Als je het ongrijpbare doel van kernfusie najaagt en denkt dat je een grotere reactor nodig hebt om het werk te doen, u wilt misschien eerst precies weten hoeveel ingangsenergie die uit de wandstekker komt, het hart van uw machine bereikt.

Als je ergens tijdens die reis interne verliezen zou kunnen verminderen, je hebt misschien niet zo'n grote machine nodig als je dacht.

Om energielekken bij Sandia's krachtige Z-machine, waar de afgelopen twee en een half decennium opmerkelijke winsten in fusie-output zijn behaald, beter te kunnen bepalen, inclusief een verdrievoudiging van de output in 2018 - een gezamenlijk team van de nationale laboratoria van Sandia en Lawrence Livermore heeft een verbeterd laserdiagnosesysteem geïnstalleerd.

De zoektocht om nauwkeurig te begrijpen hoeveel kracht er in de fusiereactie van Z komt, is dringender geworden naarmate Z het enorme aantal neutronen gaat produceren dat nu slechts een factor 40 onder de mijlpaal ligt waar de energie-output gelijk is aan de energie-input, een wenselijke staat die bekend staat als wetenschappelijke break-even. De uitzonderlijk grote stromen van de Z-machine - ongeveer 26 megaampère - comprimeren fusiebrandstof direct tot de extreme omstandigheden die nodig zijn om fusiereacties te laten plaatsvinden.

Laboratoriumfusiereacties - het samenvoegen van de kernen van atomen - hebben zowel civiele als militaire doeleinden. Gegevens die worden gebruikt in supercomputersimulaties bieden informatie over kernwapens zonder ondergrondse tests, een milieu, financieel en politiek pluspunt. Hoe krachtiger de reactie, hoe beter de gegevens.

En, op langere termijn, de visie om een ​​buitengewoon hoog rendement te behalen, stabiele en relatief schone energiebron is de ambitie van veel onderzoekers op het gebied van fusie.

Een beetje hulp van onze lasers

Het laserdiagnosesysteem dat Sandia heeft ontwikkeld om deze verbeteringen te helpen realiseren, heette oorspronkelijk VISAR, voor Velocity Interferometer System voor elke reflector. VISAR haalt informatie over het beschikbare vermogen uit een gebied ter grootte van een potloodpunt.

Het nieuwe systeem, genaamd Lijn VISAR, werd later ontwikkeld bij Lawrence Livermore. Het analyseert informatie die is verzameld binnen het grotere bereik dat beschikbaar wordt gesteld via een lijn, in plaats van een punt, bron.

Beide innovaties weerkaatsen een laserstraal van een bewegend doel in het midden van Z. Maar er is een groot verschil tussen de twee technieken.

VISAR gebruikt een glasvezelkabel om een ​​laserpuls van een stabiele buitenlocatie naar het midden van de machine te sturen. Daar, de puls wordt gereflecteerd vanaf een punt op een stuk metaal ter grootte van een dubbeltje dat een vliegplaat wordt genoemd. De flyerplaat, gedraagt ​​zich als een spiegel, kaatst het lasersignaal terug langs de kabel. Maar omdat de vliegplaat door Z's enorme elektromagnetische puls over een afstand van ongeveer een millimeter in een paar honderd nanoseconden wordt voortgestuwd, de terugkerende puls is iets uit fase met de ingangsversie.

Door het faseverschil tussen de twee golven te meten, wordt de snelheid bepaald die de vliegplaat in die periode bereikt. Die snelheid, wiskundig gecombineerd met de massa van de flyerplaat, wordt vervolgens gebruikt om te schatten hoeveel energie de plaat heeft aangedreven. Omdat de plaat in het hart van de machine zit, dit cijfer is bijna identiek aan de energie die fusiereacties veroorzaakt in het midden van de machine. Deze observatie was het doel van VISAR.

Maar het puntdoel kon de vervormingen in de vliegplaat zelf niet verklaren, veroorzaakt door de enorme druk die wordt gecreëerd door het elektromagnetische veld dat zijn beweging aanstuurt.

Probeer optiek

Lawrence Livermore's verbetering aan het apparaat, nu geïnstalleerd bij Z, was om een ​​laserstraal langs een optisch straalpad te sturen in plaats van een glasvezelkabel. Door lenzen gaan en tegen spiegels weerkaatsen, Lijn VISAR geeft een visueel beeld van de puls die de hele flyerplaat raakt, in plaats van een enkel elektrisch signaal terug te sturen vanaf een enkel punt op de flyerplaat.

Onderzoekers bestuderen het contrast tussen het in fase veranderde lijn VISAR-beeld en een ongewijzigd referentiebeeld en vervolgens langs een lijn gesneden zodat een ultrasnelle film met een verminderde maar werkbare hoeveelheid gegevens kan worden opgenomen. Door de film te analyseren, die de uitzetting en vervorming van de flyerplaat langs de lijn laat zien, onderzoekers ontdekken een getrouwer beeld van de hoeveelheid energie die beschikbaar is in het hart van de machine.

"Omdat je ruimtelijke resolutie hebt, het vertelt u nauwkeuriger waar stroomverlies optreedt, zei Clayton Myers, die verantwoordelijk is voor experimenten bij Z met Line VISAR.

Technici van Sandia en Lawrence Livermore hebben de Line VISAR aangepast om bij Z te werken, waar alles druk gebeurt in het hart van een machine die koffiekopjes schudt in gebouwen op honderden meters afstand als hij brandt, vergeleken met de relatieve rust van de vuren op de National Ignition Facility in Lawrence Livermore, waar laserbanken zitten verwijderd van de anders zo rustige sfeer waarin wordt geschoten.

"Het Sandia-team kreeg de taak om de verschillende Line VISAR-componenten te integreren in de bestaande infrastructuur van de Z-machine, "zei Myers. "Dit betekende, onder andere, engineering van een 50-meter bundeltransportsysteem dat een buffer vormde tussen het instrument en zijn Z-doel."

Hoe dan ook, de laatste optiek van Line VISAR bij Z moet voor elk schot worden vervangen, omdat het bijna onmiddellijk wordt vernietigd door de energie die wordt geleverd als Z afvuurt.

Hoe werkt het nieuwe detectiesysteem? "Geweldig, "zei Myers. "Ik kan de precisie van de gegevens die we krijgen nauwelijks geloven."