Un approccio unico sviluppato dal l Princeton Plasma Physics Laboratory offre una raffinata misurazione della temperatura interna di 50 milioni di gradi per un plasma super-caldo di sei minuti.
I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno misurato un nuovo record per un dispositivo di fusione rivestito internamente in tungsteno, l’elemento che potrebbe essere il più adatto per le macchine su scala commerciale necessarie per rendere la fusione una fonte di energia praticabile per il mondo.
Il dispositivo ha sostenuto un plasma di fusione caldo di circa 50 milioni di gradi Celsius per un record di sei minuti con 1,15 gigajoule di potenza iniettata, il 15% in più di energia e il doppio della densità rispetto a prima.
Il plasma dovrà essere sia caldo che denso per generare energia affidabile per la rete.
Il record è stato stabilito in un dispositivo di fusione noto come WEST, l’ambiente di tungsteno (W) in Steady-state Tokamak, gestito dalla Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica (CEA).
PPPL collabora da tempo con WEST, che fa parte del gruppo dell’Agenzia internazionale per l’energia atomica per il coordinamento delle sfide internazionali sull’operazione di lunga durata (CICLOP).
Questa pietra miliare rappresenta un passo importante verso gli obiettivi del programma CICLOP. I ricercatori presenteranno un articolo per la pubblicazione nelle prossime settimane.
“Abbiamo bisogno di fornire una nuova fonte di energia, e la fonte dovrebbe essere continua e permanente”, ha detto Xavier Litaudon, scienziato del CEA e presidente del CICLOP.
Litaudon ha detto che il lavoro di PPPL a WEST è un ottimo esempio.
“Questi sono risultati bellissimi. Abbiamo raggiunto un regime stazionario nonostante ci troviamo in un ambiente difficile a causa di questo muro di tungsteno”.
Remi Dumont, capo dell’Experimentation & Plasma Development Group dell’Institute for Magnetic Fusion Research del CEA, è stato il coordinatore scientifico dell’esperimento, definendolo “un risultato spettacolare”.
I ricercatori del PPPL hanno utilizzato un nuovo approccio per misurare diverse proprietà della radiazione plasmatica. Il loro approccio prevedeva un rivelatore di raggi X appositamente adattato originariamente realizzato da DECTRIS, un produttore di elettronica, e successivamente incorporato nel tokamak WEST, una macchina che confina il plasma – il quarto stato ultra-caldo della materia – in un recipiente a forma di ciambella utilizzando campi magnetici.
“Il gruppo di raggi X del Dipartimento Progetti Avanzati del PPPL sta sviluppando tutti questi strumenti innovativi per tokamak e stellarator in tutto il mondo”, ha detto Luis Delgado-Aparicio, capo dei progetti avanzati del PPPL e scienziato capo per la ricerca sulla fisica e il progetto del rivelatore di raggi X.
Questo è solo un esempio dei punti di forza di PPPL nella diagnostica: strumenti di misura specializzati utilizzati, in questo caso, per caratterizzare i plasmi di fusione a caldo.
“La comunità della fusione al plasma è stata tra le prime a testare la tecnologia ibrida di conteggio dei fotoni per monitorare la dinamica del plasma”, ha affermato Nicolas Pilet, responsabile delle vendite di DECTRIS.
“Oggi, WEST ha raggiunto risultati senza precedenti e vorremmo congratularci con il team per il loro successo. La fusione del plasma è un campo scientifico affascinante che è molto promettente per l’umanità. Siamo incredibilmente orgogliosi di contribuire a questo sviluppo con i nostri prodotti e siamo entusiasti della nostra eccellente collaborazione”.
Gli scienziati di tutto il mondo stanno provando diversi metodi per estrarre in modo affidabile il calore dal plasma mentre subisce una reazione di fusione
. Ma questo si è rivelato particolarmente impegnativo, in parte perché il plasma deve essere confinato abbastanza a lungo da rendere il processo economico a temperature molto più calde del centro del sole.
Una versione precedente del dispositivo, Tore Supra, otteneva una reazione leggermente più lunga, ma all’epoca l’interno della macchina era fatto di piastrelle di grafite.
Mentre il carbonio rende l’ambiente più facile per i tiri a lungo termine, potrebbe non essere adatto per un reattore su larga scala perché il carbonio tende a trattenere il combustibile nella parete, il che sarà inaccettabile in un reattore in cui il recupero efficiente del trizio dalla camera del reattore e la reintroduzione nel plasma saranno fondamentali.
Il tungsteno è vantaggioso per trattenere molto meno carburante, ma se anche piccole quantità di tungsteno entrano nel plasma, le radiazioni del tungsteno possono raffreddare rapidamente il plasma.
“L’ambiente della parete di tungsteno è molto più impegnativo rispetto all’uso del carbonio”, ha affermato Delgado-Aparicio.
“Questa è, semplicemente, la differenza tra cercare di afferrare il tuo gattino a casa e cercare di accarezzare il leone più selvaggio”.
Il record è stato misurato utilizzando un nuovo approccio sviluppato dai ricercatori PPPL.
L’hardware per lo strumento di misurazione, o diagnostico, è stato realizzato da DECTRIS e modificato da Delgado-Aparicio e da altri membri del suo team di ricerca, tra cui i ricercatori PPPL Tullio Barbui, Oulfa Chellai e Novimir Pablant.
“La diagnostica misura fondamentalmente la radiazione a raggi X prodotta dal plasma”, ha detto Barbui del dispositivo, noto come fotocamera a raggi X molli multi-energia (ME-SXR).
“Attraverso la misurazione di questa radiazione, possiamo dedurre proprietà molto importanti del plasma, come la temperatura degli elettroni nel nucleo reale del plasma, dove è più caldo”.
