Pierwszy osocze już wkrótce będzie dostępny w kompaktowym sferycznym tokamaku Uniwersytetu w Sewilli o nazwie SMART.
PPPL i Uniwersytet w Sewilli wprowadzają innowacje w technologii termojądrowej w ramach projektu SMART Tokamak, którego celem jest lepsze zamknięcie i stabilność plazmy przy użyciu unikalnych projektów geometrycznych.
Współpraca w zakresie energii termojądrowej
Podobnie jak atomy łączące się, aby uwolnić swoją moc, naukowcy zajmujący się syntezą termojądrową na całym świecie łączą siły, aby rozwiązać światowy kryzys energetyczny. Wykorzystanie mocy topnienia plazmy jako niezawodnego źródła energii dla sieci energetycznej nie jest łatwym zadaniem i wymaga wkładu na skalę globalną.
Laboratorium Fizyki Plazmy w Princeton (PPPL) — amerykańskie laboratorium krajowe finansowane przez Departament Energii (DOE) — kieruje kilkoma działaniami w tym zakresie, w tym współpracą przy projektowaniu i rozwoju nowego urządzenia termojądrowego na Uniwersytecie w Sewilli w Hiszpanii . Tokamak SMall Aspect Ratio (SMART) w dużym stopniu korzysta z kodów komputerowych PPPL, a także wiedzy laboratorium w zakresie systemów magnetycznych i czujników.
Pionierski tokamak SMART
„Projekt SMART jest doskonałym przykładem naszej wspólnej pracy nad rozwiązaniem wyzwań związanych z syntezą termojądrową i nauczeniem następnego pokolenia tego, czego już się nauczyliśmy” – powiedział Jack Berkery, zastępca dyrektora ds. badań PPPL ds. badań Ulepszenie krajowego eksperymentu torusa sferycznego (NSTX-U) i główny badacz ds. współpracy PPPL ze SMART. „Musimy to zrobić wszyscy razem, inaczej do tego nie dojdzie”.
Manuel Garcia-Munoz i Eleonora Viezzer, profesorowie na Wydziale Fizyki Atomowej, Molekularnej i Jądrowej Uniwersytetu w Sewilli, a także współliderzy Laboratorium Nauki o Plazmie i Technologii Fuzji oraz projektu SMART tokamak, stwierdzili, że PPPL wydaje się być idealny partner do pierwszego eksperymentu z tokamakiem. Następnym krokiem była decyzja, jaki rodzaj tokamaka powinni zbudować.
„Musiało to być rozwiązanie, na które mógł sobie pozwolić uniwersytet, ale także takie, które mogło wnieść wyjątkowy wkład w krajobraz syntezy jądrowej na skalę uniwersytecką” – stwierdził Garcia-Munoz. „Pomysł polegał na połączeniu technologii, które zostały już ustalone: tokamaku sferycznego i ujemnej trójkątności, dzięki czemu SMART był pierwszym w swoim rodzaju. Okazuje się, że był to fantastyczny pomysł.”
Udoskonalanie projektu tokamaka
Trójkątność odnosi się do kształtu plazmy względem tokamaka. Przekrój plazmy w tokamaku ma zazwyczaj kształt dużej litery D. Kiedy prosta część litery D jest zwrócona w stronę środka tokamaka, mówi się, że ma ona dodatnią trójkątność. Kiedy zakrzywiona część plazmy jest zwrócona w stronę środka, plazma ma ujemną trójkątność.
Garcia-Munoz stwierdziła, że ujemna trójkątność powinna zapewnić lepszą wydajność, ponieważ może tłumić niestabilności, które wyrzucają cząsteczki i energię z plazmy, zapobiegając uszkodzeniu ściany tokamaka. „To potencjalna zmiana zasad gry dzięki atrakcyjnej wydajności syntezy jądrowej i możliwości przenoszenia mocy dla przyszłych kompaktowych reaktorów termojądrowych” – powiedział. „Ujemna trójkątność charakteryzuje się niższym poziomem fluktuacji wewnątrz plazmy, ale ma również większy obszar odchylający do rozprowadzania ciepła”.
Kulisty kształt SMART powinien sprawić, że będzie on lepiej ograniczał plazmę, niż byłoby to możliwe, gdyby miał kształt pierścienia. Kształt ma istotne znaczenie z punktu widzenia zamknięcia plazmy. Właśnie dlatego NSTX-U, główny eksperyment PPPL dotyczący syntezy jądrowej, nie jest przysadzisty jak inne tokamaki: bardziej okrągły kształt ułatwia zamknięcie plazmy. SMART będzie pierwszym tokamakiem sferycznym, który w pełni zbada potencjał określonego kształtu plazmy, zwanego ujemną trójkątnością.
