Een belangrijke uitdaging voor wetenschappers die ernaar streven om op aarde de fusie-energie te produceren die de zon en de sterren aandrijft, is het voorkomen van zogenaamde weggelopen elektronen, deeltjes losgelaten in verstoorde fusie-experimenten die gaten in tokamaks kunnen boren, de donutvormige machines waarin de experimenten zijn ondergebracht. Wetenschappers onder leiding van onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe diagnose gebruikt met uitgebreide mogelijkheden om de geboorte te detecteren, en de lineaire en exponentiële groeifasen van op hol geslagen elektronen met hoge energie, waardoor onderzoekers kunnen bepalen hoe de schade aan de elektronen kan worden voorkomen.

Initiële energie

"We moeten deze elektronen zien op hun oorspronkelijke energie in plaats van wanneer ze volgroeid zijn en met bijna de lichtsnelheid bewegen, " zei PPPL-natuurkundige Luis Delgado-Aparicio, die het experiment leidde dat de vroege weglopers detecteerde op de Madison Symmetric Torus (MST) aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "De volgende stap is het optimaliseren van manieren om ze te stoppen voordat de op hol geslagen elektronenpopulatie kan uitgroeien tot een lawine, " zei Delgado-Aparicio, hoofdauteur van een eerste paper waarin de bevindingen in de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .

Fusiereacties produceren enorme hoeveelheden energie door lichte elementen te combineren in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken. Wetenschappers over de hele wereld proberen kernfusie op aarde te produceren en te beheersen voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie voor het opwekken van elektriciteit

PPPL werkte samen met de Universiteit van Wisconsin om de multi-energy pinhole-camera op MST te installeren, die diende als een testbed voor de mogelijkheden van de camera. De diagnostische upgrades en herontwerpen van een camera die PPPL eerder had geïnstalleerd op de nu geblindeerde Alcator C-Mod tokamak van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), en is uniek in zijn vermogen om niet alleen de eigenschappen van het plasma in tijd en ruimte vast te leggen, maar ook zijn energieverdeling.

Die bekwaamheid stelt onderzoekers in staat om zowel de evolutie van het superhete plasma als de geboorte van weggelopen elektronen te karakteriseren, die beginnen bij lage energie. "Als we de energie-inhoud begrijpen, kan ik je vertellen wat de dichtheid en temperatuur van het achtergrondplasma is, evenals de hoeveelheid weggelopen elektronen, "Zei Delgado Aparicio. "Dus door deze nieuwe energievariabele toe te voegen, kunnen we verschillende hoeveelheden plasma achterhalen en het als een diagnose gebruiken."

nieuwe camera

Het gebruik van de nieuwe camera brengt de technologie vooruit. "Dit is zeker een geweldige wetenschappelijke samenwerking geweest, " zei natuurkundige Carey Forest, een professor aan de Universiteit van Wisconsin die toezicht houdt op de MST, die hij beschrijft als "een zeer robuuste machine die op hol geslagen elektronen kan produceren die de werking ervan niet in gevaar brengen."

Als resultaat, Bos zei, "Luis' vermogen om niet alleen de geboorteplaats en initiële lineaire groeifase van de elektronen te diagnosticeren terwijl ze worden versneld, en vervolgens te volgen hoe ze van buiten naar binnen worden getransporteerd, is fascinerend. Het vergelijken van zijn diagnose met modellering zal de volgende stap zijn en natuurlijk kan een beter begrip in de toekomst leiden tot nieuwe mitigatietechnieken."

Delgado-Aparicio kijkt alvast vooruit. "Ik wil alle expertise die we hebben ontwikkeld over MST gebruiken en toepassen op een grote tokamak, " zei hij. Twee postdoctorale onderzoekers die Delgado-Aparicio overziet, kunnen voortbouwen op de MST-bevindingen, maar bij WEST, de Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak, geëxploiteerd door de Franse Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) in Cadarache, Frankrijk.

Gebruiksbereik

"Wat ik met mijn postdocs wil doen, is camera's gebruiken voor veel verschillende dingen, waaronder deeltjestransport, beperking, radiofrequentie verwarming en ook deze nieuwe draai, de diagnose en studie van weggelopen elektronen, "Zei Delgado-Aparicio. "We willen eigenlijk uitzoeken hoe we de elektronen een zachte landing kunnen geven, en dat zou een heel veilige manier kunnen zijn om ermee om te gaan."

Twee dozijn onderzoekers namen deel aan het onderzoek met Delgado-Aparicio en waren co-auteur van het artikel over dit werk. Inbegrepen waren zeven natuurkundigen van PPPL en acht van de Universiteit van Wisconsin. Bij hen waren in totaal drie onderzoekers van de Universiteit van Tokio, Kyushi University en de National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology in Japan; vijf leden van Dectris, een Zwitserse fabrikant van detectoren; en een natuurkundige van Edgewood College in Madison, Wisconsin.