Инжекция нейтрального луча - Neutral beam injection

Инжекция нейтрального луча (NBI) - один из методов нагрева плазмы внутри термоядерное устройство состоящий из пучка высокоэнергетических нейтральные частицы что может войти в магнитное удержание поле. Когда эти нейтральные частицы ионизируются в результате столкновения с частицами плазмы, они удерживаются в плазме ограничивающим магнитным полем и могут передавать большую часть своей энергии путем дальнейших столкновений с плазмой. Путем тангенциальной инжекции в тор нейтральные пучки также передают импульс плазме и движущемуся току, что является важной особенностью длинных импульсов горящей плазмы. Инжекция нейтрального пучка - это гибкий и надежный метод, который является основной системой нагрева на большом количестве термоядерных устройств. На сегодняшний день все системы NBI были основаны на положительном прекурсоре. ионные пучки. В 90-х годах был достигнут впечатляющий прогресс в источниках и ускорителях отрицательных ионов с созданием многомегаваттных систем NBI на основе отрицательных ионов в LHD (ЧАС⁰, 180 кэВ) и JT-60U (D⁰, 500 кэВ). NBI разработан для ИТЭР это серьезная проблема^[1] (D⁰, 1 МэВ, 40 А) и прототип строится для оптимизации его работы с учетом будущих операций ИТЭР.^[2] Другие способы нагрева плазмы для ядерного синтеза включают: РФ обогрев, электронный циклотронный резонанс обогрев (ECRH), и ионный циклотронный резонансный нагрев (ICRH), Нижний гибридный резонансный нагрев (LH).

Механизм

Обычно это делают:

1. Делаем плазму. Это можно сделать с помощью микроволны газа низкого давления.
2. Электростатическое ускорение ионов. Это делается путем падения положительно заряженных ионов на отрицательные пластины. Когда ионы падают, электрическое поле работай на них, нагревая их до температур плавления.
3. Реейтрализация горячая плазма добавлением противоположного заряда. Это не дает быстро движущемуся лучу заряда.
4. Инъекции быстро движущийся горячий нейтральный луч в машине.

Очень важно вводить нейтральный материал в плазму, потому что, если он заряжен, это может вызвать опасную нестабильность плазмы. Большинство термоядерных устройств вводят изотопы из водород, например чистый дейтерий или смесь дейтерий и тритий. Этот материал становится частью термоядерной плазмы. Он также передает свою энергию существующей плазме внутри машины. Этот горячий поток материала должен повысить общую температуру. Хотя у луча нет электростатический заряжается, когда входит, когда проходит через плазму, атомы ионизированный. Это происходит потому, что пучок отскакивает от ионов уже в плазме.^{[нужна цитата ]}.

Инжекторы нейтрального луча установлены в термоядерных экспериментах

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

Установленная дополнительная тепловая мощность [МВт] в различных Токамак эксперименты (* проектная цель)

Устройство магнитного удержания	P-NBI	N-NBI	ECRH	ICRH	LH	Тип	Первая операция
JET	34	-	-	10	7	Токамак	1983
JT-60U	40	3	4	7	8	Токамак	1985
TFTR	40	-	-	11	-	Токамак	1982
ВОСТОК	8	-	0.5	3	4	Токамак	2006
DIII-D	20	-	5	4	-	Токамак	1986
ASDEX-U	20	-	6	8	-	Токамак	1991
JT60-SA *	24	10	7	-	-	Токамак	2020
ИТЭР *	-	33	20	20	-	Токамак	2026
LHD[4]	9 (H^+) 20 (D^+)	15 (H^−) 6 (D^−)	?	?	?	Стелларатор	1998
Вендельштейн 7-X	8	-	10	?	-	Стелларатор	2015

Легенда

  Активный

  В развитии

  На пенсии

  Действует, NBI обновляется и пересматривается

Связь с термоядерной плазмой

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

Очень важно, чтобы быстрые ионы удерживались в плазме достаточно долго, чтобы они могли передать свою энергию. Магнитные флуктуации представляют собой большую проблему для удержания плазмы в устройствах этого типа (см. стабильность плазмы ) путем скремблирования того, что изначально было хорошо упорядоченными магнитными полями. Если быстрые ионы подвержены такому типу поведения, они могут очень быстро улетучиваться, однако некоторые данные свидетельствуют о том, что они невосприимчивы.^{[нужна цитата ]}

Взаимодействие быстрых нейтралов с плазмой состоит из

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

Проектирование систем нейтрального луча

Энергия луча

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

Длина адсорбции при ионизации нейтральным пучком в плазме составляет примерно

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

с ${displaystyle lambda }$ в м, н в 10¹⁹ м⁻³, M в а.е.м., E в кэВ. В зависимости от малого диаметра и плотности плазмы минимальная энергия частиц может быть определена для нейтрального пучка, чтобы передать достаточную мощность на ядро ​​плазмы, а не на край плазмы. Для плазмы, связанной с термоядерным синтезом, необходимая быстрая нейтраль энергия попадает в диапазон 1 МэВ. С увеличением энергии становится все труднее получать быстрые атомы водорода, исходя из 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 гораздо проще оторвать лишний электрон от отрицательный ион (H- имеет энергию связи 0,75 эВ и очень большое сечение отрыва электронов в этом диапазоне энергий), а не присоединяет один электрон к положительному иону.

