Fusiekracht, die de zon en de sterren verlicht, heeft temperaturen van miljoenen graden nodig om de deeltjes in plasma samen te smelten, een soep van geladen gas die fusiereacties voedt. Hier op aarde, wetenschappers die fusie ontwikkelen als een veilige, schone en overvloedige energiebron moet temperaturen produceren die heter zijn dan de kern van de zon in donutvormige faciliteiten die tokamaks worden genoemd. Een groot deel van het vermogen dat nodig is om deze temperaturen te bereiken, komt van hoogenergetische stralen die natuurkundigen in het plasma pompen via apparaten die bekend staan ​​als neutrale straalinjectoren.

Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), ingenieurs hebben onlangs een reeks innovatieve nieuwe componenten ontworpen en geleverd voor de neutrale bundelinjectoren die plasma verwarmen in de DIII-D National Fusion Facility, de tokamak die General Atomics exploiteert voor DOE in San Diego.

De opnieuw ontworpen onderdelen, genaamd pool schilden, magneten in de injectoren beschermen tegen de energetische deeltjes van de straal en eenheden zullen vervangen die tijdens eerdere fusie-experimenten zijn gesmolten en gebarsten, waterlekkage tot gevolg. De magneten sturen geladen atoomkernen om, of ionen, in de balken naar een ionenstortplaats in de injectoren, waardoor alleen neutrale atomen in het plasma kunnen komen.

"Ze hadden een probleem dat opgelost moest worden. Uiteindelijk we kwamen met een oplossing die het probleem oploste, " zei PPPL-ingenieur Irving Zatz, die toezicht hield op het ontwerp, analyse en levering van de schilden. Hij werkte samen met ingenieurs Andrei Khodak, die computeranalyses uitvoerde om het nieuwe ontwerp te verifiëren, en Alex Nagy, die aan het hoofd staat van PPPL-engineeringsamenwerkingen op DIII-D. Ondersteuning voor dit werk komt van het DOE Office of Fusion Energy Sciences.

De nieuwe eenheden zijn vergelijkbaar met schilden die PPPL aan DIII-D heeft geleverd voor installatie op de eerste van de vier injectoren van de faciliteit in 2014. Na maanden van gebruik van die schilden, "inspectieresultaten vertoonden geen tekenen van slijtage of schade, ' zei Nagy.

Bestand tegen hogere warmtebelastingen

Het nieuwe ontwerp is bestand tegen de sterk verhoogde warmtebelasting die de injectoren moeten produceren. Plannen vragen om een ​​upgrade van het maximale vermogen van de injector van 2,6 megawatt in pulsen van drie seconden naar 3,2 megawatt in pulsen die twee keer zo lang zullen duren.

De nieuwe schilden bestaan ​​uit een halve inch dikke, ongeveer anderhalve meter lange koperen platen uitgerust met inzetstukken van de harde, zilverachtig metaalmolybdeen in het midden van de platen, het gebied dat de meeste energie van de straal zal absorberen. de inzetstukken, die bestand zijn tegen smelten bij hoge temperaturen, zijn een belangrijke ontwerpinnovatie die oorspronkelijk werd voorgesteld door Tim Scoville van General Atomics, het hoofd van de neutrale straaloperaties bij DIII-D.

Elk nieuw schild bevat 10 molybdeenplaten die als een puzzel in elkaar zijn gegroefd, met een koperen sleutelstuk dat ze op hun plaats houdt. Deze opstelling is geschikt voor verschillende graden van warmte-uitzetting en andere omstandigheden, en zal het mogelijk maken dat de molybdeentegels gemakkelijk kunnen worden gedemonteerd en vervangen, zonder demontage van de injector.

Khodak gebruikte een softwarecode om te onderzoeken hoe de schilden bestand waren tegen factoren variërend van de verdeling van warmtebelastingen tot de spanningen in het koper en molybdeen die een grotere kracht zal uitoefenen. De resultaten toonden aan dat het ontwerp aan alle prestatie-eisen voldeed of deze overtrof.

"Het origineel, volledig koperen platen falen meestal na ongeveer vijf jaar dienst, "Zei Nagy. "De levensduur van het nieuwe ontwerp van het poolschild is onbekend, maar zou de time-to-failure voor dit kritieke onderdeel aanzienlijk moeten verlengen. Het verschil tussen de oude en nieuwe schilden is als het vergelijken van oude diagonaalbanden met nieuwe radialen met stalen gordel."

Paalafschermingen zijn niet de enige onderdelen die PPPL aan het upgraden is op de DIII-D neutrale straalinjectoren. Het laboratorium heeft nieuwe collimators ontworpen, die de neutralen in parallelle bundels uitlijnen, en calorimeters, die warmte meten, voor de automaten. De fabricage is in volle gang en de levering van de componenten staat gepland voor de herfst.

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.