El estudiante graduado de la Universidad de Tennessee, Zichen "Horus", ensambla una pieza de un sistema de diagnóstico por imágenes portátil que medirá los parámetros del plasma en reactores experimentales. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Las técnicas que Theodore Biewer y sus colegas están usando para medir si el plasma tiene las condiciones adecuadas para crear la fusión han existido por un tiempo.
Los láseres especializados y los componentes estándar con los que están trabajando no son nada nuevo, cualquiera.
¿Pero ensamblarlos en un sistema de diagnóstico portátil que se pueda cargar en una camioneta de carga y conducir en un recorrido por el país de prototipos de reactores de fusión experimentales?
Biewer cree que su equipo será el primero en hacerlo con éxito, este verano.
Medición de parámetros plasmáticos
Durante aproximadamente un año, Biewer, investigador de la División de Energía de Fusión del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, ha estado pensando en una forma de crear un sistema portátil, utilizando solo componentes disponibles comercialmente, que puede medir con precisión la temperatura de los electrones, temperatura de iones, y densidad de electrones en prototipos de fusión financiados por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) del DOE.
ARPA-E está financiando nueve proyectos bajo su programa ALPHA 2015, que, si tiene éxito, podría servir de base tecnológica para nuevos diseños de reactores. Pero la agencia necesitaba una forma de saber si el plasma de los prototipos está lo suficientemente caliente. lo suficientemente denso, y contenida lo suficientemente bien en el campo magnético para producir fusión. En enero de 2019, la agencia solicitó propuestas adicionales para construir sistemas de diagnóstico portátiles para medir parámetros clave en estas nuevas máquinas. La propuesta del equipo de Biewer fue seleccionada el verano pasado y recibió un poco más de $ 1 millón en fondos en noviembre de 2019.
En ese momento, Biewer, quien es el investigador principal, ya había investigado los componentes disponibles comercialmente para la espectroscopia de emisión óptica, una técnica que utiliza la luz para medir qué tipos de iones están presentes en qué concentraciones y a qué temperaturas, y la dispersión de Thomson, que utiliza láseres para medir la densidad y la temperatura de los electrones mediante la dispersión de la luz láser de los electrones en el plasma.
El investigador postdoctoral Nischal Kafle coloca un componente para un dispositivo de diagnóstico por imágenes de plasma portátil en ORNL en febrero. El dispositivo, un proyecto para ARPA-E, está construido con piezas listas para usar. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Seis meses para los resultados
Biewer dijo que la dispersión de Thomson es el estándar de oro para medir esos parámetros, en parte porque produce datos que son útiles sin necesidad de mucha interpretación. La dispersión de Thomson generalmente se realiza con láseres de alta gama que se han adaptado y construido en sistemas permanentes alojados en edificios dedicados de clima controlado adyacentes a los reactores de plasma.
"Son sistemas muy complicados que realmente hacen bien su trabajo, ", Dijo Biewer." Pero ARPA-E quería poder mover el sistema de una máquina a otra. Así que propusimos usar algunos láseres que no son tan potentes como los que se usan en estos sistemas permanentes, pero que aún tienen suficiente energía para hacer el trabajo ".
Miembro del personal de I + D Drew Elliott, investigador postdoctoral Nischal Kafle, y el estudiante de posgrado de la Universidad de Tennessee, Zichen "Horus", han estado construyendo el sistema en un carro rodante, asistido por el especialista en instrumentación Wayne Garren y el asesor de He, El profesor de UT Zhili Zhang.
La respuesta es rápida. Por marzo, Biewer espera que hayan probado el sistema en una fuente de plasma en el Centro de Tecnología de Ingeniería de ORNL. Por mayo, espera tener datos para presentar en la 23ª Conferencia temática sobre diagnóstico de plasma de alta temperatura en Nuevo México.
Y para junio espera que el sistema esté en camino al Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) en Nueva Jersey, encajonado en una camioneta de carga del grupo de motores de ORNL, impulsado por su equipo.
Desde la izquierda, investigador postdoctoral Nischal Kafle, El estudiante graduado de UT Zichen "Horus" He, especialista en instrumentación Wayne Garren, y el investigador principal Theodore Biewer de la División de Energía Fusion de ORNL con un dispositivo portátil de diagnóstico por imágenes de plasma que construyeron. (En la imagen no aparece el miembro del personal de I + D Drew Elliott). Después de que el equipo agrega un láser, el dispositivo estará listo para ser probado en ORNL antes de ser llevado a otras fuentes de plasma experimentales este verano y otoño. Crédito:Carlos Jones / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
'Tener láser, viajará'
Después de 4 a 6 meses de probar el sistema en un dispositivo de fusión en PPPL, el equipo lo llevará a otro dispositivo de fusión en la Universidad de Washington en Seattle y lo probará durante aproximadamente la misma cantidad de tiempo. Es posible realizar un viaje para medir un tercer dispositivo:"Tenga láser, viajará, "Dijo Biewer.
La historia de ORNL como líder en energía de fusión lo convirtió en una ubicación privilegiada para un proyecto de este tipo, incluso en medio del escepticismo de que un dispositivo portátil pudiera producir mediciones lo suficientemente precisas como para ser útil.
"Tenemos experiencia en sistemas construidos aquí, ", Dijo Biewer." Sabemos lo que se necesita, y estamos en un momento conveniente en el desarrollo de la tecnología para reunir todo esto en un paquete que podemos analizar con estos diferentes dispositivos de fusión para medir si pueden hacer lo que decimos que pueden.
"Tenemos suficientes conocimientos técnicos que, incluso si encontramos algunos obstáculos, sabemos cómo salirnos. No puedes saber todo de antemano pero puede adaptarse a los eventos sobre la marcha ".
El entonces líder de grupo de Biewer, Jeff Harris, apodado el sistema "maleta de dispersión Thomson, "pero todos los sistemas que ARPA-E financia para este proyecto son portátiles, Dijo Biewer. Lo que hace que el diseño de su equipo sea único es el uso de componentes listos para usar en lugar de piezas hechas a medida o ampliamente adaptadas.
Si funciona como se esperaba, el diseño, en última instancia, podría conducir a un sistema producido en masa, o ARPA-E puede continuar financiando la investigación del equipo para mejorar el concepto.
"El próximo diseño podría ser incluso mejor:más compacto, más preciso, "Dijo Biewer.
