Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) mediram um novo recorde para um dispositivo de fusão revestido internamente de tungstênio, o elemento que poderia ser o mais adequado para as máquinas em escala comercial necessárias para tornar a fusão viável. fonte de energia para o mundo.



O dispositivo sustentou um plasma de fusão quente de aproximadamente 50 milhões de graus Celsius por um recorde de seis minutos com 1,15 gigajoules de energia injetada, 15% mais energia e o dobro da densidade do que antes. O plasma precisará ser quente e denso para gerar energia confiável para a rede.

O recorde foi estabelecido em um dispositivo de fusão conhecido como WEST, o ambiente de tungstênio (W) em Tokamak de estado estacionário, que é operado pela Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA). O PPPL tem parceria há muito tempo com o WEST, que faz parte do grupo da Agência Internacional de Energia Atômica para a Coordenação de Desafios Internacionais em Operações de Longa Duração (CICLOP).

Este marco representa um passo importante em direção aos objetivos do programa CICLOP. Os pesquisadores submeterão um artigo para publicação nas próximas semanas.

“Precisamos fornecer uma nova fonte de energia, e a fonte deve ser contínua e permanente”, disse Xavier Litaudon, cientista do CEA e presidente do CICLOP. Litaudon disse que o trabalho do PPPL no WEST é um excelente exemplo.

"Estes são belos resultados. Alcançamos um regime estacionário apesar de estarmos num ambiente desafiador devido a esta parede de tungstênio."

Remi Dumont, chefe do Grupo de Experimentação e Desenvolvimento de Plasma do Instituto de Pesquisa de Fusão Magnética do CEA, foi o coordenador científico do experimento, chamando-o de “um resultado espetacular”.

Os pesquisadores do PPPL usaram uma nova abordagem para medir diversas propriedades da radiação plasmática. A abordagem deles envolveu um detector de raios X especialmente adaptado, originalmente feito pela DECTRIS, um fabricante de eletrônicos, e mais tarde incorporado ao tokamak WEST, uma máquina que confina o plasma – o quarto estado ultraquente da matéria – em um recipiente em forma de donut usando magnetismo. Campos.

"O grupo de raios X do Departamento de Projetos Avançados do PPPL está desenvolvendo todas essas ferramentas inovadoras para tokamaks e stellarators em todo o mundo", disse Luis Delgado-Aparicio, chefe de projetos avançados do PPPL e cientista-chefe da pesquisa física e de raios-X. projeto detector.

Este é apenas um exemplo dos pontos fortes do PPPL em diagnóstico:ferramentas de medição especializadas utilizadas, neste caso, para caracterizar plasmas de fusão a quente.

“A comunidade de fusão de plasma foi uma das primeiras a testar a tecnologia híbrida de contagem de fótons para monitorar a dinâmica do plasma”, disse Nicolas Pilet, chefe de vendas da DECTRIS.

"Hoje, o WEST alcançou resultados sem precedentes e gostaríamos de parabenizar a equipe pelo seu sucesso. A fusão de plasma é um campo científico fascinante que traz grandes promessas para a humanidade. Estamos extremamente orgulhosos de contribuir para este desenvolvimento com nossos produtos e estamos entusiasmados pela nossa excelente colaboração."

Cientistas de todo o mundo estão tentando métodos diferentes para extrair calor do plasma de maneira confiável enquanto ele sofre uma reação de fusão. Mas isto revelou-se particularmente desafiante, em parte porque o plasma deve ser confinado durante tempo suficiente para tornar o processo económico a temperaturas muito mais quentes do que o centro do sol.

Uma versão anterior do dispositivo – Tore Supra – alcançava uma reação um pouco mais longa, ou tiro, mas naquela época o interior da máquina era feito de telhas de grafite.

Embora o carbono torne o ambiente mais fácil para tiros de longo alcance, pode não ser adequado para um reator de grande escala porque o carbono tende a reter o combustível na parede, o que será inaceitável num reator onde a recuperação eficiente de trítio da câmara do reator e a reintrodução no plasma será fundamental.

O tungstênio é vantajoso por reter muito menos combustível, mas mesmo que pequenas quantidades de tungstênio entrem no plasma, a radiação do tungstênio pode resfriar rapidamente o plasma.

“O ambiente das paredes de tungstênio é muito mais desafiador do que o uso de carbono”, disse Delgado-Aparicio. “Esta é, simplesmente, a diferença entre tentar agarrar o seu gatinho em casa e tentar acariciar o leão mais selvagem.”

Novas medidas de diagnóstico batem recorde

O tiro foi medido usando uma nova abordagem desenvolvida por pesquisadores do PPPL. O hardware da ferramenta de medição, ou diagnóstico, foi feito pelo DECTRIS e modificado por Delgado-Aparicio e outros de sua equipe de pesquisa, incluindo os pesquisadores do PPPL Tullio Barbui, Oulfa Chellai e Novimir Pablant.

“O diagnóstico basicamente mede a radiação de raios X produzida pelo plasma”, disse Barbui sobre o dispositivo, conhecido como câmera de raios X suave multienergia (ME-SXR).

