美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员测量了内部包裹钨的聚变装置的新纪录，这种元素可能最适合实现聚变所需的商业规模机器世界的能源。

钨托卡马克WEST创下聚变记录

该设备注入了1.15吉焦的能量，将约5000万摄氏度的热聚变等离子体维持了创纪录的六分钟，能量比以前增加了15%，密度增加了一倍。等离子体需要既热又稠，才能为电网产生可靠的电力。

该记录是由法国替代能源和原子能委员会(CEA)运营的名为WES​​T的聚变装置创造的，即稳态托卡马克的钨(W)环境。PPPL与WEST长期合作，WEST是国际原子能机构长期运行国际挑战协调小组(CICLOP)的一部分。

这一里程碑代表着CICLOP计划目标迈出了重要一步。研究人员将在未来几周内提交一篇论文以供发表。

CEA科学家兼CICLOP主席泽维尔·利托东(XavierLitaudon)表示：“我们需要提供一种新的能源，而且这种能源应该是连续且永久的。”Litaudon表示PPPL在WEST的工作就是一个很好的例子。

“这些都是美好的结果。尽管由于这堵钨墙而处于充满挑战的环境中，但我们仍然达到了稳定的状态。”

CEA磁聚变研究所实验与等离子体开发组组长雷米·杜蒙特(RemiDumont)是该实验的科学协调员，他称其为“一个惊人的结果”。

PPPL研究人员使用了一种新颖的方法来测量等离子体辐射的多种特性。他们的方法涉及一种经过特殊改造的X射线探测器，最初由电子制造商DECTRIS制造，后来嵌入到WEST托卡马克装置中，这是一种使用磁力将等离子体(超热物质第四态)限制在甜甜圈形容器中的机器。字段。

PPPL高级项目负责人兼物理研究和X射线首席科学家LuisDelgado-Aparicio表示：“PPPL高级项目部的X射线小组正在为世界各地的托卡马克和仿星器开发所有这些创新工具。”探测器项目。

这只是PPPL在诊断方面的优势之一：在本例中，使用专门的测量工具来表征热聚变等离子体。

“等离子体聚变社区是最早测试混合光子计数技术以监测等离子体动力学的社区之一，”DECTRIS销售主管NicolasPilet说道。

“今天，WEST取得了前所未有的成果，我们要祝贺团队取得的成功。等离子体聚变是一个令人着迷的科学领域，为人类带来了巨大的希望。我们非常自豪能够通过我们的产品为这一发展做出贡献，并且感到非常兴奋通过我们的出色合作。”

世界各地的科学家正在尝试不同的方法，以便在等离子体发生聚变反应时可靠地从等离子体中提取热量。但这已被证明特别具有挑战性，部分原因是等离子体必须被限制足够长的时间，以使该过程在比太阳中心热得多的温度下经济。

该设备的早期版本——ToreSupra——实现了稍长的反应或射击​​，但当时，机器的内部是由石墨瓦制成的。

虽然碳使环境更容易进行长射，但它可能不适合大型反应堆，因为碳往往会将燃料保留在壁中，这对于从反应堆室有效回收氚和重新引入血浆将是至关重要的。

钨有利于保留更少的燃料，但即使微量的钨进入等离子体，来自钨的辐射也会快速冷却等离子体。

“钨壁环境比使用碳更具挑战性，”德尔加多-阿帕里西奥说。“简单来说，这就是尝试在家抓小猫和尝试抚摸最狂野的狮子之间的区别。”

新颖的诊断措施记录镜头

该镜头是使用PPPL研究人员开发的一种新颖方法进行测量的。测量工具或诊断工具的硬件由DECTRIS制造，并由Delgado-Aparicio和他的研究团队的其他人修改，包括PPPL研究人员TullioBarbui、OulfaChellai和NovimirPablant。

“诊断主要是测量等离子体产生的X射线辐射，”Barbui在谈到该设备时说道，该设备被称为多能软X射线相机(ME-SXR)。

“通过测量这种辐射，我们可以推断等离子体的非常重要的特性，例如等离子体真正核心中最热的电子温度。”

