I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno misurato un nuovo record per un dispositivo di fusione rivestito internamente in tungsteno, l'elemento che potrebbe essere la soluzione migliore per le macchine su scala commerciale necessarie per rendere praticabile la fusione. fonte di energia per il mondo.
Il dispositivo ha sostenuto un plasma di fusione calda di circa 50 milioni di gradi Celsius per un record di sei minuti con 1,15 gigajoule di potenza iniettata, il 15% in più di energia e il doppio della densità rispetto a prima. Il plasma dovrà essere caldo e denso per generare energia affidabile per la rete.
Il record è stato stabilito in un dispositivo di fusione noto come WEST, l'ambiente di tungsteno (W) nello stato stazionario di Tokamak, gestito dalla Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA). PPPL collabora da tempo con WEST, che fa parte del gruppo dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica per il coordinamento delle sfide internazionali sulle operazioni di lunga durata (CICLOP).
Questo traguardo rappresenta un passo importante verso gli obiettivi del programma CICLOP. I ricercatori presenteranno un articolo per la pubblicazione nelle prossime settimane.
"Dobbiamo fornire una nuova fonte di energia e la fonte dovrebbe essere continua e permanente", ha affermato Xavier Litaudon, scienziato CEA e presidente del CICLOP. Litaudon ha affermato che il lavoro di PPPL presso WEST è un eccellente esempio.
"Questi sono risultati meravigliosi. Abbiamo raggiunto un regime stazionario nonostante ci trovassimo in un ambiente difficile a causa di questo muro di tungsteno."
Remi Dumont, capo del gruppo di sperimentazione e sviluppo del plasma dell'Istituto per la ricerca sulla fusione magnetica del CEA, è stato il coordinatore scientifico dell'esperimento, definendolo "un risultato spettacolare".
I ricercatori del PPPL hanno utilizzato un nuovo approccio per misurare diverse proprietà della radiazione plasmatica. Il loro approccio prevedeva un rilevatore di raggi X appositamente adattato, originariamente realizzato da DECTRIS, un produttore di elettronica, e successivamente incorporato nel tokamak WEST, una macchina che confina il plasma, il quarto stato ultracaldo della materia, in un recipiente a forma di ciambella utilizzando magneti magnetici. campi.
"Il gruppo di raggi X del Dipartimento Progetti Avanzati di PPPL sta sviluppando tutti questi strumenti innovativi per tokamak e stellarator in tutto il mondo", ha affermato Luis Delgado-Aparicio, capo dei progetti avanzati di PPPL e scienziato capo per la ricerca fisica e i raggi X. progetto del rilevatore.
Questo è solo un esempio dei punti di forza di PPPL nella diagnostica:strumenti di misurazione specializzati utilizzati, in questo caso, per caratterizzare i plasmi di fusione calda.
"La comunità della fusione al plasma è stata tra le prime a testare la tecnologia ibrida di conteggio dei fotoni per monitorare la dinamica del plasma", ha affermato Nicolas Pilet, responsabile delle vendite di DECTRIS.
"Oggi, WEST ha ottenuto risultati senza precedenti e vorremmo congratularci con il team per il successo ottenuto. La fusione al plasma è un campo scientifico affascinante che rappresenta una grande promessa per l'umanità. Siamo incredibilmente orgogliosi di contribuire a questo sviluppo con i nostri prodotti e siamo entusiasti grazie alla nostra eccellente collaborazione."
Gli scienziati di tutto il mondo stanno provando diversi metodi per estrarre in modo affidabile il calore dal plasma mentre subisce una reazione di fusione. Ma questo si è rivelato particolarmente impegnativo, in parte perché il plasma deve essere confinato abbastanza a lungo da rendere il processo economico a temperature molto più calde rispetto al centro del sole.
Una versione precedente del dispositivo, il Tore Supra, otteneva una reazione o uno sparo leggermente più lungo, ma all'epoca l'interno della macchina era fatto di piastrelle di grafite.
Sebbene il carbonio renda l'ambiente più facile per i reattori a lunga distanza, potrebbe non essere adatto per un reattore su larga scala perché tende a trattenere il combustibile nella parete, il che sarà inaccettabile in un reattore in cui è efficiente il recupero del trizio dalla camera del reattore e la reintroduzione nel plasma sarà fondamentale.
Il tungsteno è vantaggioso perché trattiene molto meno combustibile, ma se anche piccole quantità di tungsteno entrano nel plasma, le radiazioni del tungsteno possono raffreddare rapidamente il plasma.
"L'ambiente delle pareti di tungsteno è molto più impegnativo dell'utilizzo del carbonio", ha affermato Delgado-Aparicio. "Questa è, semplicemente, la differenza tra provare ad afferrare il tuo gattino a casa e provare ad accarezzare il leone più selvaggio."
Il tiro è stato misurato utilizzando un nuovo approccio sviluppato dai ricercatori PPPL. L'hardware per lo strumento di misurazione, o strumento diagnostico, è stato realizzato da DECTRIS e modificato da Delgado-Aparicio e altri membri del suo gruppo di ricerca, tra cui i ricercatori del PPPL Tullio Barbui, Oulfa Chellai e Novimir Pablant.
"La diagnostica misura fondamentalmente la radiazione di raggi X prodotta dal plasma", ha detto Barbui del dispositivo, noto come fotocamera a raggi X molli multi-energia (ME-SXR).
"Attraverso la misura di questa radiazione, possiamo dedurre proprietà molto importanti del plasma, come la temperatura degli elettroni nel vero nucleo del plasma, dove è più caldo."
