Poput atoma koji se okupljaju da oslobode svoju snagu, istraživači fuzije širom sveta udružuju snage kako bi rešili svetsku energetsku krizu. Iskorištavanje moći fuzione plazme kao pouzdanog izvora energije za električnu mrežu nije lak zadatak, jer zahteva globalne doprinose.
Prinstonska laboratorija za fiziku plazme (PPPL) predvodi nekoliko napora na ovom frontu, uključujući saradnju na dizajnu i razvoju novog uređaja za fuziju na Univerzitetu u Sevilji u Španiji. Small Aspect Ratio Tokamak (SMART) ima velike koristi od PPPL kompjuterskih kodova, kao i od laboratorijske ekspertize u oblastima magneta i senzorskih sistema.
„Projekat SMART je odličan primer da svi zajedno radimo na rešavanju izazova koje predstavlja fuzija i podučavanju sledeće generacije onome što smo već naučili“, rekao je Džek Berkeri, zamenik direktora istraživanja PPPL-a za Nacionalni eksperimentalni eksperiment sa sfernim torusom ( NSTKS-U) i glavni istraživač za PPPL saradnju sa SMART-om. „Moramo svi zajedno da uradimo ovo ili se to neće dogoditi.
Manuel Garcia-Munoz i Eleonora Viezzer, oboje profesori na Odseku za atomsku, molekularnu i nuklearnu fiziku Univerziteta u Sevilji, kao i ko-lideri Laboratorije za nauku o plazmi i tehnologiji fuzije i projekta SMART tokamak, rekli su da PPPL izgleda kao idealan partner za njihov prvi eksperiment sa tokamakom. Sledeći korak je bio odlučivanje kakav tokamak treba da izgrade.
„Morao je da bude onaj koji bi univerzitet mogao da priušti, ali i onaj koji bi mogao dati jedinstven doprinos fuzijskom pejzažu na univerzitetskoj skali“, rekao je Garsija-Munjoz. „Ideja je bila da se spoje tehnologije koje su već uspostavljene: sferni tokamak i negativna trougla, čime je SMART postao prvi te vrste. Ispostavilo se da je to bila fantastična ideja.“
Trouglastost se odnosi na oblik plazme u odnosu na tokamak. Poprečni presek plazme u tokamaku je tipično oblikovan kao veliko slovo D. Kada je pravi deo D okrenut ka centru tokamaka, kaže se da ima pozitivan trouglast. Kada je zakrivljeni deo plazme okrenut ka centru, plazma ima negativan trouglast.
Garcia-Munoz je rekao da negativna trougla treba da ponudi poboljšane performanse jer može da potisne nestabilnosti koje izbacuju čestice i energiju iz plazme, sprečavajući oštećenje zida tokamaka.
„To je potencijalna promena igre sa atraktivnim performansama fuzije i snagom za buduće kompaktne fuzione reaktore“, rekao je on. „Negativna trouglastost ima niži nivo fluktuacija unutar plazme, ali takođe ima veću površinu divertora za distribuciju izduvne toplote.
Sferni oblik SMART-a bi trebalo da ga učini boljim u ograničavanju plazme nego što bi bio da je u obliku krofne. Oblik je značajno važan u smislu zadržavanja plazme. Zato NSTKS-U, glavni PPPL-ov eksperiment fuzije, nije čučanj kao neki drugi tokamaci: zaobljeniji oblik olakšava ograničavanje plazme. SMART će biti prvi sferni tokamak koji će u potpunosti istražiti potencijal određenog oblika plazme poznatog kao negativna trougla.
PPPL ima dugu istoriju liderstva u istraživanju sfernog tokamaka. Tim za fuziju Univerziteta u Sevilji je prvo kontaktirao PPPL da implementira SMART u TRANSP, softver za simulaciju koji je razvio i održava Lab. Desetine objekata koriste TRANSP, uključujući privatne poduhvate kao što je Tokamak Energi u Engleskoj.
