Инжекция нейтрального луча

Инжекция нейтрального луча ( NBI ) — это один из методов, используемый для нагрева плазмы внутри термоядерного устройства , состоящего из пучка нейтральных частиц высокой энергии , которые могут попасть 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 в LHD (H ⁰ , 180 кэВ) и JT-60У (Д ⁰ , 500 кэВ). NBI, разработанный для ИТЭР, представляет собой серьезную задачу (Д ⁰ , 1 МэВ, 40 А), и прототип для оптимизации его характеристик с учетом будущих операций ИТЭР. в настоящее время строится Другие способы нагрева плазмы для ядерного синтеза включают радиочастотный нагрев, нагрев электронным циклотронным резонансом (ECRH), нагрев ионным циклотронным резонансом (ICRH) и нагрев нижнего гибридного резонанса (LH).

Механизм

First, plasma is formed by microwaving gas. Next, the plasma is accelerated across a voltage drop. This heats the ions to fusion conditions. After this the ions are re-neutralizing. Lastly, the neutrals are injected into the machine.

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. термоядерных устройств впрыскивают изотопы водорода Большинство , 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 на входе не имеет электростатического заряда, при прохождении через 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. и в АСДЕКС-У . 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).

Дополнительная тепловая мощность [МВт], установленная в различных по термоядерному синтезу экспериментах . (* проектная цель)

Магнитное удерживающее устройство	П-НБИ	Н-НБИ	ЕЦРЗ	МЦРЗ	левый	Тип	Первая операция
Джет	34	—	—	10	7	Токамак	1983
ДЖТ-60У	40	3	4	7	8	Токамак	1985
ТФТР	40	—	—	11	—	Токамак	1982
ВОСТОК	8	—	0.5	3	4	Токамак	2006
ДIII-Д	20	—	5	4	—	Токамак	1986
АСДЕКС-У	20	—	6	8	—	Токамак	1991
ДЖТ60-СА *	24	10	7	—	—	Токамак	2020
ИТЭР *	—	33	20	20	—	Токамак	2026
левосторонний руль	9 (Ч + ) 20 (Д + )	15 (Ч − ) 6 (Д − )	?	?	?	Стелларатор	1998
Вендельштейн 7-X	8	—	10	?	—	Стелларатор	2015

Легенда

  Активный

  В разработке

  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.

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 $\lambda$ для ионизации нейтрального пучка в плазме примерно

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

с $\lambda$ в м, плотность частиц n в 10 ¹⁹ м ⁻³ , атомная масса M в а.е.м., энергия частицы 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 (H ⁻ имеет энергию связи 0,75 эВ и очень большое сечение отрыва электрона в этом диапазоне энергий), а не присоединение одного электрона к положительному иону.

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 небольшое количество отрицательных ионов водорода. Чтобы создать достаточно высокую плотность отрицательных ионов и получить приличный ток пучка отрицательных ионов, цезия в плазменный разряд добавляются пары ( поверхностно-плазменные источники отрицательных ионов ). Цезий, осажденный на стенках источника, является эффективным донором электронов; Атомы и положительные ионы, рассеянные на цезированной поверхности, имеют относительно высокую вероятность рассеиваться 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:

N-NBI (* проектная цель)

	ДЖТ-60У	левосторонний руль	ИТЭР **
Ионный пучок-предшественник	Д −	ЧАС − / Д −	ЧАС − / Д −
Максимальное ускоряющее напряжение (кВ)	400	190	1000
Максимальная мощность на установленный луч (МВт)	5.8	6.4	16.7
Длительность импульса (с)	30 (2МВт, 360кВ)	128 (при 0,2 МВт)	3600 (при 16,7 МВт)

Ионно-лучевая нейтрализация

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

Д ⁻ + Д ₂ → Д ⁰ + e + D ₂ (одноэлектронный отрыв, с $\sigma$₋₁₀ =1.13×10 ⁻²⁰ м ² до 1 МэВ)

Д ⁻ + Д ₂ → Д ⁺ + e + D ₂ (двухэлектронный отрыв, с $\sigma$₋₁₁ =7.22×10 ⁻²² м ² до 1 МэВ)

Д ⁰ + Д ₂ → Д ⁺ + e + D ₂ (реионизация, с $\sigma$₀₁ =3.79×10 ⁻²¹ м ² до 1 МэВ)

Д ⁺ + Д ₂ → Д ⁰ + Д ₂ ⁺ (обмен зарядов, $\sigma$₁₀ ничтожно мало при 1 МэВ)

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

Сечения при энергии 1 МэВ таковы, что после создания быстрый положительный ион не может превратиться 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. $\tau =\int n\,dl,$ с $n$ плотность газа на пути луча $l$. В случае с Д ⁻ пучков максимальный выход нейтрализации достигается при заданной толщине мишени $\tau _{{\text{D}}^{-},{\text{1 MeV}}}\approx 1.4\cdot 10^{-16}$ м ⁻² .

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 $Q$ [Па·м ³ /с], максимальное давление газа в центре ячейки зависит от проводимости газа $C$ [м ³ /с]:

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

и $C$ в режиме молекулярного потока можно рассчитать как

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

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

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. Если нет ограничений по пространству, можно использовать газовую камеру большой длины. $L$ принято, 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, а в ИТЭР HNB ( его длина ограничена 3 м).

См. также

• Испытательная установка нейтрального пучка ИТЭР

Внешние ссылки

• Испытательный реактор термоядерного синтеза с инжектором нейтрального пучка в PPPL
• Вспомогательный нагрев в ИТЭР
• Сайт IPP о технологии NBI