Di serie, la diagnostica DECTRIS può essere configurata con tutti i pixel impostati sullo stesso livello di energia.
PPPL ha sviluppato una nuova tecnica di calibrazione che consente loro di impostare l’energia in modo indipendente per ogni pixel.
Barbui ha detto che l’approccio presenta vantaggi rispetto alla tecnica esistente utilizzata in WEST, che può essere difficile da calibrare e genera letture che a volte sono influenzate dalle onde a radiofrequenza utilizzate per riscaldare il plasma.
“Le onde a radiofrequenza non disturbano la nostra diagnostica”, ha detto Barbui.
“Durante i sei minuti di ripresa, siamo stati in grado di misurare abbastanza bene la temperatura dell’elettrone centrale. Era in uno stato molto stazionario di circa 4 kilovolt. È stato un risultato davvero notevole”, ha detto.
La diagnostica cerca la luce proveniente da un tipo specifico di radiazione nota come Bremsstrahlung, che viene prodotta quando un elettrone cambia direzione e rallenta.
La sfida iniziale è stata capire quali frequenze di luce da Bremsstrahlung cercare, perché sia il plasma che le pareti di tungsteno possono emettere questo tipo di radiazione, ma le misurazioni devono concentrarsi sul plasma.
“La banda di energia dei fotoni tra 11 e 18 kiloelettronvolt (keV) ci ha offerto una bella finestra di opportunità dall’emissione del nucleo mai esplorata prima e quindi ha influenzato la nostra decisione di campionare attentamente questo intervallo”, ha detto Delgado-Aparicio.
“Normalmente, quando si applica questa tecnica, si effettuano solo due misurazioni. Questa è la prima volta che effettuiamo una serie di misurazioni”, ha detto Barbui.
Delgado-Aparicio ha anche sottolineato che “la speciale calibrazione del nostro rivelatore ci ha permesso di ottenere letture per ogni livello di energia compreso tra 11 e 18 keV, per ogni linea di vista dalla telecamera, campionando l’intera sezione trasversale”.
Vengono effettuate circa 10 misurazioni al secondo. Il trucco consiste nell’utilizzare l’intensità dell’energia più bassa di 11 keV come livello di riferimento e le misurazioni delle altre sette intensità vengono confrontate con quella iniziale.
In definitiva, questo processo produce sette letture simultanee della temperatura per linea di vista, da qui l’elevata precisione della misurazione.
“Questa capacità innovativa è ora pronta per essere esportata in molte macchine negli Stati Uniti e in tutto il mondo”, ha affermato Delgado-Aparicio.
“Dalle otto diverse misurazioni di intensità, abbiamo ottenuto la migliore adattabilità, che era tra 4 e 4,5 kilovolt per il plasma del nucleo. Questo rappresenta quasi 50 milioni di gradi e per un massimo di sei minuti”, ha detto Delgado-Aparicio.
Le letture diagnostiche possono essere utilizzate non solo per calcolare la temperatura degli elettroni nel plasma, ma anche la carica del plasma e la densità delle impurità nel plasma, che è in gran parte tungsteno che è migrato dalle pareti del tokamak.
“Questo particolare sistema è il primo di questo tipo con discriminazione energetica. In quanto tale, può fornire informazioni sulla temperatura e molti dettagli sul contenuto preciso di impurità – principalmente tungsteno – nello scarico, che è una quantità cruciale per operare in qualsiasi ambiente metallico. È spettacolare”, ha detto Dumont.
Sebbene questi dati possano essere dedotti da molti altri strumenti diagnostici e supportati dalla modellazione, Dumont ha descritto questo nuovo metodo come “più diretto”.
Barbui ha detto che la diagnostica può raccogliere ancora più informazioni in esperimenti futuri.
“Questo rivelatore ha la capacità unica di poter essere configurato per misurare lo stesso plasma con tutte le energie che si desidera”, ha detto Barbui. “Ora, abbiamo selezionato otto energie, ma avremmo potuto sceglierne 10 o 15”.
Litaudon ha detto di essere lieto di avere a portata di mano una tale diagnostica per il programma CICLOP. “In effetti, questa telecamera a risoluzione energetica aprirà una nuova strada in termini di analisi”, ha detto.
“È estremamente impegnativo gestire una struttura con una parete in tungsteno. Ma grazie a queste nuove misurazioni, avremo la capacità di misurare il tungsteno all’interno del plasma e di capire il trasporto del tungsteno dalla parete al nucleo del plasma”.
Litaudon afferma che questo potrebbe aiutarli a ridurre al minimo la quantità di tungsteno nel nucleo del plasma per garantire condizioni operative ottimali per la fusione.
“Grazie a questa diagnostica, siamo in grado di comprendere questo problema e andare alla radice della fisica sia per la misurazione che per la simulazione”.
Anche i calcoli computerizzati effettuati da Dumont, Pierre Manas e Theo Fonghetti del CEA, che hanno richiesto molto tempo, hanno confermato un buon accordo tra le simulazioni pertinenti e le misurazioni riportate dal team PPPL.
Dumont ha anche osservato che la telecamera ME-SXR si basa sull’importante lavoro diagnostico del laboratorio presso WEST. “Il ME-SXR è solo una parte di un contributo più globale della diagnostica da PPPL a CEA/WEST”, ha detto Dumont, notando la fotocamera a raggi X duri e lo spettrometro a cristallo per immagini a raggi X.
“Questa collaborazione ci aiuta molto. Con questa combinazione di diagnostica, saremo in grado di eseguire misurazioni molto accurate nel plasma e controllarlo in tempo reale”.
