare a termine il lavoro".
Drew Elliott, membro dello staff di ricerca e sviluppo, ricercatore post-dottorato Nischal Kafle, e lo studente laureato dell'Università del Tennessee Zichen "Horus" Ha costruito il sistema su un carrello, assistito dallo specialista di strumentazione Wayne Garren e dal consigliere di He, Professore UT Zhili Zhang.
Il turnaround è veloce. entro marzo, Biewer spera di aver testato il sistema su una sorgente di plasma nell'Engineering Technology Center dell'ORNL. entro maggio, spera di avere dati da presentare alla 23a conferenza topica sulla diagnostica del plasma ad alta temperatura nel New Mexico.
E entro giugno, spera che il sistema arrivi al Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) nel New Jersey, inscatolato in un furgone dal parco macchine dell'ORNL, guidato dalla sua squadra.
Da sinistra, ricercatore post-dottorato Nischal Kafle, Studente laureato UT Zichen "Horus" He, specialista di strumentazione Wayne Garren, e il ricercatore principale Theodore Biewer della Fusion Energy Division dell'ORNL stanno con un dispositivo di diagnostica per immagini al plasma portatile che hanno costruito. (Non nella foto è il membro dello staff di ricerca e sviluppo Drew Elliott.) Dopo che il team ha aggiunto un laser, il dispositivo sarà pronto per essere testato all'ORNL prima di essere portato ad altre sorgenti di plasma sperimentali quest'estate e l'autunno. Credito:Laboratorio nazionale di Carlos Jones/Oak Ridge, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
'Hai laser, viaggerà'
Dopo 4-6 mesi di test del sistema su un dispositivo di fusione presso PPPL, il team lo porterà su un altro dispositivo di fusione presso l'Università di Washington a Seattle e lo testerà per circa lo stesso periodo di tempo. È possibile un viaggio per misurare un terzo dispositivo:"Avere laser, viaggerà, " ha detto Biewer.
La storia dell'ORNL come leader nell'energia da fusione ne ha fatto una posizione privilegiata per un progetto di questo tipo, anche in mezzo allo scetticismo sul fatto che un dispositivo portatile potesse produrre misurazioni abbastanza accurate da essere utili.
"Abbiamo esperienza da sistemi costruiti qui, " Biewer ha detto. "Sappiamo cosa ci vuole, e siamo in un momento opportuno nello sviluppo della tecnologia per riunire tutto questo in un pacchetto che possiamo guidare intorno a questi diversi dispositivi di fusione per misurare se possono fare ciò che diciamo che possono.
"Abbiamo abbastanza know-how che anche se incontriamo alcune insidie, sappiamo come tirarci fuori. Non puoi sapere tutto in anticipo, ma puoi adattarti agli eventi al volo."
L'allora capogruppo di Biewer, Jeff Harris, soprannominato il sistema "valigia Thomson scattering, " ma tutti i sistemi che ARPA-E sta finanziando per questo progetto sono portatili, ha detto Biewer. Ciò che rende unico il design del suo team è l'uso di componenti standard anziché parti personalizzate o ampiamente adattate.
Se funziona come previsto, il design alla fine potrebbe portare a un sistema prodotto in serie, oppure ARPA-E può continuare a finanziare la ricerca del team per migliorare il concetto.
"Il prossimo design potrebbe essere ancora migliore:più compatto, più accurato, " ha detto Biewer.