Зарядное состояние ионного пучка-прекурсора

Нейтральный пучок получается нейтрализацией ионного пучка-предшественника, обычно ускоренного в больших количествах. электростатические ускорители. Пучок-предшественник 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. Чтобы создать достаточно высокую плотность отрицательных ионов и получить приличный ток пучка отрицательных ионов, пары цезия добавляются в плазменный разряд (источники отрицательных ионов поверхностной плазмы ). Цезий, нанесенный на стенки источника, является эффективным донором электронов; Атомы и положительные ионы, рассеянные на цезированной поверхности, имеют относительно высокую вероятность того, что они будут рассеяны как отрицательно заряженные ионы. Работа с источниками с цезией сложна и не очень надежна. Разработка альтернативных концепций источников пучка отрицательных ионов является обязательной для использования систем нейтрального пучка в будущих термоядерных реакторах.

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

N-NBI (* расчетная цель)

	JT-60U	LHD	ИТЭР **
Пучок ионов-предшественников	D^−	ЧАС^− / D^−	ЧАС^− / D^−
Максимальное ускоряющее напряжение (кВ)	400	190	1000
Максимальная мощность на установленную балку (МВт)	5.8	6.4	16.7
Длительность импульса (с)	30 (2МВт, 360кВ)	128 (при 0,2 МВт)	3600 (при 16,7 МВт)

Нейтрализация ионным пучком

Нейтрализацию ионного пучка-предшественника обычно проводят, пропуская пучок через газовую ячейку.^[5] Для пучка отрицательных ионов-прекурсоров при энергиях, связанных с термоядерным синтезом, основные столкновительные процессы^[6] находятся:

D⁻ + D₂ → D⁰ + е + D₂ (одноэлектронный отрыв, с ${displaystyle sigma }$₋₁₀=1.13×10⁻²⁰ м² при 1 МэВ)

D⁻ + D₂ → D⁺ + е + D₂ (двойной отрыв электронов, с ${displaystyle sigma }$₋₁₁=7.22×10⁻²² м² при 1 МэВ)

D⁰ + D₂ → D⁺ + е + D₂ (реионизация, с ${displaystyle sigma }$₀₁=3.79×10⁻²¹ м² при 1 МэВ)

D⁺ + D₂ → D⁰ + D₂⁺ (обмен заряда, ${displaystyle sigma }$₁₀ пренебрежимо мало при 1 МэВ)

Нижним индексом обозначены быстрые частицы, а нижним индексом i, j поперечного сечения ${displaystyle sigma }$_ij указывают на зарядовое состояние быстрой частицы до и после столкновения.

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

Упрощенная схема газового нейтрализатора для инжекторов нейтрального пучка

Доли отрицательно заряженных, положительно заряженных и нейтральных частиц, выходящих из газовых ячеек нейтрализатора, зависят от интегрированной плотности газа или толщины мишени. ${displaystyle au =int {ncdot dl},}$ с ${displaystyle n}$ плотность газа на пути луча ${displaystyle l}$. В случае D⁻ балок максимальный выход нейтрализации достигается при целевой толщине ${displaystyle au _{{ ext{D}}^{-}{ ext{,1MeV}}}approx 1.4cdot 10^{-16}}$ м⁻².

Как правило, 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, требуемая толщина мишени для нейтрализации достигается за счет впрыска газа в ячейку с двумя открытыми концами. Профиль пиковой плотности реализуется вдоль ячейки, когда инжекция происходит на средней длине. Для заданной пропускной способности gs ${displaystyle Q}$ [Па м³/ с], максимальное давление газа в центре ячейки зависит от проводимости газа. ${displaystyle C}$ [м³/ с]:

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

и ${displaystyle C}$ в режим молекулярного потока можно рассчитать как

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

с геометрическими параметрами ${displaystyle L}$, ${displaystyle a}$, ${displaystyle b}$ указано на рисунке, ${displaystyle m}$ масса молекулы газа, и ${displaystyle T}$ температура газа.

Обычно используется очень высокий расход газа, и системы нейтрального луча вакуумные насосы один из самых больших из когда-либо построенных, со скоростью откачки до миллиона литров в секунду.^[7] Если нет ограничений по площади, большая длина газовой ячейки ${displaystyle L}$ принято, но это решение маловероятно в будущих устройствах из-за ограниченного объема внутри строительного поля, защищающего от потока энергичных нейтронов (например, в случае JT-60U ячейка нейтрализатора N-NBI имеет длину около 15 м, а в ИТЭР HNB его длина ограничена 3 м).

Смотрите также

• Список статей по физике плазмы
• Стенд ИТЭР для испытаний нейтральным пучком

Рекомендации

1. LR Grisham, P Agostinetti, G Barrera, P Blatchford, D Boilson, J Chareyre, et al., Последние улучшения в конструкции системы нейтрального пучка ИТЭР, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805-1815
2. В. Тойго, Д. Бойсон, Т. Боничелли, Р. Пиован, М. Ханада и др. 2015 Nucl. Fusion 55: 8 083025
3. «Мощность нейтрального луча занесена в книгу рекордов, 07.09.2012». Архивировано из оригинал на 24.03.2017.
4. К. Икеда и др., Первые результаты работы пучка дейтерия на инжекторах нейтрального пучка в большом спиральном устройстве, Материалы конференции AIP 2011, 060002 (2018)
5. Г. Серианни и др., New Journal of Physics, том 19, апрель 2017 г.
6. База данных МАГАТЭ Аладдин
7. G Duesing, Vacuum 37 309-315 (1987).

внешняя ссылка

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