Инжекция нейтрального луча

Метод, используемый для нагрева плазмы внутри термоядерного устройства.

Инжекция нейтрального пучка ( NBI ) — это один из методов, используемый для нагрева плазмы внутри термоядерного устройства , состоящего из пучка нейтральных частиц высокой энергии , которые могут войти в поле магнитного удержания . Когда эти нейтральные частицы ионизируются при столкновении с частицами плазмы, они удерживаются в плазме удерживающим магнитным полем и могут передавать большую часть своей энергии при дальнейших столкновениях с плазмой. Путем тангенциальной инжекции в тор нейтральные пучки также придают импульс плазме и вызывают ток, что является одной из важных особенностей длинных импульсов горящей плазмы . Инжекция нейтрального пучка — это гибкий и надежный метод, который использовался в качестве основной системы нагрева в большом количестве термоядерных устройств. На сегодняшний день все системы NBI основаны на пучках положительных ионов- предшественников . В 1990-х годах был достигнут впечатляющий прогресс в области источников и ускорителей отрицательных ионов с созданием многомегаваттных систем NBI на основе отрицательных ионов на LHD (H ⁰ , 180 кэВ) и JT-60U (D ⁰ , 500 кэВ). NBI, спроектированный для ИТЭР, представляет собой серьезную задачу ^[1] (D ^0,1 МэВ, 40 А), и в настоящее время создается прототип для оптимизации его характеристик с учетом будущих операций ИТЭР. ^[2] Другие способы нагрева плазмы для ядерного синтеза включают высокочастотный нагрев, нагрев электронным циклотронным резонансом (ECRH), нагрев ионным циклотронным резонансом (ICRH) и нагрев нижнего гибридного резонанса (LH).

Механизм

Во-первых, плазма образуется с помощью микроволнового газа. Далее плазма ускоряется при падении напряжения. Это нагревает ионы до условий термоядерного синтеза. После этого ионы повторно нейтрализуются. Наконец, в машину впрыскиваются нейтралы.

Обычно это делается:

1. Изготовление плазмы. Это можно сделать, разогревая в микроволновой печи газ низкого давления.
2. Электростатическое ускорение ионов. Это делается путем сбрасывания положительно заряженных ионов в сторону отрицательных пластин. Когда ионы падают, электрическое поле воздействует на них, нагревая до температур термоядерного синтеза.
3. Повторная нейтрализация горячей плазмы путем добавления противоположного заряда. Это дает быстро движущийся луч без заряда.
4. Впрыскивание быстродвижущегося горячего нейтрального луча в машину.

Крайне важно вводить нейтральный материал в плазму, потому что, если он заряжен, это может вызвать опасную нестабильность плазмы. Большинство термоядерных устройств вводят изотопы водорода , такие как чистый дейтерий или смесь дейтерия и трития . Этот материал становится частью термоядерной плазмы. Он также передает свою энергию существующей плазме внутри машины. Этот горячий поток материала должен повысить общую температуру. Хотя луч не имеет электростатического заряда при входе в плазму, атомы ионизируются . Это происходит потому ^{, что луч отражается от ионов , уже находящихся} в плазме .

Инжекторы нейтрального пучка, установленные в экспериментах по термоядерному синтезу

В настоящее время во всех основных экспериментах по термоядерному синтезу используются NBI. Традиционные инжекторы на основе положительных ионов (P-NBI) установлены, например, в JET ^[3] и ASDEX-U . Чтобы обеспечить выделение энергии в центре горящей плазмы в более крупных устройствах, требуется более высокая энергия нейтрального луча. Системы с высокой энергией (> 100 кэВ) требуют использования технологии отрицательных ионов (N-NBI).

Легенда

  Активный

  В развитие

  Ушедший на пенсию

  Действует, NBI обновляется и пересматривается

Соединение с термоядерной плазмой

Поскольку магнитное поле внутри тора является круговым, эти быстрые ионы удерживаются в фоновой плазме. Упомянутые выше ограниченные быстрые ионы замедляются фоновой плазмой аналогично тому, как сопротивление воздуха замедляет бейсбольный мяч. Передача энергии от быстрых ионов к плазме увеличивает общую температуру плазмы.

Очень важно, чтобы быстрые ионы удерживались внутри плазмы достаточно долго, чтобы они могли отдать свою энергию. Магнитные флуктуации представляют собой большую проблему для удержания плазмы в устройствах этого типа (см. Стабильность плазмы ) путем перемешивания того, что изначально было хорошо упорядоченными магнитными полями. Если быстрые ионы подвержены такому поведению, они могут очень быстро ускользнуть. Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что они не восприимчивы. ^{[ нужна цитата ]}

Взаимодействие быстрых нейтралов с плазмой заключается в

• ионизация путем столкновения с электронами и ионами плазмы,
• дрейф вновь созданных быстрых ионов в магнитном поле,
• столкновения быстрых ионов с ионами и электронами плазмы путем кулоновских столкновений (замедление и рассеяние, термализация) или столкновений с перезарядкой с фоновыми нейтралами.

