Инжекция нейтрального пучка

Метод, используемый для нагрева плазмы внутри термоядерного устройства

Инжекция нейтрального пучка ( NBI ) — один из методов, используемых для нагрева плазмы внутри термоядерного устройства , состоящего из пучка нейтральных частиц высокой энергии , которые могут входить в магнитное удерживающее поле. 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. При тангенциальной инжекции в тор нейтральные пучки также обеспечивают импульс плазме и ток, что является одной из важных особенностей для длинных импульсов горящей плазмы . Инжекция нейтрального пучка — это гибкая и надежная технология, которая была основной системой нагрева в большом количестве термоядерных устройств. До настоящего времени все системы NBI были основаны на положительных пучках ионов- предшественников . В 1990-х годах был достигнут впечатляющий прогресс в источниках отрицательных ионов и ускорителях с созданием многомегаваттных систем NBI на основе отрицательных ионов на LHD (H ⁰ , 180 кэВ) и JT-60U (D ⁰ , 500 кэВ). NBI, разработанный для ИТЭР, является существенной проблемой ^[1] (D ⁰ , 1 МэВ, 40 А), и прототип строится для оптимизации его производительности с учетом будущих операций ИТЭР. ^[2] Другие способы нагрева плазмы для ядерного синтеза включают в себя ВЧ- нагрев, нагрев на электронном циклотронном резонансе (ECRH), нагрев на ионном циклотронном резонансе (ICRH) и нагрев на нижнем гибридном резонансе (LH).

Механизм

Сначала плазма образуется при помощи микроволнового газа. Затем плазма ускоряется через падение напряжения. Это нагревает ионы до условий синтеза. После этого ионы повторно нейтрализуются. Наконец, нейтралы вводятся в машину.

Обычно это делается следующим образом:

1. Создание плазмы. Это можно сделать, разогрев газ низкого давления в микроволновке.
2. Электростатическое ускорение ионов. Это происходит, когда положительно заряженные ионы падают на отрицательные пластины. Когда ионы падают, электрическое поле работает над ними, нагревая их до температур плавления.
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, он может вызвать опасные плазменные нестабильности. 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 в существующую плазму внутри машины. Этот горячий поток материала должен повышать общую температуру. Хотя пучок не имеет электростатического заряда при входе, при прохождении через плазму атомы ионизируются . Это происходит потому, что пучок отскакивает от ионов, уже находящихся в плазме ^{[ необходима ссылка ]} .

Инжекторы нейтрального пучка, установленные в экспериментах по термоядерному синтезу

В настоящее время все основные эксперименты по термоядерному синтезу используют NBI. Традиционные инжекторы на основе положительных ионов (P-NBI) установлены, например, в JET ^[3] и в AUG . Чтобы обеспечить выделение энергии в центре горящей плазмы в более крупных устройствах, требуется более высокая энергия нейтрального пучка. Высокоэнергетические (>100 кэВ) системы требуют использования технологии отрицательных ионов (N-NBI).

Легенда

  Активный

  В разработке

  Ушедший на пенсию

  Действует, NBI обновляется и пересматривается

Сопряжение с термоядерной плазмой

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

Очень важно, чтобы быстрые ионы удерживались в плазме достаточно долго, чтобы они успели передать свою энергию. Магнитные флуктуации представляют собой большую проблему для удержания плазмы в этом типе устройств (см. устойчивость плазмы ), поскольку они мешают изначально хорошо упорядоченным магнитным полям. Если быстрые ионы восприимчивы к такому поведению, они могут очень быстро вырваться. Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что они не восприимчивы. ^{[ необходима цитата ]}

Взаимодействие быстрых нейтралов с плазмой состоит из

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

Проектирование систем нейтральных балок

Энергия луча

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

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

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

с в м, плотностью частиц n в 10 ¹⁹ м ⁻³ , атомной массой M в а.е.м., энергией частиц E в кэВ. В зависимости от малого диаметра и плотности плазмы можно определить минимальную энергию частиц для нейтрального пучка, чтобы вложить достаточную мощность в ядро ​​плазмы, а не в край плазмы. Для плазмы, связанной с термоядерным синтезом, требуемая быстрая нейтральная энергия попадает в диапазон 1 МэВ. С ростом энергии становится все труднее получать быстрые атомы водорода, начиная с пучков-предшественников, состоящих из положительных ионов. По этой причине недавние и будущие нагревательные нейтральные пучки будут основаны на пучках отрицательных ионов. При взаимодействии с фоновым газом гораздо проще оторвать дополнительный электрон от отрицательного иона ( H ⁻ имеет энергию связи 0,75 эВ и очень большое поперечное сечение для отрыва электрона в этом диапазоне энергий), чем присоединить один электрон к положительному иону. ${\displaystyle \lambda }$

Зарядовое состояние исходного ионного пучка

Нейтральный пучок получается путем нейтрализации пучка прекурсоров ионов, обычно ускоряемого в больших электростатических ускорителях . Пучок прекурсоров может быть либо пучком положительных ионов, либо пучком отрицательных ионов: для получения достаточно высокого тока он создается путем извлечения зарядов из плазменного разряда. Однако в разряде водородной плазмы создается мало отрицательных ионов водорода. Для того чтобы создать достаточно высокую плотность отрицательных ионов и получить приличный ток пучка отрицательных ионов, в плазменный разряд добавляют 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 рассеиваться в виде отрицательно заряженных ионов. Эксплуатация цезированных источников сложна и не так надежна. Разработка альтернативных концепций для источников пучков отрицательных ионов является обязательной для использования систем нейтральных пучков в будущих термоядерных реакторах.

