Si está persiguiendo el objetivo difícil de alcanzar de la fusión nuclear y cree que necesita un reactor más grande para hacer el trabajo, En primer lugar, es posible que desee saber con precisión cuánta energía de entrada que sale del enchufe de pared llega al corazón de su máquina.

Si en algún lugar durante ese viaje pudieras reducir las pérdidas internas, es posible que no necesite una máquina tan grande como pensaba.

Para determinar mejor las fugas de energía en la poderosa máquina Z de Sandia, donde se han producido ganancias notables en las salidas de fusión durante las últimas dos décadas y media, incluida la triplicación de la producción en 2018:un equipo conjunto de los laboratorios nacionales Sandia y Lawrence Livermore ha instalado un sistema de diagnóstico láser mejorado.

La búsqueda para comprender con precisión cuánta energía llega a la reacción de fusión de Z se ha vuelto más urgente a medida que Z se mueve hacia la producción de la gran cantidad de neutrones que ahora están solo en un factor de 40 por debajo del hito donde la producción de energía es igual a la entrada de energía. un estado deseable conocido como punto de equilibrio científico. Las corrientes excepcionalmente grandes de la máquina Z, alrededor de 26 megamperes, comprimen directamente el combustible de fusión a las condiciones extremas necesarias para que ocurran las reacciones de fusión.

Las reacciones de fusión de laboratorio —la unión de los núcleos de los átomos— tienen propósitos tanto civiles como militares. Los datos utilizados en las simulaciones de supercomputadoras ofrecen información sobre armas nucleares sin pruebas subterráneas, un medio ambiente, plus económico y político. Cuanto más poderosa sea la reacción, cuanto mejores sean los datos.

Y, a largo plazo, la visión de lograr un rendimiento extraordinariamente alto, Una fuente de energía estable y relativamente limpia es la ambición de muchos investigadores en el campo de la fusión.

Un poco de ayuda de nuestros láseres

El sistema de diagnóstico láser que Sandia desarrolló para ayudar a lograr estas mejoras se llamó originalmente VISAR, para el sistema de interferómetro de velocidad para cualquier reflector. VISAR toma información sobre la energía disponible obtenida de un área del tamaño de la punta de un lápiz.

El nuevo sistema, llamada Line VISAR, se desarrolló más tarde en Lawrence Livermore. Analiza la información recopilada dentro del alcance más amplio disponible a través de una línea, en lugar de un punto, fuente.

Ambas innovaciones hacen rebotar un rayo láser en un objetivo en movimiento en el centro de Z. Pero hay una gran diferencia entre las dos técnicas.

VISAR utiliza un cable de fibra para enviar un pulso láser desde una ubicación exterior estable al centro de la máquina. Allí, el pulso se refleja desde un punto en una pieza de metal del tamaño de una moneda de diez centavos llamada placa volante. La placa del volante, actuando como un espejo, rebota la señal láser a lo largo del cable. Pero debido a que la placa volante es impulsada hacia adelante por el enorme pulso electromagnético de Z a una distancia de aproximadamente un milímetro en unos pocos cientos de nanosegundos, el pulso de retorno está ligeramente desfasado con la versión de entrada.

La medición de la diferencia de fase entre las dos ondas determina la velocidad alcanzada por la placa volante en ese período. Esa velocidad combinado matemáticamente con la masa de la placa volante, luego se usa para estimar cuánta energía ha impulsado la placa. Debido a que la placa se encuentra en el corazón de la máquina, esta cifra es casi idéntica a la energía que provoca reacciones de fusión en el centro de la máquina. Esta observación fue el objetivo de VISAR.

Pero el objetivo puntual no podía explicar las distorsiones en la propia placa volante causadas por las enormes presiones creadas por el campo electromagnético que impulsa su movimiento.

Prueba la óptica

La mejora de Lawrence Livermore en el dispositivo, ahora instalado en Z, era enviar un rayo láser a lo largo de una trayectoria de rayo óptico en lugar de un cable de fibra. Pasando a través de lentes y rebotando en espejos, Line VISAR devuelve una imagen visual del pulso que golpea toda la placa del volante, en lugar de devolver una sola señal eléctrica desde un solo punto en la placa del volante.

Los investigadores estudian el contraste entre la imagen de línea VISAR con cambio de fase y una imagen de referencia sin cambios y luego se cortan a lo largo de una línea para que se pueda grabar una película de ultra alta velocidad con una cantidad de datos reducida pero viable. Al analizar la película, que muestra la expansión y deformación de la placa volante a lo largo de la línea, los investigadores descubren una imagen más real de la cantidad de energía disponible en el corazón de la máquina.

"Como tienes una resolución espacial, le dice con más precisión dónde se produce la pérdida actual, "dijo Clayton Myers, quién está a cargo de los experimentos en Z usando Line VISAR.

Los técnicos de Sandia y Lawrence Livermore modificaron la línea VISAR para trabajar en Z, donde todo sucede en el corazón de una máquina que agita tazas de café en edificios a varios cientos de pies de distancia cuando se enciende, en comparación con la relativa calma de los disparos en la Instalación Nacional de Ignición en Lawrence Livermore, donde los bancos de láseres se encuentran alejados de la esfera, por lo demás tranquila, en la que tienen lugar los disparos.

"El equipo de Sandia tenía la tarea de integrar los diversos componentes de Line VISAR en la infraestructura existente de la máquina Z, "Dijo Myers." Esto significaba, entre otras cosas, diseñando un sistema de transporte de haz de 50 metros que proporcionó un amortiguador entre el instrumento y su objetivo Z ".

Sin embargo, la última óptica de la línea VISAR en Z debe reemplazarse para cada disparo porque enfrenta una destrucción casi instantánea de la energía entregada cuando Z dispara.

¿Cómo funciona el nuevo sistema de detección? "Maravillosamente, ", dijo Myers." Apenas puedo creer la precisión de los datos que estamos obteniendo ".