Di serie, la diagnostica DECTRIS può normalmente essere configurata con tutti i pixel impostati sullo stesso livello di energia. PPPL ha sviluppato una nuova tecnica di calibrazione che consente di impostare l'energia in modo indipendente per ciascun pixel.
Barbui ha affermato che l'approccio presenta vantaggi rispetto alla tecnica esistente utilizzata in WEST, che può essere difficile da calibrare e genera letture che a volte sono influenzate dalle onde a radiofrequenza utilizzate per riscaldare il plasma. "Le onde a radiofrequenza non disturbano la nostra diagnostica", ha detto Barbui.
"Durante la ripresa di sei minuti, siamo stati in grado di misurare abbastanza bene la temperatura dell'elettrone centrale. Era in uno stato molto stabile di circa 4 kilovolt. È stato un risultato davvero notevole", ha detto.
La diagnostica cerca la luce proveniente da un tipo specifico di radiazione nota come Bremsstrahlung, che viene prodotta quando un elettrone cambia direzione e rallenta. La sfida iniziale era capire quali frequenze della luce proveniente da Bremsstrahlung cercare perché sia il plasma che le pareti di tungsteno possono emettere questo tipo di radiazioni, ma le misurazioni devono concentrarsi sul plasma.
"La banda di energia dei fotoni tra 11 e 18 kiloelettronvolt (keV) ci ha offerto una bella finestra di opportunità dall'emissione del nucleo mai esplorata prima e quindi ha influenzato la nostra decisione di campionare attentamente questa gamma", ha affermato Delgado-Aparicio.
"Normalmente, quando si applica questa tecnica, si effettuano solo due misurazioni. Questa è la prima volta che effettuiamo una serie di misurazioni", ha affermato Barbui.
Delgado-Aparicio ha inoltre sottolineato che "la speciale calibrazione del nostro rilevatore ci ha permesso di ottenere letture per ciascun livello di energia compreso tra 11 e 18 keV, per ciascuna linea di vista della telecamera, campionando l'intera sezione trasversale."
Vengono effettuate circa 10 misurazioni al secondo. Il trucco sta nell'utilizzare l'intensità dell'energia più bassa di 11 keV come livello di riferimento e le misurazioni delle altre sette intensità vengono confrontate con quella iniziale. In definitiva, questo processo produce sette letture simultanee della temperatura per linea visiva, da qui l'elevata precisione della misurazione.
"Questa capacità innovativa è ora pronta per essere esportata in molte macchine negli Stati Uniti e in tutto il mondo", ha affermato Delgado-Aparicio.
"Dalle otto diverse misurazioni di intensità, abbiamo ottenuto la soluzione migliore, che era compresa tra 4 e 4,5 kilovolt per il plasma centrale. Ciò rappresenta quasi 50 milioni di gradi e per un massimo di sei minuti", ha affermato Delgado-Aparicio.
Le letture diagnostiche possono essere utilizzate non solo per calcolare la temperatura degli elettroni nel plasma ma anche la carica del plasma e la densità delle impurità nel plasma, che è in gran parte tungsteno migrato dalle pareti del tokamak.
"Questo particolare sistema è il primo di questo tipo con discriminazione energetica. Come tale, può fornire informazioni sulla temperatura e molti dettagli sull'esatto contenuto di impurità - principalmente tungsteno - nella scarica, che è una quantità cruciale per operare in qualsiasi ambiente metallico .
"È spettacolare", ha detto Dumont. Sebbene questi dati possano essere dedotti da diversi altri strumenti diagnostici e supportati con la modellazione, Dumont ha descritto questo nuovo metodo come "più diretto".
Barbui ha affermato che la diagnostica può raccogliere ancora più informazioni negli esperimenti futuri. "Questo rilevatore ha la capacità unica di poter essere configurato per misurare lo stesso plasma con tutte le energie desiderate", ha affermato Barbui. "Ora abbiamo selezionato otto energie, ma avremmo potuto selezionarne 10 o 15."
Litaudon ha affermato di essere lieto di avere a disposizione questo strumento diagnostico per il programma CICLOP. "In effetti, questa fotocamera con risoluzione energetica aprirà una nuova strada in termini di analisi", ha affermato.
"È estremamente impegnativo gestire una struttura con una parete di tungsteno. Ma grazie a queste nuove misurazioni, avremo la capacità di misurare il tungsteno all'interno del plasma e di comprendere il trasporto del tungsteno dalla parete al nucleo del plasma."
Litaudon afferma che questo potrebbe aiutarli a ridurre al minimo la quantità di tungsteno nel nucleo del plasma per garantire condizioni operative ottimali per la fusione. "Grazie a questa diagnostica, possiamo comprendere questo problema e andare alla radice della fisica sia per la misurazione che per la simulazione."
Anche i lunghi calcoli al computer effettuati da Dumont, Pierre Manas e Theo Fonghetti del CEA hanno confermato un buon accordo tra le simulazioni pertinenti e le misurazioni riportate dal team PPPL.
Dumont ha inoltre osservato che la fotocamera ME-SXR si basa sull'importante lavoro diagnostico del laboratorio presso WEST. "Il ME-SXR è solo una parte di un contributo più globale di diagnostica da PPPL a CEA/WEST", ha affermato Dumont, notando la telecamera a raggi X duri e lo spettrometro a cristalli per immagini a raggi X.
"Questa collaborazione ci aiuta molto. Con questa combinazione di diagnostica, saremo in grado di eseguire misurazioni molto accurate nel plasma e di controllarlo in tempo reale."
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
