Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. midieron un nuevo récord para un dispositivo de fusión revestido internamente de tungsteno, el elemento que podría ser el más adecuado para las máquinas a escala comercial necesarias para hacer que la fusión sea viable. fuente de energía para el mundo.
El dispositivo mantuvo un plasma de fusión caliente de aproximadamente 50 millones de grados Celsius durante un tiempo récord de seis minutos con 1,15 gigajulios de potencia inyectada, un 15% más de energía y el doble de densidad que antes. El plasma deberá estar caliente y denso para generar energía confiable para la red.
El récord se estableció en un dispositivo de fusión conocido como WEST, el entorno de tungsteno (W) en estado estacionario Tokamak, operado por la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA). PPPL se ha asociado desde hace mucho tiempo con WEST, que forma parte del grupo de la Agencia Internacional de Energía Atómica para la Coordinación de Desafíos Internacionales en Operaciones de Larga Duración (CICLOP).
Este hito representa un paso importante hacia los objetivos del programa CICLOP. Los investigadores presentarán un artículo para su publicación en las próximas semanas.
"Necesitamos ofrecer una nueva fuente de energía, y la fuente debe ser continua y permanente", afirmó Xavier Litaudon, científico de la CEA y presidente del CICLOP. Litaudon dijo que el trabajo de PPPL en WEST es un excelente ejemplo.
"Estos son resultados hermosos. Hemos alcanzado un régimen estacionario a pesar de estar en un entorno desafiante debido a este muro de tungsteno".
Remi Dumont, jefe del Grupo de Experimentación y Desarrollo de Plasma del Instituto de Investigación de Fusión Magnética de la CEA, fue el coordinador científico del experimento y lo calificó como "un resultado espectacular".
Los investigadores del PPPL utilizaron un enfoque novedoso para medir varias propiedades de la radiación del plasma. Su enfoque implicó un detector de rayos X especialmente adaptado, fabricado originalmente por DECTRIS, un fabricante de productos electrónicos, y luego integrado en el tokamak WEST, una máquina que confina plasma (el cuarto estado ultracaliente de la materia) en un recipiente con forma de rosquilla usando energía magnética. campos.
"El grupo de rayos X del Departamento de Proyectos Avanzados de PPPL está desarrollando todas estas herramientas innovadoras para tokamaks y stellarators de todo el mundo", dijo Luis Delgado-Aparicio, jefe de proyectos avanzados de PPPL y científico principal de la investigación de física y rayos X. proyecto detector.
Este es sólo un ejemplo de los puntos fuertes de PPPL en el diagnóstico:herramientas de medición especializadas utilizadas, en este caso, para caracterizar plasmas de fusión caliente.
"La comunidad de fusión de plasma fue una de las primeras en probar la tecnología híbrida de conteo de fotones para monitorear la dinámica del plasma", dijo el jefe de ventas de DECTRIS, Nicolas Pilet.
"Hoy, WEST logró resultados sin precedentes y nos gustaría felicitar al equipo por su éxito. La fusión de plasma es un campo científico fascinante que encierra una gran promesa para la humanidad. Estamos increíblemente orgullosos de contribuir a este desarrollo con nuestros productos y estamos encantados. por nuestra excelente colaboración."
Los científicos de todo el mundo están probando diferentes métodos para extraer de forma fiable calor del plasma mientras éste sufre una reacción de fusión. Pero esto ha demostrado ser particularmente desafiante, en parte porque el plasma debe estar confinado el tiempo suficiente para que el proceso sea económico a temperaturas mucho más altas que el centro del sol.
Una versión anterior del dispositivo, Tore Supra, logró una reacción o disparo un poco más larga, pero en aquel entonces, el interior de la máquina estaba hecho de baldosas de grafito.
Si bien el carbono facilita el entorno para tiros lejanos, puede no ser adecuado para un reactor a gran escala porque tiende a retener el combustible en la pared, lo que será inaceptable en un reactor donde la recuperación eficiente del tritio de la cámara del reactor y la reintroducción en el plasma será primordial.
El tungsteno es ventajoso porque retiene mucho menos combustible, pero si incluso pequeñas cantidades de tungsteno entran en el plasma, la radiación del tungsteno puede enfriarlo rápidamente.
"El entorno de las paredes de tungsteno es mucho más desafiante que el uso de carbono", dijo Delgado-Aparicio. "Esta es, simplemente, la diferencia entre intentar agarrar a tu gatito en casa o intentar acariciar al león más salvaje".
El disparo se midió utilizando un enfoque novedoso desarrollado por investigadores de PPPL. El hardware de la herramienta de medición, o diagnóstico, fue fabricado por DECTRIS y modificado por Delgado-Aparicio y otros miembros de su equipo de investigación, incluidos los investigadores de PPPL Tullio Barbui, Oulfa Chellai y Novimir Pablant.
"El diagnóstico básicamente mide la radiación de rayos X producida por el plasma", dijo Barbui sobre el dispositivo, conocido como cámara de rayos X suaves de energía múltiple (ME-SXR).
"Mediante la medición de esta radiación podemos deducir propiedades muy importantes del plasma, como por ejemplo la temperatura de los electrones en el núcleo real del plasma, donde hace más calor."
