Zichen "Horus", étudiant diplômé de l'Université du Tennessee, assemble un élément d'un système d'imagerie diagnostique portable qui mesurera les paramètres du plasma dans des réacteurs expérimentaux. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Les techniques que Theodore Biewer et ses collègues utilisent pour mesurer si le plasma a les bonnes conditions pour créer la fusion existent depuis un certain temps.
Les lasers spécialisés et les composants standard avec lesquels ils travaillent ne sont pas nouveaux, Soit.
Mais les assembler dans un système de diagnostic portable qui peut être chargé dans une camionnette et conduit lors d'une tournée à travers le pays de prototypes de réacteurs à fusion expérimentaux ?
Biewer pense que son équipe sera la première à réussir cet été.
Mesure des paramètres du plasma
Depuis environ un an, Biewer, chercheur à la Division de l'énergie de fusion du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, a pensé à un moyen de construire un système portable, en utilisant uniquement des composants disponibles dans le commerce, qui peut mesurer avec précision la température des électrons, température des ions, et la densité électronique dans les prototypes de fusion financés par l'Agence pour les projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E) du DOE.
L'ARPA-E finance neuf projets dans le cadre de son programme ALPHA 2015, qui, en cas de succès, pourrait servir de base technologique pour de nouvelles conceptions de réacteurs. Mais l'agence avait besoin d'un moyen de savoir si le plasma des prototypes est assez chaud, assez dense, et contenu suffisamment bien dans le champ magnétique pour produire la fusion. En janvier 2019, l'agence a sollicité des propositions supplémentaires pour construire des systèmes de diagnostic portables pour mesurer les paramètres clés de ces nouvelles machines. La proposition de l'équipe de Biewer a été sélectionnée l'été dernier et a reçu un financement d'un peu plus d'un million de dollars en novembre 2019.
À ce moment, Biewer, qui est le chercheur principal, avait déjà recherché les composants disponibles dans le commerce pour la spectroscopie d'émission optique, une technique qui utilise la lumière pour mesurer quels types d'ions sont présents à quelles concentrations et à quelles températures, et la diffusion de Thomson, qui utilise des lasers pour mesurer la densité électronique et la température par diffusion de la lumière laser des électrons dans le plasma.
Le chercheur postdoctoral Nischal Kafle positionne un composant pour un appareil de diagnostic d'imagerie plasma portable à l'ORNL en février. Le dispositif, un projet pour l'ARPA-E, est construit à partir de pièces standard. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Six mois avant les résultats
Biewer a déclaré que la diffusion Thomson est l'étalon-or pour mesurer ces paramètres, en partie parce qu'il produit des données qui sont utiles sans avoir besoin de beaucoup d'interprétation. La diffusion Thomson est généralement réalisée avec des lasers haut de gamme qui ont été adaptés et intégrés dans des systèmes permanents logés dans des bâtiments dédiés climatisés adjacents aux réacteurs à plasma.
"Ce sont des systèmes très compliqués qui font vraiment bien le travail, " Biewer a déclaré. "Mais ARPA-E voulait pouvoir déplacer le système d'une machine à l'autre. Nous avons donc proposé d'utiliser des lasers qui ne sont pas aussi puissants que ceux utilisés dans ces systèmes permanents, mais qui ont encore assez d'énergie pour faire le travail."
membre du personnel de R&D Drew Elliott, chercheur postdoctoral Nischal Kafle, et Zichen "Horus" étudiant diplômé de l'Université du Tennessee. Il a construit le système sur un chariot roulant, assisté du spécialiste de l'instrumentation Wayne Garren et du conseiller de He, Le professeur de l'UT Zhili Zhang.
Le retournement est rapide. D'ici mars, Biewer espère qu'ils auront testé le système sur une source de plasma au centre de technologie d'ingénierie de l'ORNL. D'ici mai, il espère avoir des données à présenter à la 23e conférence thématique sur le diagnostic du plasma à haute température au Nouveau-Mexique.
Et en juin, il espère que le système sera en route vers Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) dans le New Jersey, encaissé dans une fourgonnette du parc automobile de l'ORNL, conduit par son équipe.
De gauche, chercheur postdoctoral Nischal Kafle, L'étudiant diplômé de l'UT Zichen "Horus" He, spécialiste de l'instrumentation Wayne Garren, et le chercheur principal Theodore Biewer de la division Fusion Energy de l'ORNL présentent un appareil portable d'imagerie diagnostique au plasma qu'ils ont construit. (Non sur la photo, Drew Elliott, membre du personnel de R&D.) Une fois que l'équipe a ajouté un laser, l'appareil sera prêt à être testé à l'ORNL avant d'être acheminé vers d'autres sources de plasma expérimentales cet été et cet automne. Crédit :Carlos Jones/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
'Avoir un laser, voyagera'
Après 4 à 6 mois de test du système sur un appareil de fusion au PPPL, l'équipe l'emmènera dans un autre appareil de fusion à l'Université de Washington à Seattle et le testera pendant à peu près la même durée. Un voyage pour mesurer un troisième appareil est possible—"Ayez un laser, voyagera, " a déclaré Biewer.
L'histoire de l'ORNL en tant que leader de l'énergie de fusion en a fait un emplacement de choix pour un projet de ce type, même au milieu du scepticisme qu'un appareil portable pourrait produire des mesures suffisamment précises pour être utiles.
"Nous avons l'expérience des systèmes construits ici, " Biewer a déclaré. "Nous savons ce qu'il faut, et nous sommes à un moment opportun dans le développement technologique pour rassembler tout cela dans un package que nous pouvons guider vers ces différents dispositifs de fusion pour mesurer s'ils peuvent faire ce que nous disons qu'ils peuvent.
"Nous avons suffisamment de savoir-faire pour que même si nous rencontrons des écueils, nous savons comment nous en sortir. Vous ne pouvez pas tout savoir à l'avance, mais vous pouvez vous adapter aux événements à la volée."
alors chef de groupe de Biewer, Jeff Harris, surnommé le système "valise de diffusion Thomson, " mais tous les systèmes que l'ARPA-E finance pour ce projet sont portables, dit Biewer. Ce qui rend la conception de son équipe unique, c'est l'utilisation de composants standard au lieu de pièces sur mesure ou largement adaptées.
Si cela fonctionne comme prévu, la conception pourrait finalement conduire à un système produit en série, ou ARPA-E peut continuer à financer la recherche de l'équipe pour améliorer le concept.
"Le prochain design pourrait être encore meilleur :plus compact, plus précise, " a déclaré Biewer.