Проектирование систем нейтрального луча

Энергия луча

Максимальная эффективность нейтрализации пучка быстрых ионов D в газовой ячейке в зависимости от энергии ионов

Длина адсорбции при ионизации нейтрального пучка в плазме составляет примерно ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle \lambda ={\frac {E}{18\cdot n\cdot M}},}$

где в м, плотность частиц n в 10 ¹⁹ м ^-3 , атомная масса M в а.е.м., энергия частиц E в кэВ. В зависимости от малого диаметра и плотности плазмы можно определить минимальную энергию частиц для нейтрального пучка, чтобы передать достаточную мощность на ядро ​​плазмы, а не на край плазмы. Для термоядерной плазмы необходимая энергия быстрых нейтральных частиц находится в диапазоне 1 МэВ. С ростом энергии становится все труднее получать быстрые атомы водорода, начиная с пучков-предшественников, состоящих из положительных ионов. По этой причине современные и будущие нагревательные нейтральные пучки будут основаны на пучках отрицательных ионов. При взаимодействии с фоновым газом от отрицательного иона гораздо легче оторвать лишний электрон (H ⁻ имеет энергию связи 0,75 эВ и очень большое сечение отрыва электрона в этом диапазоне энергий), чем присоединить его. электрон к положительному иону. ${\displaystyle \lambda }$

Зарядовое состояние ионного пучка-предшественника

Нейтральный пучок получается путем нейтрализации пучка ионов-предшественников, обычно ускоряемых в больших электростатических ускорителях . Луч предшественника может быть либо пучком положительных ионов, либо пучком отрицательных ионов: чтобы получить достаточно большой ток, его производят путем извлечения зарядов из плазменного разряда. Однако в разряде водородной плазмы создается мало отрицательных ионов водорода. Для создания достаточно высокой плотности отрицательных ионов и получения приличного тока пучка отрицательных ионов в плазменный разряд добавляются пары цезия (поверхностно-плазменные источники отрицательных ионов). ^[5] Цезий, осажденный на стенках источника, является эффективным донором электронов; атомы и положительные ионы, рассеянные на цезированной поверхности, имеют относительно высокую вероятность рассеяния как отрицательно заряженные ионы. Эксплуатация цезиевых источников сложна и не очень надежна. Разработка альтернативных концепций источников пучков отрицательных ионов является обязательной для использования систем нейтральных пучков в будущих термоядерных реакторах.

Существующие и будущие системы нейтрального луча на основе отрицательных ионов (N-NBI) перечислены в следующей таблице:

Ионно-лучевая нейтрализация

Нейтрализация пучка ионов-предшественников обычно осуществляется путем пропускания пучка через газовую ячейку. ^[6] Для пучка отрицательных ионов-предшественников при энергиях, важных для термоядерного синтеза, ключевыми столкновительными процессами являются: ^[7]

D ⁻ + D ₂ → D ⁰ + e + D ₂  (одноэлектронный отрыв, с ₋₁₀ =1,13×10 ⁻²⁰ м ² при 1 МэВ) ${\displaystyle \sigma }$

D ⁻ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (двухэлектронный отрыв, с ₋₁₁ =7,22×10 ⁻²² м ² при 1 МэВ) ${\displaystyle \sigma }$

D ⁰ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (реионизация, с ₀₁ =3,79×10 ⁻²¹ м ² при 1 МэВ) ${\displaystyle \sigma }$

D ⁺ + D ₂ → D ⁰ + D ₂ ⁺  (перезарядка, ₁₀ пренебрежимо мала при 1 МэВ) ${\displaystyle \sigma }$

Подчеркивание указывает на быстрые частицы, а индексы i , j сечения _ij указывают на зарядовое состояние быстрой частицы до и после столкновения. ${\displaystyle \sigma }$

Сечения при энергии 1 МэВ таковы, что после создания быстрый положительный ион не может быть преобразован в быстрый нейтральный, и это является причиной ограниченно достижимой эффективности газовых нейтрализаторов.

Доли отрицательно заряженных, положительно заряженных и нейтральных частиц, выходящих из ячеек газа-нейтрализатора, зависят от суммарной плотности газа или толщины мишени с плотностью газа на пути луча . В случае D ^- пучков максимальный выход нейтрализации достигается при толщине мишени m ^-2 . ${\displaystyle \tau =\int n\,dl,}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle l}$ ${\displaystyle \tau _{{\text{D}}^{-},{\text{1 MeV}}}\approx 1.4\cdot 10^{-16}}$

Упрощенная схема газоэлементного нейтрализатора нейтральных форсунок.

