Miembros del Grupo de Vigas Neutrales DIII-D frente a una carcasa de vigas para dos de las ocho líneas de luz. Crédito:General Atomics
Los investigadores que trabajan en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D en General Atomics (GA) han creado una nueva herramienta importante para controlar los plasmas de fusión que son más calientes que el sol.
La energía y el impulso en el plasma contenido magnéticamente de DIII-D son entregados por grandes sistemas de haces de partículas neutras, y la reciente demostración de GA del control preciso de la potencia y el par inyectados es una novedad. Los científicos ahora pueden preprogramar estas entradas durante la duración de las descargas de plasma (llamadas "inyecciones"). GA dirigió el esfuerzo de desarrollo en colaboración con científicos de la Universidad de California-Irvine y el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton.
Previamente, Estas entradas se adaptaron utilizando la modulación de encendido / apagado de haces neutrales, resultando en grandes perturbaciones, es decir, cambios de poder. El nuevo método permite una especificación separada y continua de la potencia y el par, incluida la importante capacidad de mantener un nivel de potencia inyectado fijo mientras se varía el par.
Cambiar la forma en que opera este sistema es un esfuerzo significativo, considerando el tamaño y la complejidad de cada sistema de vigas; hay cuatro carcasas del tamaño de un camión para ocho vigas en total en DIII-D (Figura 1). El sistema de haz neutral inyecta hasta 20 megavatios de potencia, aproximadamente la potencia utilizada por 15, 000 viviendas.
Espectrogramas de pérdida de iones de haz medida. Ambos disparos de plasma cuentan con la misma potencia de haz total, pero el plano que se muestra a la derecha utiliza un programa de voltaje de haz que reduce en gran medida la amplitud de las ondas de plasma coherentes. Crédito:D.C. Pace, et al., Nucl. Fusion 57, 014001 (2017)
En el pasado, Los haces neutrales han operado acelerando iones a través de un alto voltaje (aproximadamente 90, 000 voltios, en comparación con los 120 voltios de una toma de corriente doméstica típica) que se fija en el tiempo, y luego pasarlos a través de una cámara de gas denso donde se neutralizan y vuelan hacia el plasma magnetizado. Es necesario un alto voltaje de aceleración para maximizar la velocidad del átomo neutro resultante y la potencia de calentamiento del haz.
Los experimentos realizados en los últimos años han demostrado que la velocidad de las partículas del haz puede producir o amplificar ondas de plasma electromagnéticas que expulsan esas partículas del haz del plasma y las introducen en las paredes del tokamak. Esto presenta un dilema porque la potencia de haz alto es necesaria para alcanzar las temperaturas de fusión, pero la pérdida de partículas del rayo reduce la temperatura y puede provocar daños costosos a lo largo de las paredes del tokamak.
La solución es variar el alto voltaje del haz a lo largo del tiempo, reduciendo así las pérdidas de partículas del haz debido a las ondas de plasma y maximizando la potencia del haz de entrada. A medida que se calienta el plasma, el comportamiento de las ondas de plasma cambia de manera que las partículas del haz de diferentes velocidades interactúan con las ondas. Ahora, los haces neutrales DIII-D pueden recibir perfiles de voltaje preprogramados que minimizan las interacciones onda-partícula. Esto mantiene las partículas del haz en el plasma y permite que el voltaje del haz aumente a niveles más altos que maximizan la potencia de calentamiento de entrada. En los siguientes gráficos se muestra un ejemplo de actividad reducida de ondas de plasma (Figura 2), donde condiciones de plasma similares producen ondas muy diferentes según la evolución temporal del voltaje del haz.
"Este proyecto involucró dos años de ingenieros y físicos trabajando duro para crear algo nuevo, y es maravilloso verlo funcionando con éxito en DIII-D, "dijo el Dr. David Pace, un físico que dirigió el proyecto del GA Energy Group, "Ahora podemos concentrarnos en el siguiente paso emocionante, lo que demuestra todas las formas en que estos haces de voltaje variable pueden mejorar la fusión magnética en máquinas de todo el mundo ".
Los resultados iniciales serán presentados por Tim Scoville, jefe del Grupo de Rayos Neutrales en DIII-D, en la reunión anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física, 31 de octubre - 4 de noviembre. Este trabajo cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión, en la instalación DIII-D operada por GA.
