El poder de la fusion, que ilumina el sol y las estrellas, requiere temperaturas de millones de grados para fusionar las partículas dentro del plasma, una sopa de gas cargado que alimenta las reacciones de fusión. Aquí en la tierra, científicos que desarrollan la fusión como una caja fuerte, Una fuente de energía limpia y abundante debe producir temperaturas más calientes que el núcleo del sol en unas instalaciones con forma de rosquilla llamadas tokamaks. Gran parte de la energía necesaria para alcanzar estas temperaturas proviene de haces de alta energía que los físicos bombean al plasma a través de dispositivos conocidos como inyectores de haz neutro.

En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los ingenieros diseñaron y entregaron recientemente un conjunto de componentes nuevos e innovadores para los inyectores de haz neutro que calientan el plasma en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D. el tokamak que General Atomics opera para DOE en San Diego.

Las piezas rediseñadas, llamados escudos de polos, proteger los imanes en los inyectores de las partículas energéticas del haz y reemplazará las unidades que se derritieron y agrietaron durante los experimentos de fusión anteriores, resultando en fugas de agua. Los imanes redirigen núcleos atómicos cargados, o iones, en los haces a un depósito de iones dentro de los inyectores, permitiendo que sólo los átomos neutros entren en el plasma.

"Tenían un problema que necesitaba solucionar. Al final, se nos ocurrió una solución que resolvió el problema, "dijo el ingeniero de PPPL Irving Zatz, quién supervisó el diseño, análisis y entrega de los escudos. Se asoció con los ingenieros Andrei Khodak, que realizó análisis informáticos para verificar el nuevo diseño, y Alex Nagy, quien dirige las colaboraciones de ingeniería de PPPL en DIII-D. El apoyo para este trabajo proviene de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE.

Las nuevas unidades son similares a los escudos que PPPL entregó a DIII-D para su instalación en el primero de los cuatro inyectores de la instalación en 2014. Después de meses de uso de esos escudos, "los resultados de la inspección no mostraron signos de desgaste o daños, "Dijo Nagy.

Soporta cargas de calor más altas

El nuevo diseño resistirá las cargas de calor considerablemente mayores que los inyectores están programados para producir. Los planes exigen una mejora en la potencia máxima del inyector de 2,6 megavatios en pulsos de tres segundos a 3,2 megavatios en pulsos que durarán el doble.

Los nuevos escudos consisten en media pulgada de espesor, placas de cobre de aproximadamente cinco pies de largo equipadas con inserciones de los molibdeno de metal plateado en el centro de las placas, el área que absorberá la mayor cantidad de energía del rayo. Las inserciones, que resisten la fusión a altas temperaturas, son una innovación de diseño clave originalmente propuesta por Tim Scoville de General Atomics, el jefe de operaciones de haz neutral en DIII-D.

Cada nuevo escudo contiene 10 placas de molibdeno que están ranuradas juntas como un rompecabezas, con una pieza clave de cobre manteniéndolos en su lugar. Esta configuración se adaptará a diferentes grados de expansión térmica y otras condiciones, y permitirá que las baldosas de molibdeno se desmonten y reemplacen fácilmente, sin desmontaje del inyector.

Khodak usó un código de software para examinar cómo los escudos resistieron factores que van desde la distribución de cargas de calor hasta las tensiones en el cobre y el molibdeno que ejercerá una mayor potencia. Los resultados mostraron que el diseño cumplía o excedía todos los requisitos de rendimiento.

"El original, Las placas totalmente de cobre suelen fallar después de aproximadamente cinco años de servicio. ", Dijo Nagy." Se desconoce la vida útil del nuevo diseño del escudo del poste, pero debería aumentar significativamente el tiempo de falla para este componente crítico. La diferencia entre los escudos viejos y los nuevos es como comparar los viejos neumáticos de capas diagonales con los nuevos radiales con cinturón de acero ".

Los protectores de poste no son las únicas partes que PPPL está mejorando en los inyectores de haz neutro DIII-D. El laboratorio ha diseñado nuevos colimadores, que alinean los neutrales en haces paralelos, y calorímetros, que miden el calor, para las máquinas. La fabricación está en marcha y la entrega de los componentes está programada para el otoño.

PPPL, en el campus de Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, NUEVA JERSEY., se dedica a crear nuevos conocimientos sobre la física de los plasmas:ultracalientes, gases cargados y el desarrollo de soluciones prácticas para la creación de energía de fusión. El laboratorio es administrado por la Universidad para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., que es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para más información, visite science.energy.gov.