Symulacja i diagnostyka
PPPL ma długą historię przewodzenia w badaniach nad tokamakami sferycznymi. Zespół zajmujący się syntezą jądrową Uniwersytetu w Sewilli najpierw skontaktował się z PPPL w celu wdrożenia SMART w TRANSP, oprogramowaniu symulacyjnym opracowanym i utrzymywanym przez laboratorium. Z TRANSP korzystają dziesiątki obiektów, w tym także prywatne przedsięwzięcia takie jak w Anglii.
„PPPL jest światowym liderem w wielu, wielu obszarach, w tym w symulacji syntezy termojądrowej; TRANSP jest doskonałym przykładem ich sukcesu” – powiedział Garcia-Munoz.
Mario Podesta, poprzednio pracujący w PPPL, odegrał kluczową rolę w pomaganiu Uniwersytetowi w Sewilli w określeniu konfiguracji wiązek neutralnych używanych do ogrzewania plazmy. Praca ta zakończyła się a opublikowane w czasopiśmie Fizyka plazmy i kontrolowana synteza termojądrowa.
Stanley Kaye, dyrektor ds. badań w NSTX-U, współpracuje obecnie z Diego Jose Cruz-Zabalą, pracownikiem naukowym EUROfusion Bernard Bigot z zespołu SMART, używając TRANSP „w celu określenia prądów cewek kształtujących niezbędnych do uzyskania projektowanych kształtów plazmy dodatniej trójkątność i ujemna trójkątność w różnych fazach działania.” Kaye powiedziała, że pierwsza faza będzie obejmować „bardzo podstawową” plazmę. W fazie drugiej neutralne wiązki będą podgrzewać plazmę.
Odrębnie inne kody komputerowe zostały wykorzystane do oceny stabilności przyszłych plazm SMART przez Berkery’ego, byłego stażystę Johna Labbate’a, który obecnie jest absolwentem Uniwersytet Kolumbiioraz były student Uniwersytetu w Sewilli, Jesús Domínguez-Palacios, który obecnie przeniósł się do amerykańskiej firmy. A W Fuzja nuklearna autorstwa Domíngueza-Palaciosa omawia tę pracę.
W ramach testu tokamaka w SMART przeprowadzane jest wyładowanie jarzeniowe podgrzewane mikrofalami. Źródło: Uniwersytet w Sewilli
Zapewnienie długoterminowych możliwości diagnostycznych
Współpraca pomiędzy SMART i PPPL rozszerzyła się również na jeden z głównych obszarów specjalizacji laboratorium: czyli urządzenia wyposażone w czujniki do oceny plazmy. Badacze PPPL opracowują kilka takich metod diagnostyki. Fizycy PPPL Manjit Kaur i Ahmed Diallo wraz z Viezzerem kierują na przykład projektowaniem diagnostyki rozpraszania Thomsona SMART. Ta diagnostyka pozwoli precyzyjnie zmierzyć temperaturę i gęstość elektronów w plazmie podczas reakcji termojądrowych, jak opisano szczegółowo w opublikowane w czasopiśmie Przegląd instrumentów naukowych. Pomiary te zostaną uzupełnione pomiarami temperatury, rotacji i gęstości jonów zapewnianymi przez diagnostykę znaną jako zestaw spektroskopii rekombinacji wymiany ładunku opracowany przez Alfonso Rodrigueza-Gonzaleza, absolwenta uniwersytetów w Sewilli, Cruz-Zabala i Viezzer.
„Ta diagnostyka może trwać dziesięciolecia, więc projektując system, pamiętamy o tym” – powiedział Kaur. Przy opracowywaniu projektów ważne było, aby diagnostyka była w stanie obsłużyć zakresy temperatur, jakie SMART może osiągnąć w ciągu najbliższych kilku dekad, a nie tylko początkowe, niskie wartości – dodała.
Kaur zaprojektowała diagnostykę rozpraszania Thomsona od początku projektu, wybierając i kupując różne jego podczęści, w tym laser, który jej zdaniem najlepiej pasował do tego zadania. Była podekscytowana, widząc, jak dobrze poszły testy laserowe, gdy Gonzalo Jimenez i Viezzer przesłali jej zdjęcia z Hiszpanii. Test polegał na ustawieniu lasera na stole i wystrzeleniu go w kawałek specjalnego pergaminu, który naukowcy nazywają „palącym papierem”. Jeśli laser zostanie odpowiednio zaprojektowany, ślady przypaleń będą okrągłe i mają stosunkowo gładkie krawędzie. „Początkowe wyniki testów laserowych były po prostu wspaniałe” – powiedziała. „Teraz z niecierpliwością czekamy na otrzymanie innych części, aby rozpocząć diagnostykę”.
James Clark, inżynier badawczy PPPL, którego praca doktorska skupiała się na układach rozpraszających Thomsona, został później zaproszony do współpracy z Kaurem. „Projektowałem ścieżkę lasera i związaną z nią optykę” – wyjaśnił Clark. Oprócz pracy nad inżynieryjną stroną projektu Clark pomagał także w kwestiach logistycznych, decydując, w jaki sposób i kiedy elementy powinny zostać dostarczone, zainstalowane i skalibrowane.