Обычно плотность фонового газа должна быть минимизирована на всем протяжении пути луча (т. е. внутри ускоряющих электродов, вдоль канала, соединяющегося с термоядерной плазмой), чтобы минимизировать потери, за исключением ячейки нейтрализатора. Таким образом, необходимая толщина мишени для нейтрализации достигается за счет инжекции газа в ячейку с двумя открытыми концами. Пиковый профиль плотности реализуется вдоль ячейки, когда инъекция происходит на середине длины. При заданном расходе газа [Па·м ³ /с] максимальное давление газа в центре ячейки зависит от проводимости газа [м ³ /с]: ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle C}$

${\displaystyle P_{0}=P_{\text{tank}}+{\frac {Q}{2C}},}$

а в режиме молекулярного потока можно рассчитать как ${\displaystyle C}$

${\displaystyle C={\frac {9.7}{L/2}}{\sqrt {\frac {T}{m}}}{\frac {a^{2}\cdot b^{2}}{a+b}},}$

с геометрическими параметрами , , указанными на рисунке, массой молекулы газа и температурой газа. ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle T}$

Обычно применяется очень высокая пропускная способность газа, а системы с нейтральным лучом оснащены специальными вакуумными насосами , одними из крупнейших из когда-либо созданных, со скоростью откачки в диапазоне миллионов литров в секунду. ^[8] При отсутствии ограничений по пространству принимается большая длина газовой ячейки, но такое решение маловероятно в будущих устройствах из-за ограниченного объема внутри биозащиты, защищающей от потока энергичных нейтронов (например, в случае JT-60U). длина ячейки нейтрализатора N-NBI составляет около 15 м, тогда как в HNB ИТЭР ее длина ограничена 3 м). ${\displaystyle L}$

Смотрите также

• Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР

Рекомендации

1. Л. Р. Гришэм, П. Агостинетти, Г. Баррера, П. Блатчфорд, Д. Бойлсон, Дж. Чарейр и др., Недавние улучшения конструкции системы нейтрального луча ИТЭР, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805–1815 .
2. В. Тойго; Д. Бойлсон; Т. Боничелли; Р. Пиован; М. Ханада; и другие. (2015). «Ход реализации испытательной установки нейтрального луча PRIMA». Нукл. Слияние . 55 (8): 083025. Бибкод : 2015NucFu..55h3025T. дои : 10.1088/0029-5515/55/8/083025. hdl : 10281/96413 . S2CID  124477971.
3. "Мощности нейтрального луча в книге рекордов, 07.09.2012" . Архивировано из оригинала 24 марта 2017 г.
4. Икеда, К.; Цумори, К.; Кисаки, М.; Накано, Х.; Нагаока, К.; Осакабе, М.; Камио, С.; Фудзивара, Ю.; Хаба, Ю.; Такейри, Ю. (2018). «Первые результаты работы пучка дейтерия на инжекторах нейтрального пучка в большом спиральном устройстве». Материалы 17-й Международной конференции по источникам ионов . Материалы конференции AIP. 2011 (1): 060002. Бибкод : 2018AIPC.2011f0002I. дои : 10.1063/1.5053331 .
5. Шиско, Л; Макнили, П; Фантц, Ю; Франзен, П. (7 июля 2011 г.). «Влияние цезия на параметры плазмы и характеристики источника при кондиционирования прототипа источника отрицательных ионов инжектора нейтрального пучка ИТЭР». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 53 (8): 085029. Бибкод : 2011PPCF...53х5029S. дои : 10.1088/0741-3335/53/8/085029. ISSN  0741-3335. S2CID  33934446.
6. Г. Серианни; и другие. (апрель 2017 г.). «Нейтрализация и транспорт пучков отрицательных ионов: физика и диагностика». Новый журнал физики . 19 (4): 045003. Бибкод : 2017NJPh...19d5003S. дои : 10.1088/1367-2630/aa64bd . hdl : 11577/3227451 .
7. База данных МАГАТЭ Аладдин.
8. Г. Дюзинг (1987). «Вакуумные системы термоядерной установки JET». Вакуум . 37 (3–4): 309–315. Бибкод : 1987Vacuu..37..309D. дои : 10.1016/0042-207X(87)90015-7.

Внешние ссылки

• Испытательный реактор термоядерного синтеза с инжектором нейтрального луча в PPPL ^{[ постоянная мертвая связь ]}
• Вспомогательный нагрев в ИТЭР
• Сайт IPP о технологии NBI