Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een diagnose ontwikkeld die cruciale realtime informatie biedt over het ultrahete plasma dat ronddraait in donutvormige fusiemachines die bekend staan ​​als tokamaks. Dit apparaat bewaakt vier locaties in een plasma, waardoor de diagnosticus snelle berekeningen kan maken van hoe de snelheidsprofielen van ionen in het plasma zich in de loop van de tijd ontwikkelen.

De resultaten behoren tot de eerste die zijn verkregen van PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), de onlangs opgewaardeerde vlaggenschipmachine van het laboratorium. Dit onderzoek werd ondersteund door het DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).

In een artikel in het novembernummer van 2016 Plasmafysica en gecontroleerde fusie , natuurkundigen Mario Podestà en Ron Bell melden de succesvolle inbedrijfstelling en werking van het apparaat, een real-time snelheids (RTV) diagnostiek genoemd, die onderdeel zouden kunnen worden van een systeem voor het actief regelen van de snelheid van plasmarotatie. "Controle van rotatie is van cruciaal belang voor het optimaliseren van de plasmastabiliteit tegen een reeks instabiliteiten, " merkte Stan Kaye op, plaatsvervangend programmadirecteur voor NSTX-U. Een dergelijke stabiliteit is essentieel om fusiereacties te laten plaatsvinden.

De diagnostiek verzamelt informatie door te observeren wat er gebeurt als een straal neutrale atomen in het plasma wordt geïnjecteerd. Wanneer deze atomen een interactie aangaan met geladen koolstofionen in het plasma, de aangeslagen koolstofatomen produceren een foton van licht dat de diagnosticus detecteert. Het instrument leidt de snelheid van de plasma-ionen af ​​door rekening te houden met het Doppler-effect - hetzelfde proces dat ervoor zorgt dat de toonhoogte van sirenes hoger klinkt als ze op iemand afstormen en lager als ze wegrennen.

Het kleine aantal benodigde metingen is cruciaal voor de rekensnelheid. "Het is als het verschil tussen het bouwen van een straatauto en een raceauto, " zei Podestà. "Als je een raceauto bouwt, je verwijdert alles wat niet nodig is en pusht om de prestaties te verbeteren. evenzo, deze vier metingen geven de minimale hoeveelheid informatie om de snelheid van het plasma af te leiden naarmate de plasmaontlading evolueert." eerdere experimenten op de tokamak voorafgaand aan de upgrade laten zien dat vier metingen - elk geoptimaliseerd om de maximale hoeveelheid licht te verzamelen - alle onderzoekers nodig hebben om de plasmarotatie te regelen, gezien de ingebouwde beperkingen van NSTX-U.

Realtime snelheidsmeting is niet uniek. Andere tokamaks, zoals de Joint European Torus (JET) in Engeland en JT-60U in Japan, hebben diagnostiek die snelheden in realtime meet, hoewel met een lagere bemonsteringsfrequentie dan in de RTV-diagnose. Podestà en Bell wilden een diagnose die een completer beeld gaf van het snelheidsprofiel van het plasma. Om zo'n foto te maken, moest de locatie van de vier meetpunten zeer zorgvuldig worden gekozen.

"In aanvulling, " zei Podestà, "plasma's in NSTX-U kunnen evolueren op tijdschalen die sneller zijn dan die welke gewoonlijk worden waargenomen in JET of JT-60U. Daarom, we moesten meten met hogere bemonsteringsfrequenties om een ​​beter idee te hebben van hoe de snelheid verandert in de loop van de tijd tijdens een plasmaontlading."

Door zijn snelle berekeningen, de RTV-diagnostiek zou ooit in een groter systeem kunnen passen waarmee wetenschappers het snelheidsprofiel van een plasma kunnen verfijnen en de prestaties van het plasma tijdens fusieoperaties kunnen optimaliseren.

PPPL, op de Forrestal Campus van Princeton University in Plainsboro, NJ, is gewijd aan het creëren van nieuwe kennis over de fysica van plasma's - ultraheet, geladen gassen - en het ontwikkelen van praktische oplossingen voor het creëren van fusie-energie. Het laboratorium wordt beheerd door de University for the U.S. Department of Energy's Office of Science, die de grootste voorstander is van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten, en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Voor meer informatie, ga naar science.energy.gov.