Kierownik projektów zaawansowanych PPPL Luis Delgado-Aparicio wraz ze stypendystą Marii Skłodowskiej-Curie Joaquinem Galdonem-Quirogą i absolwentem Uniwersytetu w Sewilli Jesusem Salas-Barcenasem prowadzą wysiłki mające na celu dodanie do SMART dwóch innych rodzajów diagnostyki: multienergetycznej, diagnostyka i spektrometry miękkiego rentgenowskiego (ME-SXR). ME-SXR będzie również mierzyć temperaturę i gęstość elektronów w plazmie, ale przy użyciu innego podejścia niż system rozpraszania Thomsona. ME-SXR będzie wykorzystywał zestawy małych elementów elektronicznych zwanych diodami do pomiaru promieni rentgenowskich. W połączeniu narzędzie do diagnostyki rozpraszania Thomsona i ME-SXR kompleksowo przeanalizują temperaturę i gęstość elektronów w plazmie.
Obserwując różne częstotliwości światła wewnątrz tokamaka, spektrometry mogą dostarczyć informacji o zanieczyszczeniach w plazmie, takich jak tlen, węgiel i azot. „Korzystamy z gotowych spektrometrów i projektujemy narzędzia do umieszczenia ich w maszynie, obejmujące światłowody” – powiedział Delgado-Aparicio. Inny opublikowane w Przegląd instrumentów naukowych omawia konstrukcję tej diagnostyki.
Fizyk badawczy PPPL Stefano Munaretto pracował nad magnetycznym systemem diagnostycznym dla SMART w ramach prac terenowych kierowanych przez studenta Uniwersytetu w Sewilli Fernando Puentes del Pozo Fernando. „Sama diagnostyka jest dość prosta” – powiedział Munaretto. „To tylko drut owinięty wokół czegoś. Większość pracy polega na optymalizacji geometrii czujnika poprzez prawidłowe określenie jego rozmiaru, kształtu i długości, wybraniu miejsca jego umieszczenia, a następnie kondycjonowaniu sygnału i analizie danych. Konstrukcja magnesów SMART jest szczegółowo opisana .
Munaretto powiedział, że praca nad SMART była bardzo satysfakcjonująca, ponieważ większość zespołu zajmującego się diagnostyką magnetyczną składała się z młodych studentów z niewielkim doświadczeniem w tej dziedzinie. „Chcą się uczyć i dużo pracują. Zdecydowanie widzę dla nich świetlaną przyszłość.”
Delgado-Aparicio zgodził się. „Bardzo podobała mi się praca z Manuelem Garcią-Munozem, Eleonorą Viezzer i wszystkimi innymi bardzo doświadczonymi naukowcami i profesorami na Uniwersytecie w Sewilli, ale najbardziej podobała mi się praca z bardzo dynamiczną pulą studentów, jaką tam mają” – powiedział. „Są genialni i bardzo pomogli mi w zrozumieniu stojących przed nami wyzwań i tego, jak postępować w kierunku uzyskania pierwszej plazmy”.
Naukowcy z Uniwersytetu w Sewilli przeprowadzili już test tokamaka, który wykazał różową poświatę argonu po podgrzaniu za pomocą mikrofal. Proces ten pomaga przygotować wewnętrzne ściany tokamaka na znacznie gęstszą plazmę zawartą pod wyższym ciśnieniem. Chociaż technicznie rzecz biorąc, ta różowa poświata pochodzi od plazmy, panuje ona pod tak niskim ciśnieniem, że badacze nie uważają jej za swoją pierwszą plazmę tokamakową. Garcia-Munoz twierdzi, że stanie się to prawdopodobnie jesienią 2024 r.
Odniesienie: „Projekt diagnostyki rozpraszania Thomsona dla tokamaka o małym współczynniku kształtu (SMART)
Kolekcja specjalna: Materiały z 25. konferencji tematycznej na temat diagnostyki plazmy wysokotemperaturowej” M. Kaur, A. Diallo, B. LeBlanc, J. Segado-Fernandez, E. Viezzer, RB Huxford, A. Mancini, DJ Cruz-Zabala , M. Podesta, JW Berkery i M. Garcia-Muñoz, 4 września 2024 r., Przegląd instrumentów naukowych.
DOI: 10.1063/5.0219308
Wsparcie dla tych badań pochodzi od DOE w ramach umowy o numerze DE-AC02-09CH11466, umów o udzielenie dotacji Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych nr 101142810 i 805162, umowy o udzielenie dotacji w ramach programu badawczo-szkoleniowego Euratom 101052200 – EUROfusion oraz Junta de Andalucía Ayuda a Infraestructuras y Equipamiento de I +D+i IE17-5670 i Proyectos I+D+i FEDER Andalucía 2014-2020, US-15570.
