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ORNL团队利用现成的物品为融合实验构建便携式诊断程序

西奥多·比耶尔(Theodore Biewer)和他的同事们用来测量血浆是否具有形成融合的正确条件的技术已经存在了一段时间。

他们正在使用的专用激光器和现成的组件也不是什么新鲜事。

但是将它们组装到便携式诊断系统中,该系统可以装载在货车上并在越野实验聚变反应堆原型的驾驶中驾驶吗?

Biewer认为,今年夏天,他的团队将是第一个成功做到这一点的人。

测量血浆参数

能源部的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)聚变能源部门的研究人员Biewer一直在思考一种方法,该方法仅使用可商购的组件来构建便携式系统,该组件可以准确地测量电子温度,离子由美国能源部高级研究计划局能源(ARPA-E)资助的聚变原型中的温度和电子密度。

ARPA-E在其2015年ALPHA计划下资助了9个项目,如果成功,这些项目可以作为新反应堆设计的技术基础。但是该机构需要一种方法来判断原型中的等离子体是否足够热,足够致密,并且是否在磁场中包含得足够好以产生聚变。在2019年1月,该机构征集了其他建议,以构建便携式诊断系统来测量这些新机器中的关键参数。Biewer团队的提议于去年夏天被选中,并于2019年11月获得了略高于100万美元的资金。

到那时,首席研究员Biewer已经研究了用于光发射光谱的市售组件,该技术使用光来测量在什么浓度和温度下存在哪些类型的离子,以及使用Thomson散射进行测量。激光通过将激光散射离开等离子体中的电子来测量电子密度和温度。

博士后研究员Nischal Kafle于2月在ORNL放置了便携式等离子体成像诊断设备的组件。该设备是ARPA-E的一个项目,由现成的零件制成。图片来源:卡洛斯·琼斯/美国橡树岭国家实验室,美国能源部

六个月的结果

Biewer说,汤姆森散射是测量这些参数的金标准,部分原因是它不需要很多解释就能产生有用的数据。汤姆逊散射通常使用高端激光进行,该高端激光已被改装并内置于永久系统中,该永久系统位于与等离子体反应器相邻的专用气候控制建筑物中。

Biewer说:“它们是非常复杂的系统,确实可以很好地完成工作。” “但是ARPA-E希望能够将系统在机器之间移动。因此,我们建议使用一些不如这些永久性系统中使用的激光器强大的激光器,但它们仍然有足够的能量来完成工作。 ”

研发人员Drew Elliott,博士后研究员Nischal Kafle和田纳西大学研究生Zichen“ Horus”在仪器专家Wayne Garren和他的顾问UT教授Zhang Zhili的协助下,已在滚动车上构建该系统。

周转很快。Biewer希望到3月,他们能够在ORNL工程技术中心的等离子源上测试该系统。他希望在五月之前能将数据提交给在新墨西哥举行的第23届高温等离子体诊断主题会议上。

而且他希望到6月,该系统能够运抵新泽西州的普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL),并由他的团队将其装在装在ORNL汽车池中的货车中。

博士后研究员Nischal Kafle,UT研究生Zichen“ Horus” He,仪器专家Wayne Garren和ORNL聚变能源部首席研究员Theodore Biewer从左站在他们建造的便携式等离子体诊断成像设备上。(未显示研发人员Drew Elliott的照片。)团队添加了激光之后,该设备将准备在ORNL进行测试,然后于今年夏天和秋天被带到其他实验性等离子体源。图片来源:卡洛斯·琼斯/美国橡树岭国家实验室,美国能源部

'有激光,将行进'

在PPPL 的融合设备上对系统进行4–6个月的测试后,团队将其带到西雅图华盛顿大学的另一台融合设备,并对其进行大约相同的时间测试。Biewer说,测量第三种设备是可能的-“有激光会传播。”

ORNL作为聚变能领域的领导者的历史使它成为此类项目的主要地点-即使人们怀疑便携式设备能否产生足够准确的测量结果。

“我们从这里构建的系统中获得了经验,” Biewer说。“我们知道需要什么,我们正处于技术开发的便利时机,将所有这些整合到一个包装中,我们可以将其引入这些不同的融合设备中,以衡量它们是否能够做到我们所说的那样。

“我们拥有足够的专业知识,即使遇到一些陷阱,我们也知道如何使自己脱颖而出。您无法事先知道所有信息,但可以随时随地进行调整。”

Biewer说,当时Biewer的小组负责人Jeff Harris将该系统称为“手提箱Thomson散射”,但是ARPA-E为该项目提供资金的所有系统都是便携式的。使他的团队设计与众不同的原因是使用现成的组件,而不是定制的或经过广泛改装的零件。

如果能按预期工作,那么设计最终可能会导致量产的系统,或者ARPA-E可能会继续资助团队的研究工作以改善概念。

Biewer说:“下一个设计可能会更好:更紧凑,更准确。”

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