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

Нейтрализация ионного пучка

Нейтрализация исходного ионного пучка обычно выполняется путем пропускания пучка через газовую ячейку. ^[6] Для исходного отрицательного ионного пучка при энергиях, соответствующих термоядерному синтезу, ключевыми столкновительными процессами являются: ^[7]

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

D ⁻ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (двойной отрыв электронов, 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 нижние индексы i , j поперечного сечения _ij указывают на зарядовое состояние быстрой частицы до и после столкновения. ${\displaystyle \sigma }$

Поперечные сечения при 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 газовых ячеек нейтрализатора, зависят от интегрированной плотности газа или толщины мишени с плотностью газа вдоль пути пучка . В случае D ⁻ пучков максимальный выход нейтрализации достигается при толщине мишени м ⁻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 для инжекторов нейтрального пучка

Обычно плотность фонового газа должна быть минимизирована по всему пути пучка (т. е. внутри ускоряющих электродов, вдоль канала, соединяющегося с термоядерной плазмой) для минимизации потерь, за исключением ячейки нейтрализатора. Поэтому требуемая толщина мишени для нейтрализации достигается путем впрыскивания газа в ячейку с двумя открытыми концами. Пиковый профиль плотности реализуется вдоль ячейки, когда впрыскивание происходит в середине длины. Для заданной пропускной способности газа [Па·м3 ^/ с] максимальное давление газа в центре ячейки зависит от проводимости газа [м3 ^/ с]: ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle C}$

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

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

Обычно используется очень высокая пропускная способность газа, и системы с нейтральным пучком имеют специальные вакуумные насосы, одни из самых больших из когда-либо созданных, со скоростью откачки в диапазоне миллионов литров в секунду. ^[8] Если нет ограничений по пространству, принимается большая длина газовой ячейки, но это решение маловероятно в будущих устройствах из-за ограниченного объема внутри биощита, защищающего от потока энергичных нейтронов (например, в случае JT-60U ячейка нейтрализатора N-NBI имеет длину около 15 м, тогда как в ITER HNB ее длина ограничена 3 м). ${\displaystyle L}$

Смотрите также

• Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР

Ссылки

1. Л. Р. Гришэм, П. Агостинетти, Г. Баррера, П. Блэтчфорд, Д. Бойлсон, Дж. Шарейр и др., Последние усовершенствования конструкции системы нейтрального пучка ИТЭР, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805–1815.
2. V. Toigo; D. Boilson; T. Bonicelli; R. Piovan; M. Hanada; et al. (2015). «Прогресс в реализации испытательной установки нейтрального пучка PRIMA». Nucl. Fusion . 55 (8): 083025. Bibcode :2015NucFu..55h3025T. doi :10.1088/0029-5515/55/8/083025. hdl : 10281/96413 . S2CID  124477971.
3. "Нейтральный луч заносит рекорды, 09/07/2012". Архивировано из оригинала 2017-03-24.
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. Schiesko, L; McNeely, P; Fantz, U; Franzen, P (2011-07-07). "Влияние цезия на параметры плазмы и производительность источника во время кондиционирования прототипа источника отрицательных ионов нейтрального пучка инжектора ИТЭР". Plasma Physics and Controlled Fusion . 53 (8): 085029. Bibcode : 2011PPCF...53h5029S. doi : 10.1088/0741-3335/53/8/085029. ISSN  0741-3335. S2CID  33934446.
6. G. Serianni; et al. (апрель 2017 г.). «Нейтрализация и транспортировка пучков отрицательных ионов: физика и диагностика». New Journal of Physics . 19 (4): 045003. Bibcode :2017NJPh...19d5003S. doi : 10.1088/1367-2630/aa64bd . hdl : 11577/3227451 .
7. База данных МАГАТЭ Aladdin.
8. G. Duesing (1987). "Вакуумные системы термоядерной установки JET". Вакуум . 37 (3–4): 309–315. Bibcode :1987Vacuu..37..309D. doi :10.1016/0042-207X(87)90015-7.

Внешние ссылки

• Испытательный реактор термоядерного синтеза с инжектором нейтрального пучка в PPPL ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Вспомогательное отопление в ИТЭР
• Сайт IPP о технологии NBI