De technieken die Theodore Biewer en zijn collega's gebruiken om te meten of plasma de juiste omstandigheden heeft om fusie tot stand te brengen, bestaan ​​al een tijdje.

De gespecialiseerde lasers en kant-en-klare componenten waarmee ze werken zijn niets nieuws, of.

Maar ze samenvoegen tot een draagbaar diagnostisch systeem dat in een bestelwagen kan worden geladen en kan worden gereden op een tour door het hele land langs experimentele prototypen van fusiereactoren?

Biewer denkt dat zijn team de eerste zal zijn die dat deze zomer met succes zal doen.

Plasmaparameters meten

Ongeveer een jaar lang, biewer, een onderzoeker in de Fusion Energy Division van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, heeft nagedacht over een manier om een ​​draagbaar systeem te bouwen, alleen in de handel verkrijgbare componenten gebruiken, die de elektronentemperatuur nauwkeurig kan meten, ionen temperatuur, en elektronendichtheid in fusie-prototypes gefinancierd door DOE's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).

ARPA-E financiert negen projecten in het kader van het 2015 ALPHA-programma, dat, indien succesvol, zou kunnen dienen als technologische basis voor nieuwe reactorontwerpen. Maar het bureau had een manier nodig om te bepalen of het plasma in de prototypes heet genoeg is. dik genoeg, en goed genoeg in het magnetische veld om fusie te produceren. In januari 2019, het bureau vroeg om aanvullende voorstellen om draagbare diagnostische systemen te bouwen om belangrijke parameters in deze nieuwe machines te meten. Het voorstel van het team van Biewer werd afgelopen zomer geselecteerd en ontving in november 2019 iets meer dan $ 1 miljoen aan financiering.

Tegen die tijd, biewer, wie is hoofdonderzoeker, had al onderzoek gedaan naar de commercieel verkrijgbare componenten voor optische emissie spectroscopie, een techniek die licht gebruikt om te meten welke soorten ionen aanwezig zijn in welke concentraties en bij welke temperaturen, en Thomson verstrooiing, die lasers gebruikt om de elektronendichtheid en temperatuur te meten door de verstrooiing van het laserlicht van de elektronen in het plasma.

Zes maanden tot resultaten

Biewer zei dat Thomson-verstrooiing de gouden standaard is voor het meten van die parameters, deels omdat het gegevens produceert die nuttig zijn zonder dat er veel interpretatie nodig is. Thomson-verstrooiing wordt over het algemeen uitgevoerd met hoogwaardige lasers die zijn aangepast en ingebouwd in permanente systemen die zijn ondergebracht in speciale klimaatgecontroleerde gebouwen naast de plasmareactoren.

"Het zijn zeer gecompliceerde systemen die het werk echt goed doen, "Zei Biewer. "Maar ARPA-E wilde het systeem van machine naar machine kunnen verplaatsen. Daarom stelden we voor om lasers te gebruiken die niet zo krachtig zijn als de lasers die in deze permanente systemen worden gebruikt, maar die toch genoeg energie hebben om de klus te klaren."

R&D-medewerker Drew Elliott, postdoctoraal onderzoeker Nischal Kafle, en University of Tennessee afgestudeerde student Zichen "Horus" Hij heeft het systeem gebouwd op een rollend karretje, bijgestaan ​​door instrumentatiespecialist Wayne Garren en He's adviseur, UT-hoogleraar Zhili Zhang.

De afhandeling is snel. tegen maart, Biewer hoopt dat ze het systeem hebben getest op een plasmabron in het Engineering Technology Center van ORNL. Tegen mei, hij hoopt gegevens te hebben om te presenteren op de 23e Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics in New Mexico.

En tegen juni, hij hoopt dat het systeem op weg zal zijn naar het Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) in New Jersey, ingepakt in een bestelwagen van ORNL's motorpool, gedreven door zijn team.

'Laser, zal reizen'

Na 4-6 maanden testen van het systeem op een fusie-apparaat bij PPPL, het team zal het meenemen naar een ander fusie-apparaat aan de Universiteit van Washington in Seattle en het ongeveer even lang testen. Een reis om een ​​derde apparaat te meten is mogelijk:"Heb laser, zal reizen, ' zei Biewer.

ORNL's geschiedenis als leider op het gebied van fusie-energie maakte het een uitstekende locatie voor een project van dit soort - zelfs ondanks de scepsis dat een draagbaar apparaat metingen zou kunnen produceren die nauwkeurig genoeg zijn om bruikbaar te zijn.

"We hebben ervaring met hier gebouwde systemen, " zei Biewer. "We weten wat ervoor nodig is, en we bevinden ons in een gunstige tijd in de technologische ontwikkeling om dit alles samen te brengen in een pakket dat we kunnen rondleiden naar deze verschillende fusie-apparaten om te meten of ze kunnen doen wat we zeggen dat ze kunnen.

"We hebben genoeg knowhow om, zelfs als we een aantal valkuilen tegenkomen, we weten hoe we eruit moeten komen. Je kunt niet alles van tevoren weten, maar je kunt je meteen aanpassen aan gebeurtenissen."

Biewer's toenmalige groepsleider, Jef Harris, bijgenaamd het systeem "koffer Thomson verstrooiing, " maar alle systemen die ARPA-E financiert voor dit project zijn draagbaar, zei Biewer. Wat het ontwerp van zijn team uniek maakt, is het gebruik van kant-en-klare componenten in plaats van op maat gemaakte of uitgebreid aangepaste onderdelen.

Als het werkt zoals verwacht, het ontwerp zou uiteindelijk kunnen leiden tot een in massa geproduceerd systeem, of ARPA-E kan het onderzoek van het team blijven financieren om het concept te verbeteren.

"Het volgende ontwerp is misschien nog beter:compacter, nauwkeuriger, ' zei Biewer.