现成的DECTRIS诊断通常可以配置为将所有像素设置为相同的能量级别。PPPL开发了一种新颖的校准技术，使他们能够独立设置每个像素的能量。

Barbui表示，该方法比WEST使用的现有技术具有优势，后者很难校准，并且生成的读数有时会受到用于加热等离子体的射频波的影响。“射频波不会干扰我们的诊断，”巴尔布伊说。

“在六分钟的发射过程中，我们能够很好地测量中心电子温度。它处于4kV左右的非常稳定的状态。这是一个非常了不起的结果，”他说。

寻找合适能级的光

该诊断寻找来自一种称为轫致辐​​射的特定辐射的光，这种辐射是在电子改变方向并减速时产生的。最初的挑战是弄清楚要寻找轫致辐射的光频率，因为等离子体和钨壁都可以发出这种辐射，但测量需要集中在等离子体上。

Delgado-Aparicio表示：“11至18千电子伏特(keV)之间的光子能带为我们提供了一个从未探索过的核心发射的良好机会窗口，从而影响了我们对该范围进行仔细采样​​的决定。”

“通常情况下，应用这种技术时，只需进行两次测量。这是我们第一次进行一系列测量，”巴尔布伊说。

Delgado-Aparicio还指出，“我们的探测器的特殊校准使我们能够在对整个横截面进行采样的同时，针对相机的每条视线获取11至18keV之间每个能级的读数。”

每秒大约进行10次测量。诀窍是使用最低11keV能量的强度作为参考水平，并将其他七个强度的测量值与初始强度进行比较。最终，这个过程会在每个视线上同时产生七个温度读数，因此测量精度很高。

“这种创新能力现在已准备好出口到美国和世界各地的许多机器，”德尔加多-阿帕里西奥说。

“从八种不同强度的测量中，我们得到了最佳拟合，核心等离子体的电压在4到4.5kV之间。这代表近5000万度的温度，持续时间长达六分钟，”Delgado-Aparicio说道。

诊断读数不仅可用于计算等离子体中电子的温度，还可用于计算等离子体电荷和等离子体中杂质的密度，其中杂质主要是从托卡马克壁迁移的钨。

“这个特殊的系统是同类中第一个具有能量辨别功能的系统。因此，它可以提供有关温度的信息以及有关放电中精确杂质含量(主要是钨)的许多详细信息，这是在任何金属环境中运行的关键量。

“这太壮观了，”杜蒙说。虽然这些数据可以从其他几种诊断中推断出来并通过建模得到支持，但杜蒙特将这种新方法描述为“更直接”。

巴尔布伊表示，诊断可以在未来的实验中收集更多信息。巴尔布伊说：“该探测器具有独特的功能，可以配置为测量具有任意能量的相同等离子体。”“现在，我们已经选择了八种能量，但我们也可以选择10或15种。”

Litaudon表示，他很高兴能够为CICLOP项目提供这样的诊断。“事实上，这种能量分辨相机将在分析方面开辟一条新路线，”他说。

“操作带有钨壁的设施极具挑战性。但由于这些新的测量，我们将能够测量等离子体内的钨，并了解钨从壁到等离子体核心的传输。”

Litaudon表示，这可以帮助他们最大限度地减少等离子体核心中的钨含量，以确保聚变的最佳操作条件。“借助这些诊断，我们可以理解这个问题，并深入到测量和模拟的物理根源。”

CEA的Dumont、PierreManas和TheoFonghetti进行的耗时计算机计算也证实了相关模拟与PPPL团队报告的测量结果之间存在良好的一致性。

杜蒙特还指出，ME-SXR相机建立在WEST实验室的重要诊断工作的基础上。“ME-SXR只是从PPPL到CEA/WEST的全球诊断贡献的一部分，”杜蒙特说道，并指出了硬X射线相机和X射线成像晶体光谱仪。

“这种合作对我们帮助很大。通过这种诊断组合，我们将能够在等离子体中进行非常准确的测量并实时控制它。”