Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР является частью Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) в Падуе , Венето , Италия . [1] На установке будет размещен полномасштабный прототип инжектора нейтрального пучка реактора , MITICA (Megavolt ITer Injector & Concept Advancement), и меньший прототип его источника ионов, SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio Frequency Plasma). [2] SPIDER начал свою работу в июне 2018 года. SPIDER будет использоваться для оптимизации источника ионов, оптимизации использования паров цезия и проверки однородности извлеченного пучка ионов также во время длинных импульсов.
ИТЭР нагревает нейтральные пучки
Для подачи мощности в термоядерную плазму в ИТЭР будут установлены два нагревательных инжектора нейтрального пучка. Они рассчитаны на подачу мощности 17 МВт каждый через 23 -метровые каналы пучка до контейнера диаметром четыре метра: для того, чтобы вложить достаточную мощность нагрева в плазменное ядро вместо плазменных краев, энергия частиц пучка должна составлять около 1 МэВ, тем самым увеличивая сложность системы нейтрального пучка до беспрецедентного уровня. Это будет основная вспомогательная система нагрева реактора. Из-за своей низкой эффективности преобразования инжектор нейтрального пучка сначала должен запустить прекурсорный отрицательный ионный пучок 40 А, а затем нейтрализовать его, пропустив его через газовую ячейку (с эффективностью < 60%), а затем с помощью сброса остаточных ионов (остальные 40—20% отрицательных, 20% положительных). Затем нейтрализованный пучок сбрасывается на калориметр во время фаз кондиционирования или соединяется с плазмой. Дальнейшие потери реионизации или перехват механическими компонентами снижают его ток до 17 А. [3]
Цели
Внутренний вид испытательной установки нейтрального пучка; фотография сделана с верхней части биозащиты MITICA во время обслуживания SPIDER (повторная сборка SPIDER продолжается в рабочей зоне в центре фотографии)
Роль испытательного центра включает в себя исследования и разработки по следующим темам:
удержание напряжения: из-за нейтронной среды это будет первый источник пучка при -1 МВ с вакуумной изоляцией вместо газовой изоляции ( SF 6обычно используется газ);
Образование отрицательных ионов: требования к плотности тока, извлекаемого из источника цезированных ионов, находятся на пределе возможностей современной технологии плазменных источников ионов.
Оптика пучка: исходный ионный пучок генерируется в многосеточном электростатическом ускорителе, имеющем 1280 отверстий в каждой из 7 сеток, составляющих его. Поскольку общая ширина пучка вдоль дрейфа пучка (около 25 м) обусловлена оптикой каждого из 1280 пучков, выравнивание сетки и возмущения, создаваемые магнитными полями и полями электростатических ошибок, должны быть тщательно проверены.
вакуумные насосы: два крионасоса длиной 8 м и высотой 1,6 м будут установлены с каждой стороны вакуумного сосуда. Необходимо проверить усталостную долговечность компонентов, работающих с циклами от 4 К до 400 К.
тепловая нагрузка на механические компоненты: на электродах, используемых для ускорения пучка, и вдоль пути пучка механические компоненты подвергаются очень высоким тепловым нагрузкам. Эти нагрузки непрерывно прикладываются в течение длинных импульсов, до 1 ч. Эти нагрузки в любом случае ниже, чем тепловые нагрузки, ожидаемые на диверторных пластинах ИТЭР.
Прототипы в NBTF
Извлечение отрицательных ионов с уменьшенным количеством пучков в ходе ранней объемной эксплуатации SPIDER (май/июнь 2019 г.)
SPIDER — первое крупное экспериментальное устройство, которое начнет работу на испытательном полигоне (май 2018 г.). В настоящее время закупаются компоненты MITICA, а его первая эксплуатация ожидается в конце 2023 г.
