Het creëren van warmte uit fusiereacties vereist een zorgvuldige manipulatie van de eigenschappen van plasma, de elektrisch geladen vierde toestand van materie die 99% van het zichtbare universum uitmaakt.

Nu zijn wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) klaar met het bouwen van een nieuw plasmameetinstrument, of diagnostiek, dat deze inspanning zou kunnen ondersteunen, door de hitte van fusiereacties te vergroten in faciliteiten die bekend staan ​​als tokamaks en potentieel de energieopbrengst van toekomstige fusiecentrales verbeteren.

De diagnose, bekend als ALPACA, observeert licht dat wordt uitgestraald door een halo van neutrale atomen rond het plasma in DIII-D, een donutvormig apparaat dat bekend staat als een tokamak en dat voor de DOE wordt gebruikt door General Atomics in San Diego.

Door dit licht te bestuderen kunnen wetenschappers informatie verzamelen over de dichtheid van de neutrale atomen, waardoor ze het plasma warm kunnen houden en de hoeveelheid energie die door fusiereacties wordt gegenereerd, kunnen vergroten. Wetenschappers over de hele wereld proberen op aarde de fusiereacties te benutten die de sterren aandrijven om elektriciteit op te wekken zonder broeikasgassen of langlevend radioactief afval te produceren.

ALPACA helpt wetenschappers bij het bestuderen van een proces dat bekend staat als tanken. Tijdens dit proces vallen wolken van neutrale atomen met verschillende dichtheden rond het plasma uiteen in elektronen en ionen en komen het plasma binnen.

"We zijn geïnteresseerd in brandstof omdat de neutrale atoomdichtheid de dichtheid van plasmadeeltjes kan verhogen, en de plasmadichtheid het aantal fusiereacties beïnvloedt", zegt Laszlo Horvath, een PPPL-natuurkundige gestationeerd bij DIII-D die hielp bij het coördineren van de assemblage en installatie van ALPACA. P>

"Als we de dichtheid van het plasma kunnen verhogen, kunnen we meer fusiereacties krijgen, die meer fusie-energie genereren. Dat is precies wat we willen in toekomstige fusie-energiecentrales."

De waterstofatomen die bij dit soort brandstof betrokken zijn, zijn afkomstig uit drie bronnen. De eerste zijn de originele trekjes waterstofgas die wetenschappers gebruikten om het plasma te initiëren. De tweede is het combineren van elektronen en kernen in de koelere delen van de kamer om hele atomen te vormen. De derde is het lekken van waterstofatomen uit het materiaal waaruit de oppervlakken van de binnenkamers bestaan, waar ze soms vast komen te zitten tijdens tokamak-operaties.

Net als een gaatjescamera verzamelt de bijna 60 cm lange ALPACA plasmalicht dat een specifieke eigenschap heeft die bekend staat als de Lyman-alpha-golflengte. Onderzoekers kunnen de dichtheid van de neutrale atomen berekenen door de helderheid van het licht te meten.

Eerder hebben wetenschappers de dichtheid afgeleid uit metingen van andere instrumenten, maar de gegevens waren moeilijk te interpreteren. ALPACA is een van de eerste diagnostiek die specifiek is ontworpen om plasmalicht op de Lyman-alpha-frequentie te verzamelen, waardoor de gegevens veel duidelijker zijn.

Wetenschappers willen hun inzicht in het tanken vergroten, zodat ze er controle over kunnen uitoefenen. Met controle over de brandstoftoevoer kunnen wetenschappers de fusiereacties in tokamaks efficiënter maken en de hoeveelheid warmte die ze produceren vergroten.

Verhoogde warmte is belangrijk omdat hoe heter het plasma is, hoe meer elektriciteit een op tokamak gebaseerde elektriciteitscentrale kan genereren. Dit project is opnieuw een voorbeeld van PPPL's ​​expertise van wereldklasse op het gebied van engineering en plasmadiagnostiek.

ALPACA is eigenlijk een van een paar diagnostiek. Zijn tweelingbroer heet 'LLAMA', wat staat voor 'Lyman-alpha-meetapparaat'. De twee diagnostieken vullen elkaar aan doordat LLAMA de binnen- en buitengebieden van het onderste deel van de tokamak observeert, ALPACA de binnen- en buitengebieden van het bovenste deel observeert.

"We hebben beide apparaten nodig, want hoewel we weten dat neutrale atomen het plasma omringen, varieert het aantal neutrale atomen van plaats tot plaats, dus we weten niet precies waar ze zich ophopen", zegt Alessandro Bortolon, hoofdonderzoeksfysicus van de PPPL en hoofd van het laboratorium. PPPL-samenwerking met de General Atomics DIII-D National Fusion Facility in San Diego.

"Daarom, en omdat we niet kunnen extrapoleren op basis van afzonderlijke metingen, moeten we op meerdere locaties meten."

Zoals alle diagnostiek dient ALPACA een cruciaal doel. "Als we experimenten uitvoeren met machines als DIII-D, moeten we begrijpen wat er in het apparaat gebeurt, vooral als we de prestaties willen verbeteren", aldus Horvath.

"Maar omdat het plasma een temperatuur van 100 miljoen graden Celsius heeft, kunnen we niet zomaar een oventhermometer of iets conventioneels gebruiken. Ze zouden gewoon smelten. Diagnostiek geeft ons kennis over wat anders een zwarte doos zou zijn."