Disponible en el mercado, el diagnóstico DECTRIS normalmente se puede configurar con todos los píxeles configurados en el mismo nivel de energía. PPPL desarrolló una novedosa técnica de calibración que les permite configurar la energía de forma independiente para cada píxel.
Barbui dijo que el enfoque tiene ventajas sobre la técnica existente utilizada en WEST, que puede ser difícil de calibrar y genera lecturas que a veces se ven afectadas por las ondas de radiofrecuencia utilizadas para calentar el plasma. "Las ondas de radiofrecuencia no afectan nuestro diagnóstico", afirmó Barbui.
"Durante la toma de seis minutos, pudimos medir bastante bien la temperatura central del electrón. Estaba en un estado muy estable de alrededor de 4 kilovoltios. Fue un resultado bastante notable", dijo.
El diagnóstico busca luz de un tipo específico de radiación conocida como Bremsstrahlung, que se produce cuando un electrón cambia de dirección y se desacelera. El desafío inicial fue descubrir qué frecuencias de luz de Bremsstrahlung buscar porque tanto el plasma como las paredes de tungsteno pueden emitir este tipo de radiación, pero las mediciones deben centrarse en el plasma.
"La banda de energía de los fotones entre 11 y 18 kiloelectronvoltios (keV) nos ofreció una buena ventana de oportunidad a partir de la emisión del núcleo nunca antes explorada y, por lo tanto, influyó en nuestra decisión de tomar muestras cuidadosamente de este rango", dijo Delgado-Aparicio.
"Normalmente, cuando se aplica esta técnica, sólo se hacen dos mediciones. Esta es la primera vez que tomamos una serie de mediciones", dijo Barbui.
Delgado-Aparicio también señaló que "la calibración especial de nuestro detector nos permitió obtener lecturas para cada nivel de energía entre 11 y 18 keV, para cada línea de visión desde la cámara, mientras tomamos muestras de toda la sección transversal".
Se toman aproximadamente 10 mediciones por segundo. El truco consiste en utilizar la intensidad de la energía más baja de 11 keV como nivel de referencia, y las mediciones de las otras siete intensidades se comparan con la inicial. En última instancia, este proceso produce siete lecturas de temperatura simultáneas por línea de visión, de ahí la alta precisión de la medición.
"Esta capacidad innovadora ahora está lista para exportarse a muchas máquinas en los EE. UU. y en todo el mundo", afirmó Delgado-Aparicio.
"De las ocho mediciones de intensidad diferentes, obtuvimos el mejor ajuste, que fue entre 4 y 4,5 kilovoltios para el plasma central. Esto representa casi 50 millones de grados y durante hasta seis minutos", dijo Delgado-Aparicio.
Las lecturas de diagnóstico se pueden utilizar no sólo para calcular la temperatura de los electrones en el plasma sino también la carga del plasma y la densidad de las impurezas en el plasma, que es en gran parte tungsteno que ha migrado de las paredes del tokamak.
"Este sistema en particular es el primero de este tipo con discriminación de energía. Como tal, puede proporcionar información sobre la temperatura y muchos detalles sobre el contenido preciso de impurezas (principalmente tungsteno) en la descarga, que es una cantidad crucial para operar en cualquier entorno metálico. .
"Es espectacular", dijo Dumont. Si bien estos datos pueden inferirse de varios otros diagnósticos y respaldarse con modelos, Dumont describió este nuevo método como "más directo".
Barbui dijo que el diagnóstico puede recopilar aún más información en experimentos futuros. "Este detector tiene la capacidad única de que puede configurarse para medir el mismo plasma con tantas energías como se desee", dijo Barbui. "Ahora hemos seleccionado ocho energías, pero podríamos haber seleccionado 10 o 15."
Litaudon dijo que está contento de tener a mano un diagnóstico de este tipo para el programa CICLOP. "De hecho, esta cámara de resolución de energía abrirá una nueva ruta en términos de análisis", afirmó.
"Es extremadamente difícil operar una instalación con una pared de tungsteno. Pero gracias a estas nuevas mediciones, podremos medir el tungsteno dentro del plasma y comprender el transporte de tungsteno desde la pared hasta el núcleo del plasma".
Litaudon dice que esto podría ayudarles a minimizar la cantidad de tungsteno en el núcleo del plasma para garantizar condiciones operativas óptimas para la fusión. "Gracias a estos diagnósticos, podemos comprender este problema e ir a la raíz de la física tanto para la medición como para la simulación."
Los largos cálculos informáticos realizados por Dumont, Pierre Manas y Theo Fonghetti de CEA también confirmaron una buena concordancia entre las simulaciones relevantes y las mediciones reportadas por el equipo PPPL.
Dumont también señaló que la cámara ME-SXR se basa en el importante trabajo de diagnóstico del laboratorio en WEST. "El ME-SXR es sólo una parte de una contribución más global de diagnóstico desde PPPL a CEA/WEST", dijo Dumont, destacando la cámara de rayos X duros y el espectrómetro de cristal de imágenes de rayos X.
"Esta colaboración nos ayuda mucho. Con esta combinación de diagnósticos, podremos realizar mediciones muy precisas en el plasma y controlarlo en tiempo real".
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