ПАУК
Конструктивные параметры SPIDER следующие:
Тип: источник отрицательных ионов на основе поверхностной плазмы с цезиевым зарядом
Источник плазмы: 8 цилиндрических ВЧ-драйверов, работающих на частоте 1 МГц, подключенных к одной расширительной камере размером 0,8 м × 1,6 м × 0,25 м
Технологический газ: водород или дейтерий
Ток пучка извлечённых отрицательных ионов водорода: 54 А (целевое значение)
Электроды и номинальные напряжения: плазменная сетка (-110 кВ), экстракционная сетка (-100 кВ), заземленная сетка (0 В)
Количество лучей и диаграмма направленности лучей из нескольких лучей: 1280 лучей, разделенных на группы 4 × 4 лучей по 5 × 16 лучей в каждой
В течение 2018 года был оптимизирован плазменный разряд восемью ионными источниками RF-драйверов. В 2019 году началась работа с водородным отрицательным ионным пучком: в течение первого года SPIDER будет работать с уменьшенным количеством бимлетов (80 вместо 1280) из-за ограничений в вакуумной системе. В 2021 году была проведена первая операция с цезием.
Возможности
Возможности SPIDER и MITICA перечислены в следующей таблице в сравнении с целями ITER Heating Neutral Beam и другими существующими устройствами на основе источников с радиочастотным приводом. Полученные результаты, представленные в таблице, относятся к работе при низком давлении заполнения 0,3 Па; заметное улучшение характеристик обнаружено при более высоких рабочих давлениях, но низкое давление требуется для минимизации тепловых нагрузок из-за блуждающих частиц, генерируемых при взаимодействии ионов пучка с фоновым газом вдоль многосеточного электростатического ускорителя источников MITICA и ITER HNB.
^ "ITER Neutral Beam Test Facility: Construction is progressing fast in Padova". EUROfusion . 15 июля 2013 г. Архивировано из оригинала 2016-01-27 . Получено 2023-11-05 .
^ В. Тойго, Д. Бойлсон, Т. Боничелли, Р. Пиован, М. Ханада и др. 2015 Нукл. Фьюжн 55:8 083025
^ LR Grisham, P Agostinetti, G Barrera, P Blatchford, D Boilson, J Chareyre и др., Последние усовершенствования конструкции системы нейтрального пучка ITER, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805-1815
^ Fantz, U.; Bonomo, F.; Fröschle, M.; Heinemann, B.; Hurlbatt, A.; Kraus, W.; Schiesko, L.; Nocentini, R.; Riedl, R.; Wimmer, C. (2019). «Расширенные возможности характеризации пучка NBI на недавно улучшенном испытательном стенде BATMAN Upgrade». Fusion Engineering and Design . 146 : 212–215. Bibcode : 2019FusED.146..212F. doi : 10.1016/j.fusengdes.2018.12.020. hdl : 21.11116/0000-0004-8043-F .
^ Хайнеманн, Б.; Фантц, У.; Краус, В.; Шиеско, Л.; Виммер, К.; Вюндерлих, Д.; Бономо, Ф.; Фрёшле, М.; Ночентини, Р.; Ридл, Р. (2017). «К большим и мощным источникам отрицательных ионов с радиочастотным управлением для термоядерного синтеза». Новый журнал физики . 19 (1): 015001. Бибкод : 2017NJPh...19a5001H. дои : 10.1088/1367-2630/aa520c .
^ Крупнейший в мире испытательный центр для источников отрицательных ионов открывается для разработки нагрева для ИТЭР – декабрь 2012 г. Архивировано 02.08.2019 на Wayback Machine . Получено 02.08.2019.
^ Fantz, U.; Briefi, S.; Heiler, A.; Wimmer, C.; Wünderlich, D. (2021). «Источники отрицательных ионов водорода для термоядерного синтеза: от генерации плазмы до свойств пучка». Frontiers in Physics . 9 : 473. Bibcode : 2021FrP.....9..473F. doi : 10.3389/fphy.2021.709651 .
