Se você está perseguindo o objetivo indescritível da fusão nuclear e acha que precisa de um reator maior para fazer o trabalho, Primeiro, você pode querer saber com precisão quanta energia de entrada que emerge do plugue da parede está chegando ao coração de sua máquina.

Se em algum lugar durante essa jornada você pudesse reduzir as perdas internas, você pode não precisar de uma máquina tão grande quanto você pensava.

Para determinar melhor os vazamentos de energia na poderosa máquina Z de Sandia - onde ganhos notáveis ​​na produção de fusão ocorreram nas últimas duas décadas e meia, incluindo uma produção triplicada em 2018 - uma equipe conjunta dos laboratórios nacionais Sandia e Lawrence Livermore instalou um sistema de diagnóstico a laser atualizado.

A busca para entender com precisão quanta energia chega à reação de fusão de Z tornou-se mais urgente à medida que Z se move para produzir o grande número de nêutrons que agora são apenas um fator de 40 abaixo do marco em que a produção de energia é igual à entrada de energia, um estado desejável conhecido como ponto de equilíbrio científico. As correntes excepcionalmente grandes da máquina Z - cerca de 26 megamperes - comprimem diretamente o combustível de fusão até as condições extremas necessárias para que as reações de fusão ocorram.

As reações de fusão em laboratório - a união de núcleos de átomos - têm objetivos civis e militares. Os dados usados ​​em simulações de supercomputadores oferecem informações sobre armas nucleares sem testes subterrâneos, um ambiental, mais financeiro e político. Quanto mais poderosa for a reação, melhores serão os dados.

E, a longo prazo, a visão de alcançar um rendimento extraordinariamente alto, fonte de energia estável e relativamente limpa é a ambição de muitos pesquisadores no campo da fusão.

Uma ajudinha de nossos lasers

O sistema de diagnóstico a laser que Sandia desenvolveu para ajudar a alcançar essas melhorias foi originalmente chamado de VISAR, para sistema de interferômetro de velocidade para qualquer refletor. VISAR obtém informações sobre a energia disponível coletada de uma área do tamanho de uma ponta de lápis.

O novo sistema, chamada Linha VISAR, foi desenvolvido mais tarde em Lawrence Livermore. Ele analisa as informações coletadas dentro do escopo maior disponibilizado por meio de uma linha, em vez de um ponto, fonte.

Ambas as inovações refletem um feixe de laser em um alvo em movimento no centro de Z. Mas há uma grande diferença entre as duas técnicas.

O VISAR usa um cabo de fibra para enviar um pulso de laser de um local externo estável para o centro da máquina. Lá, o pulso é refletido de um ponto em um pedaço de metal do tamanho de uma moeda chamada placa dura. A placa de panfleto, agindo como um espelho, salta o sinal do laser de volta ao longo do cabo. Mas, como a placa voadora é impulsionada pelo enorme pulso eletromagnético de Z por uma distância de aproximadamente um milímetro em algumas centenas de nanossegundos, o pulso de retorno está ligeiramente defasado com a versão de entrada.

Medir a diferença de fase entre as duas ondas determina a velocidade alcançada pela placa dura naquele período. Essa velocidade, combinada matematicamente com a massa da placa dura, é então usado para estimar quanta energia impulsionou a placa. Como a placa fica no coração da máquina, esta figura é quase idêntica à energia que causa as reações de fusão no centro da máquina. Essa observação era o objetivo da VISAR.

Mas o alvo pontual não poderia levar em conta as distorções na própria placa volante causadas pelas enormes pressões criadas pelo campo eletromagnético que conduz seu movimento.

Experimente a ótica

A melhoria de Lawrence Livermore no dispositivo, agora instalado em Z, era enviar um feixe de laser ao longo de um caminho de feixe óptico em vez de um cabo de fibra. Passando por lentes e ricocheteando em espelhos, A linha VISAR retorna uma imagem visual do pulso atingindo a placa inteira, em vez de retornar um único sinal elétrico de um único ponto na placa dura.

Os pesquisadores estudam o contraste entre a imagem Line VISAR com alteração de fase e uma imagem de referência inalterada e, em seguida, cortada ao longo de uma linha para que um filme de ultra-alta velocidade com uma quantidade de dados reduzida, mas viável, possa ser gravado. Ao analisar o filme, que mostra a expansão e deformação da placa dura ao longo da linha, os pesquisadores descobrem uma imagem mais verdadeira da quantidade de energia disponível no coração da máquina.

"Porque você tem resolução espacial, diz com mais precisão onde ocorre a perda atual, "disse Clayton Myers, quem está encarregado dos experimentos em Z usando a linha VISAR.

Técnicos de Sandia e Lawrence Livermore modificaram a linha VISAR para funcionar na Z, onde tudo acontece ativamente no coração de uma máquina que sacode xícaras de café em prédios a várias centenas de metros de distância quando dispara, em comparação com a relativa calma dos disparos na National Ignition Facility em Lawrence Livermore, onde bancos de lasers ficam removidos da esfera tranquila em que ocorrem os disparos.

"A equipe Sandia foi encarregada de integrar os vários componentes do Line VISAR na infraestrutura existente da máquina Z, "Myers disse." Isso significava, entre outras coisas, a engenharia de um sistema de transporte de feixe de 50 metros que forneceu um buffer entre o instrumento e seu alvo Z. "

No entanto, a última ótica da Linha VISAR em Z deve ser substituída para cada tiro porque enfrenta a destruição quase instantânea da energia fornecida quando Z dispara.

Como funciona o novo sistema de detecção? "Maravilhosamente, "disse Myers." Mal posso acreditar na precisão dos dados que estamos obtendo. "