“Através da medição desta radiação, podemos inferir propriedades muito importantes do plasma, como a temperatura dos elétrons no núcleo real do plasma, onde é mais quente”.

Pronto para uso, o diagnóstico DECTRIS normalmente pode ser configurado com todos os pixels definidos para o mesmo nível de energia. A PPPL desenvolveu uma nova técnica de calibração que permite definir a energia de forma independente para cada pixel.

Barbui disse que a abordagem tem vantagens sobre a técnica existente usada no WEST, que pode ser difícil de calibrar e gera leituras que às vezes são afetadas pelas ondas de radiofrequência usadas para aquecer o plasma. “As ondas de radiofrequência não incomodam o nosso diagnóstico”, disse Barbui.

"Durante a filmagem de seis minutos, conseguimos medir muito bem a temperatura do elétron central. Estava em um estado muito estável de cerca de 4 quilovolts. Foi um resultado bastante notável", disse ele.

Procurando luz nos níveis de energia certos

O diagnóstico procura a luz de um tipo específico de radiação conhecido como Bremsstrahlung, que é produzido quando um elétron muda de direção e desacelera. O desafio inicial foi descobrir quais frequências de luz do Bremsstrahlung procurar porque tanto o plasma quanto as paredes de tungstênio podem emitir esse tipo de radiação, mas as medições precisam se concentrar no plasma.

"A faixa de energia dos fótons entre 11 e 18 quiloelétron-volts (keV) nos ofereceu uma boa janela de oportunidade da emissão central nunca explorada antes e, portanto, influenciou nossa decisão de amostrar cuidadosamente essa faixa", disse Delgado-Aparicio.

“Normalmente, quando essa técnica é aplicada, são feitas apenas duas medições. É a primeira vez que fazemos uma série de medições”, disse Barbui.

Delgado-Aparicio destacou ainda que “a calibração especial do nosso detector permitiu-nos obter leituras para cada nível de energia entre 11 e 18 keV, para cada linha de visão da câmera, enquanto amostrava toda a seção transversal”.

Aproximadamente 10 medições são feitas por segundo. O truque é usar a intensidade da energia mais baixa de 11 keV como nível de referência, e as medições das outras sete intensidades são comparadas com a inicial. Em última análise, este processo produz sete leituras simultâneas de temperatura por linha de visão, daí a alta precisão da medição.

“Esta capacidade inovadora está agora pronta para ser exportada para muitas máquinas nos EUA e em todo o mundo”, disse Delgado-Aparicio.

“Das oito medições de intensidade diferentes, obtivemos o melhor ajuste, que ficou entre 4 e 4,5 quilovolts para o plasma central. Isso representa quase 50 milhões de graus e por até seis minutos”, disse Delgado-Aparicio.

As leituras de diagnóstico podem ser usadas não apenas para calcular a temperatura dos elétrons no plasma, mas também a carga do plasma e a densidade das impurezas no plasma, que é em grande parte tungstênio que migrou das paredes do tokamak.

"Este sistema específico é o primeiro deste tipo com discriminação de energia. Como tal, pode fornecer informações sobre a temperatura e muitos detalhes sobre o teor preciso de impurezas - principalmente tungstênio - na descarga, que é uma quantidade crucial para operar em qualquer ambiente metálico .

“É espetacular”, disse Dumont. Embora esses dados possam ser inferidos a partir de vários outros diagnósticos e apoiados por modelagem, Dumont descreveu esse novo método como “mais direto”.

Barbui disse que o diagnóstico pode reunir ainda mais informações em experimentos futuros. “Este detector tem a capacidade única de poder ser configurado para medir o mesmo plasma com quantas energias você desejar”, ​​disse Barbui. “Agora selecionamos oito energias, mas poderíamos ter selecionado 10 ou 15.”

Litaudon disse que está satisfeito por ter esse diagnóstico disponível para o programa CICLOP. “Na verdade, esta câmera com resolução energética abrirá um novo caminho em termos de análise”, disse ele.

"É extremamente desafiador operar uma instalação com parede de tungstênio. Mas graças a essas novas medições, teremos a capacidade de medir o tungstênio dentro do plasma e compreender o transporte de tungstênio da parede para o núcleo do plasma."

Litaudon diz que isso poderia ajudá-los a minimizar a quantidade de tungstênio no núcleo do plasma para garantir condições operacionais ideais para a fusão. "Graças a estes diagnósticos, podemos compreender este problema e ir à raiz da física tanto para medição como para simulação."

Cálculos computacionais demorados realizados por Dumont, Pierre Manas e Theo Fonghetti do CEA também confirmaram uma boa concordância entre as simulações relevantes e as medições relatadas pela equipe do PPPL.

Dumont também observou que a câmera ME-SXR se baseia no importante trabalho de diagnóstico do Laboratório no WEST. “O ME-SXR é apenas parte de uma contribuição mais global de diagnósticos do PPPL para o CEA/WEST”, disse Dumont, observando a câmera de raios X rígida e o espectrômetro de cristal de imagem de raios X.

“Essa colaboração nos ajuda muito. Com essa combinação de diagnósticos, poderemos realizar medições muito precisas no plasma e controlá-lo em tempo real”.

Fornecido pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton