PPPL-onderzoekers gebruikten een nieuwe aanpak om verschillende eigenschappen van plasmastraling te meten. Hun aanpak omvatte een speciaal aangepaste röntgendetector, oorspronkelijk gemaakt door DECTRIS, een elektronicafabrikant, en later ingebed in de WEST-tokamak, een machine die plasma – de ultrahete vierde toestand van materie – opsluit in een donutvormig vat met behulp van magnetische straling. velden.

"De röntgengroep van de afdeling Geavanceerde Projecten van PPPL ontwikkelt al deze innovatieve hulpmiddelen voor tokamaks en stellarators over de hele wereld", zegt Luis Delgado-Aparicio, hoofd geavanceerde projecten van PPPL en hoofdwetenschapper voor natuurkundig onderzoek en röntgenonderzoek. detectorproject.

Dit is slechts één voorbeeld van de sterke punten van PPPL op het gebied van diagnostiek:gespecialiseerde meetinstrumenten die in dit geval worden gebruikt om hete fusieplasma's te karakteriseren.

"De plasmafusiegemeenschap was een van de eersten die de hybride technologie voor het tellen van fotonen testte om de plasmadynamiek te monitoren", zegt Nicolas Pilet, hoofd verkoop van DECTRIS.

"Vandaag heeft WEST ongekende resultaten behaald en we willen het team graag feliciteren met hun succes. Plasmafusie is een fascinerend wetenschappelijk vakgebied dat grote beloftes inhoudt voor de mensheid. We zijn ongelooflijk trots om met onze producten aan deze ontwikkeling bij te dragen, en zijn blij door onze uitstekende samenwerking."

Wetenschappers over de hele wereld proberen verschillende methoden uit om op betrouwbare wijze warmte uit plasma te halen terwijl het een fusiereactie ondergaat. Maar dit blijkt bijzonder lastig te zijn, deels omdat het plasma lang genoeg moet worden opgesloten om het proces rendabel te maken bij temperaturen die veel hoger zijn dan het centrum van de zon.

Een eerdere versie van het apparaat, Tore Supra, bereikte een iets langere reactie, oftewel schot, maar destijds was het interieur van de machine gemaakt van grafiettegels.

Hoewel koolstof de omgeving gemakkelijker maakt voor afstandsschoten, is het mogelijk niet geschikt voor een grootschalige reactor omdat de koolstof de neiging heeft de brandstof in de wand vast te houden, wat onaanvaardbaar zal zijn in een reactor waar efficiënt tritium uit de reactorkamer wordt teruggewonnen en herintroductie in het plasma zal van het grootste belang zijn.

Wolfraam heeft het voordeel dat het veel minder brandstof vasthoudt, maar als zelfs maar kleine hoeveelheden wolfraam in het plasma terechtkomen, kan de straling van het wolfraam het plasma snel afkoelen.

"De wolfraamwandomgeving is veel uitdagender dan het gebruik van koolstof", zegt Delgado-Aparicio. "Dit is simpelweg het verschil tussen proberen je kitten thuis te grijpen en de wildste leeuw te aaien."

Nieuwe diagnostische maatregelen, recordopname

Het schot werd gemeten met behulp van een nieuwe aanpak ontwikkeld door PPPL-onderzoekers. De hardware voor het meetinstrument, of diagnostiek, is gemaakt door DECTRIS en aangepast door Delgado-Aparicio en anderen in zijn onderzoeksteam, waaronder PPPL-onderzoekers Tullio Barbui, Oulfa Chellai en Novimir Pablant.

"De diagnose meet feitelijk de röntgenstraling die door het plasma wordt geproduceerd", zei Barbui over het apparaat, bekend als een multi-energie zachte röntgencamera (ME-SXR).

"Door het meten van deze straling kunnen we zeer belangrijke eigenschappen van het plasma afleiden, zoals de elektronentemperatuur in de echte kern van het plasma, waar deze het heetst is."

Standaard kan de DECTRIS-diagnose normaal gesproken worden geconfigureerd met alle pixels ingesteld op hetzelfde energieniveau. PPPL heeft een nieuwe kalibratietechniek ontwikkeld waarmee ze de energie voor elke pixel onafhankelijk kunnen instellen.

Barbui zei dat de aanpak voordelen heeft ten opzichte van de bestaande techniek die in WEST wordt gebruikt, die moeilijk te kalibreren kan zijn en metingen genereert die soms worden beïnvloed door de radiofrequentiegolven die worden gebruikt om het plasma te verwarmen. "Radiofrequentiegolven storen onze diagnose niet", zei Barbui.

"Tijdens de zes minuten durende opname konden we heel mooi de centrale elektronentemperatuur meten. Deze bevond zich in een zeer stabiele toestand van ongeveer 4 kilovolt. Het was een behoorlijk opmerkelijk resultaat", zei hij.

Op zoek naar licht op het juiste energieniveau

De diagnose zoekt naar licht van een specifiek soort straling, bekend als Bremsstrahlung, dat wordt geproduceerd wanneer een elektron van richting verandert en vertraagt. De eerste uitdaging was uitzoeken naar welke lichtfrequenties uit Bremsstrahlung moet worden gezocht, omdat zowel het plasma als de wolfraamwanden dit soort straling kunnen uitzenden, maar de metingen moeten zich op het plasma concentreren.

"De fotonenergieband tussen 11 en 18 kilo-elektronvolt (keV) bood ons een mooie kans op de kernemissie die nog nooit eerder was onderzocht en beïnvloedde zo onze beslissing om dit bereik zorgvuldig te bemonsteren", aldus Delgado-Aparicio.

"Normaal gesproken voer je, wanneer deze techniek wordt toegepast, slechts twee metingen uit. Dit is de eerste keer dat we een reeks metingen hebben uitgevoerd", aldus Barbui.

Delgado-Aparicio wees er ook op dat "de speciale kalibratie van onze detector ons in staat stelde metingen te verkrijgen voor elk energieniveau tussen 11 en 18 keV, voor elke gezichtslijn van de camera, terwijl we de hele dwarsdoorsnede bemonsterden."

Er worden ongeveer 10 metingen per seconde uitgevoerd. De truc is om de intensiteit van de laagste 11 keV-energie als referentieniveau te gebruiken, en metingen van de andere zeven intensiteiten worden vergeleken met de oorspronkelijke. Uiteindelijk levert dit proces zeven gelijktijdige temperatuurmetingen per gezichtslijn op, vandaar de hoge nauwkeurigheid van de meting.

"Deze innovatieve capaciteit is nu klaar om te worden geëxporteerd naar veel machines in de VS en de rest van de wereld", aldus Delgado-Aparicio.

"Uit de acht verschillende intensiteitsmetingen hebben we de beste fit gehaald, namelijk tussen de 4 en 4,5 kilovolt voor het kernplasma. Dit vertegenwoordigt bijna 50 miljoen graden en dat voor maximaal zes minuten", aldus Delgado-Aparicio.

De diagnostische metingen kunnen niet alleen worden gebruikt om de temperatuur van de elektronen in het plasma te berekenen, maar ook de plasmalading en de dichtheid van onzuiverheden in het plasma, dat grotendeels bestaat uit wolfraam dat uit de wanden van de tokamak is gemigreerd.

"Dit specifieke systeem is het eerste in zijn soort met energiediscriminatie. Als zodanig kan het informatie verschaffen over de temperatuur en veel details over het precieze gehalte aan onzuiverheden (voornamelijk wolfraam) in de ontlading, wat een cruciale hoeveelheid is om in elke metalen omgeving te werken. .

"Het is spectaculair", zei Dumont. Hoewel deze gegevens kunnen worden afgeleid uit verschillende andere diagnostische gegevens en kunnen worden ondersteund door modellering, beschreef Dumont deze nieuwe methode als 'directer'.

Barbui zei dat de diagnose in toekomstige experimenten nog meer informatie kan verzamelen. "Deze detector heeft de unieke mogelijkheid dat hij kan worden geconfigureerd om hetzelfde plasma te meten met zoveel energie als je wilt", zei Barbui. "Nu hebben we acht energieën geselecteerd, maar we hadden er ook tien of vijftien kunnen selecteren."

Litaudon zei dat hij blij is dat hij zo'n diagnose bij de hand heeft voor het CICLOP-programma. "In feite zal deze energieoplossende camera een nieuwe route openen op het gebied van analyse", zei hij.

"Het is buitengewoon uitdagend om een ​​faciliteit met een wolfraamwand te exploiteren. Maar dankzij deze nieuwe metingen zullen we de mogelijkheid hebben om het wolfraam in het plasma te meten en het transport van wolfraam van de wand naar de kern van het plasma te begrijpen."

Litaudon zegt dat dit hen zou kunnen helpen de hoeveelheid wolfraam in de kern van het plasma te minimaliseren om optimale bedrijfsomstandigheden voor fusie te garanderen. "Dankzij deze diagnostiek kunnen we dit probleem begrijpen en naar de kern van de natuurkunde gaan voor zowel metingen als simulatie."

Tijdrovende computerberekeningen uitgevoerd door Dumont, Pierre Manas en Theo Fonghetti van CEA bevestigden ook een goede overeenkomst tussen relevante simulaties en de metingen gerapporteerd door het PPPL-team.

Dumont merkte ook op dat de ME-SXR-camera voortbouwt op het belangrijke diagnostische werk van het Lab bij WEST. "De ME-SXR is slechts een onderdeel van een meer mondiale bijdrage van diagnostiek van PPPL aan CEA/WEST", zei Dumont, wijzend op de harde röntgencamera en de röntgenkristalspectrometer.

"Deze samenwerking helpt ons enorm. Met deze combinatie van diagnostiek kunnen we zeer nauwkeurige metingen in het plasma uitvoeren en dit in realtime aansturen."

Geleverd door Princeton Plasma Physics Laboratory