PPPL 开发仪器以更好地控制聚变反应

ALPACA 观察由位于圣地亚哥的通用原子公司为美国能源部运行的 DIII-D 托卡马克装置内等离子体周围的中性原子光环发出的光。通过研究这种光，科学家可以获得有关中性原子密度的信息，这可以帮助它们保持等离子体的温度并增加聚变反应产生的能量。

羊驼帮助科学家研究一种称为“加油”的过程。在此过程中，等离子体周围不同密度的中性原子云分裂成电子和离子并进入等离子体。 “我们对燃料很感兴趣，因为中性原子密度可以增加等离子体粒子密度，而等离子体密度会影响聚变反应的数量，”驻扎在 DIII-D 的 PPPL 物理学家 Laszlo Horvath 说道，他帮助协调了 APACA 的组装和安装。 “如果我们可以增加等离子体的密度，那么我们就可以进行更多的聚变反应，从而产生更多的聚变功率。这正是我们希望在未来的聚变发电厂中实现的目标。”

此类燃料中涉及的氢原子来自三个来源。第一个是科学家用来引发等离子体的原始氢气。第二个是电子和原子核在腔室较冷区域结合形成完整的原子。第三个是氢原子从构成内室表面的材料中泄漏，它们有时在托卡马克运行期间被捕获。

与针孔相机类似，近 2 英尺长的羊驼收集等离子光，该等离子光具有称为莱曼阿尔法波长的特定属性。研究人员可以通过测量光的亮度来计算中性原子的密度。此前，科学家们曾根据其他仪器的测量结果推断出密度，但数据很难解释。 ALPACA 是专门为收集莱曼阿尔法频率的等离子光而设计的首批诊断设备之一，因此其数据更加清晰。

通过控制燃料，科学家可以使托卡马克中的聚变反应更加高效，并增加其产生的热量。增加的热量很重要，因为等离子体越热，基于托卡马克的发电厂可以产生的电力就越多。

羊驼毛是一对诊断之一。它的双胞胎被称为 LLAMA，代表“莱曼阿尔法测量装置”。这两种诊断相辅相成。 LLAMA 观察托卡马克下部的内部和外部区域，而 ALPACA 观察上部的内部和外部区域。

PPPL 首席研究物理学家、该项目负责人 Alessandro Bortolon 表示：“我们需要这两种设备，因为虽然我们知道等离子体周围有中性原子，但中性原子的数量因地而异，因此我们不知道它们到底在哪里聚集。” PPPL 与 DIII-D 国家聚变设施的合作。 “正因为如此，而且我们无法从单个测量中推断，所以我们必须在多个位置进行测量。”

与所有诊断一样，羊驼毛具有重要的用途。 “当我们在 DIII-D 等机器上进行实验时，我们需要了解设备内部发生的情况，特别是如果我们想提高其性能，”Horvath 说。 “但由于等离子体的温度为 1 亿摄氏度，我们不能只使用烤箱温度计或任何传统的东西。他们只会融化。诊断让我们了解什么是黑匣子。”

ALPACA 的设计采用了 3D 打印技术，该技术可以将空心室集成到冷却管道的主结构骨架内。圣地亚哥州立大学大四学生、PPPL 技术助理 David Mauzey 表示：“没有其他方法可以加工这个零件。” Mauzey 还领导了 APACCA 项目的机械工程方面。 “这是我负责大部分机械工程的第一个大型项目，”莫泽说。 “存在一些挑战，例如确定光学组件的位置，但过程很有趣。”

ALPACA 是由 PPPL 单独设计和建造的，尽管由 ALPACA 和 LLAMA 组成的完整系统将由 PPPL 和麻省理工学院合作运营。 PPPL DIII-D 场外研究副主任 Alexander Nagy 和北卡罗来纳州立大学核工程助理教授 Florian Laggner 也做出了重大贡献。羊驼目前正在接受测试。一旦 DIII-D 经过一段时间的维护后于 4 月恢复运行，ALPACA 将开始进行实际测量。