„PPPL je svetski lider u mnogim, mnogim oblastima, uključujući simulaciju fuzije; TRANSP je odličan primer njihovog uspeha“, rekao je Garsija-Munjoz.
Mario Podesta, ranije iz PPPL-a, bio je sastavni deo pomoći Univerzitetu u Sevilji da odredi konfiguraciju neutralnih zraka koji se koriste za zagrevanje plazme. Taj rad je kulminirao u radu objavljenom u časopisu Fizika plazme i kontrolisana fuzija.
Stenli Kej, direktor istraživanja za NSTKS-U, sada radi sa Dijegom Hozeom Kruz-Zabalom, EUROfusion Bernard Bigot istraživačkim saradnikom, iz SMART tima, koristeći TRANSP „kako bi odredio struje zavojnica za oblikovanje koje su neophodne za postizanje njihovih dizajna pozitivnih oblika plazme trouglastost i negativna trougla u različitim fazama rada“. Prva faza, rekla je Kej, će uključivati „veoma osnovnu“ plazmu. Druga faza će imati neutralne zrake koji zagrevaju plazmu.
Odvojeno, drugi kompjuterski kodovi su korišćeni za procenu stabilnosti budućih SMART plazmi od strane Berkerija, bivšeg stažista Džona Labatea, koji je sada postdiplomski student na Univerzitetu Kolumbija, i bivšeg diplomiranog studenta Univerziteta u Sevilji, Hesusa Domingeza Palasiosa, koji je sada prešao u američku kompaniju. Novi rad u Nuclear Fusion od Dominguez-Palaciosa govori o ovom radu.
Saradnja između SMART-a i PPPL-a se takođe proširila na jednu od ključnih oblasti ekspertize Laboratorije: dijagnostiku, koji su uređaji sa senzorima za procenu plazme. Istraživači PPPL-a osmišljavaju nekoliko takvih dijagnostika. PPPL fizičari Manjit Kaur i Ahmed Diallo, zajedno sa Viezzerom, vode dizajn SMART-ove Thomsonove dijagnostike rasejanja, na primer.
Ova dijagnostika će precizno meriti temperaturu i gustinu elektrona plazme tokom reakcija fuzije, kao što je detaljno opisano u novom radu objavljenom u časopisu Pregled naučnih instrumenata. Ova merenja će biti dopunjena merenjima temperature jona, rotacije i gustine koju obezbeđuje dijagnostika poznata kao spektroskopska spektroskopija razmene naelektrisanja koju je razvio Alfonso Rodriguez-Gonzalez, postdiplomac na Univerzitetu u Sevilji, Cruz-Zabala i Viezzer.
„Ova dijagnostika može da traje decenijama, tako da kada dizajniramo sistem, imamo to na umu“, rekao je Kaur. Prilikom razvoja dizajna, bilo je važno da dijagnostika može da podnese temperaturne opsege koje SMART može da postigne u narednih nekoliko decenija, a ne samo početne, niske vrednosti, rekla je ona.
Kaur je dizajnirala Thomsonovu dijagnostiku rasejanja od početka projekta, birajući i nabavljajući različite pod-delove, uključujući laser za koji je smatrala da najbolje odgovara poslu. Bila je oduševljena kada je videla kako su laserski testovi prošli kada su joj Gonzalo Himenez i Viezer poslali fotografije iz Španije. Test je uključivao postavljanje lasera na klupu i gađanje na komad specijalnog pergamenta koji istraživači nazivaju „papir za sagorevanje“. Ako je laser dizajniran baš kako treba, tragovi opekotina će biti kružni sa relativno glatkim ivicama.
„Prvi rezultati laserskog testa su bili sjajni“, rekla je ona. „Sada sa nestrpljenjem čekamo da dobijemo druge delove da bismo dijagnostiku pokrenuli i pokrenuli.“
Džejms Klark, PPPL istraživački inženjer čija je doktorska teza bila fokusirana na Thomsonove sisteme rasejanja, kasnije je doveden da radi sa Kaurom. „Dizajnirao sam lasersku putanju i srodnu optiku“, objasnio je Klark. Pored rada na inženjerskoj strani projekta, Clark je pomogao i u logistici, odlučujući kako i kada stvari treba da budu isporučene, instalirane i kalibrisane.
Šef naprednih projekata PPPL-a Luis Delgado-Aparicio, zajedno sa kolegom Marie Skłodovska-Curie, Joakuinom Galdon-Kuiroga i diplomiranim studentom Univerziteta u Sevilji, Hesusom Salas-Barcenasom, predvode napore da se SMART-u dodaju još dve vrste dijagnostike: multienergija, dijagnostika mekih rendgenskih zraka (ME-SKSR) i spektrometri.
ME-SKSR će takođe meriti temperaturu i gustinu elektrona plazme, ali koristeći drugačiji pristup od Thomsonovog sistema rasejanja. ME-SKSR će koristiti skupove malih elektronskih komponenti zvanih diode za merenje rendgenskih zraka. U kombinaciji, Thomsonova dijagnostika rasejanja i ME-SKSR će sveobuhvatno analizirati temperaturu i gustinu elektrona plazme.
Gledajući različite frekvencije svetlosti unutar tokamaka, spektrometri mogu pružiti informacije o nečistoćama u plazmi, kao što su kiseonik, ugljenik i azot. „Koristimo gotove spektrometre i dizajniramo neke alate da ih stavimo u mašinu, uključujući i optička vlakna“, rekao je Delgado-Aparicio. Još jedan novi rad objavljen u Pregled naučnih instrumenata govori o dizajnu ove dijagnostike.
PPPL istraživač fizičar Stefano Munaretto radio je na magnetnom dijagnostičkom sistemu za SMART sa radom na terenu koji je vodio diplomirani student Univerziteta u Sevilji Fernando Puentes del Pozo Fernando.
„Sama dijagnostika je prilično jednostavna“, rekao je Munaretto. „To je samo žica namotana oko nečega. Većina posla uključuje optimizaciju geometrije senzora tako što će se njegova veličina, oblik i dužina ispraviti, izbor gde treba da se nalazi i sve kondicioniranje signala i analiza podataka nakon toga.“ Dizajn SMART-ovih magneta je detaljno opisan u novom radu takođe objavljenom u Pregled naučnih instrumenata.
Munareto je rekao da je rad na SMART-u bio veoma ispunjen, jer je veliki deo tima koji radi na magnetnoj dijagnostici sastavljen od mladih studenata sa malo prethodnog iskustva u ovoj oblasti. „Oni su željni učenja, i mnogo rade. Definitivno vidim svetlu budućnost za njih.“
Delgado-Aparicio se složio. „Prilično sam uživao radeći sa Manuelom Garsijom-Munjosom, Eleonorom Viezer i svim drugim veoma iskusnim naučnicima i profesorima na Univerzitetu u Sevilji, ali ono što sam najviše uživao je rad sa veoma živahnim brojem studenata koje tamo imaju“, rekao je.
„Oni su sjajni i dosta su mi pomogli da razumem izazove koje imamo i kako da napredujemo ka dobijanju prve plazme.“
Istraživači sa Univerziteta u Sevilji već su izvršili test u tokamaku, pokazujući ružičasti sjaj argona kada se zagreva mikrotalasima. Ovaj proces pomaže u pripremi unutrašnjih zidova tokamaka za daleko gušću plazmu koja se nalazi pod većim pritiskom. Iako tehnički, taj ružičasti sjaj potiče od plazme, on je na tako niskom pritisku da ga istraživači ne smatraju svojom pravom prvom tokamak plazmom. Garsija Munjos kaže da će se to verovatno dogoditi na jesen 2024.
