Инъекция нейтрального луча

Инъекция нейтрального луча ( NBI ) является одним из методов, используемых для нагрева плазмы внутри слиятельного устройства, состоящего в луче высокоэнергетических нейтральных частиц , которые могут попасть в поле магнитного ограничения . Когда эти нейтральные частицы ионизируются за счет столкновения с частицами плазмы, они хранятся в плазме ограничивающим магнитным полем и могут переносить большую часть своей энергии путем дальнейших столкновений с плазмой. Благодаря тангенциальной инъекции в торе, нейтральные балки также обеспечивают импульс плазме и току, одну важную особенность для длинных импульсов горящей плазмы . Инъекция нейтрального луча является гибкой и надежной техникой, которая была основной системой отопления на большом разнообразии плавных устройств. На сегодняшний день все системы NBI были основаны на положительных ионных лучах -предшественниках . В 1990-х годах был достигнут впечатляющий прогресс в негативных источниках ионов и ускорителях с построением систем NBI на основе негативных ионов на основе нескольких мегаватт в LHD (H ⁰ , 180 кэВ) и JT-60U (D ⁰ , 500 кэВ). NBI, разработанный для ITER, является существенной проблемой (Д ⁰ , 1 МэВ, 40 а) и прототип создается для оптимизации его производительности с учетом будущих операций. Другие способы нагревания плазмы для ядерного слияния включают RF нагревание, электрон -циклотронный резонансный нагрев (ECRH), ионное циклотроновое резонансное нагревание (ICRH) и более низкий гибридный резонансный нагрев (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. Создание плазмы. Это может быть сделано с помощью микроволнового газа низкого давления.
2. Электростатическое ускорение. Это сделано сбрасывая положительно заряженные ионы в сторону отрицательных тарелок. Когда ионы падают, электрическое поле работает над ними, нагревая их до температуры слияния.
3. Ренетрализация горячей плазмы, добавив в противоположный заряд. Это дает быстро движущийся луч без заряда.
4. Внедряя быстро движущийся горячий нейтральный луч в машине.

Очень важно вводить нейтральный материал в плазму, потому что, если он заряжен, он может начать вредную нестабильность в плазме. устройств слияния вводят изотопы водорода Большинство , такие как чистый дейтерий или смесь дейтерия и триция . Этот материал становится частью плазмы слияния. Он также передает свою энергию в существующую плазму внутри машины. Этот горячий поток материала должен повысить общую температуру. Хотя луч не имеет электростатического заряда, когда он входит, когда он проходит через плазму, атомы ионизированы . Это происходит потому, что луч уже отскакивает от ионов в плазме .

Инжекторы нейтрального луча, установленные в экспериментах по слиянию

В настоящее время все основные эксперименты с фьюжн используют NBIS. Традиционные инжекторы на основе положительных ионов (P-NBI) установлены, например, в Jet и в Asdex-u . Чтобы позволить осаждению мощности в центре горящей плазмы в более крупных устройствах, требуется более высокая энергия нейтрального луча. Системы высокоэнергетической (> 100 кэВ) требуют использования технологии отрицательных ионов (N-NBI).

Дополнительная нагревательная мощность [MW], установленная в различных с синтежом экспериментах (* Цель дизайна)

Магнитное удержание устройства	P-NBI	N-NBI	Ecrh	ICRH	LH	Тип	Первая операция
Самолет	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-to *	24	10	7	—	—	Токамак	2020
Итер *	—	33	20	20	—	Токамак	2026
LHD	9 (ч + ) 20 (д + )	15 (ч − ) 6 (д − )	?	?	?	Stellarator	1998
Вендельштейн 7-х	8	—	10	?	—	Stellarator	2015

Легенда

  Активный

  В разработке

  Ушедший на пенсию

  Активный, NBI обновляется и пересматривается

Соединение с плазмой слияния

Поскольку магнитное поле внутри тора является круглым, эти быстрые ионы ограничены фоновой плазмой. Указанные выше ионы, упомянутые выше, замедляются по фоновой плазме, аналогично тому, как сопротивление воздуха замедляет бейсбол. Передача энергии от быстрых ионов в плазму повышает общую температуру в плазме.

Очень важно, чтобы быстрые ионы были ограничены в плазме достаточно долго, чтобы они могли положить свою энергию. Магнитные колебания являются большой проблемой для плазменного ограничения в этом типе устройства (см. Стабильность плазмы ), пытаясь, что изначально было хорошо упорядоченным магнитным полями. Если быстрые ионы восприимчивы к этому типу поведения, они могут сбежать очень быстро. Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что они не восприимчивы.

Взаимодействие быстрых нейтральных с плазмой состоит из

• ионизация по столкновению с плазменными электронами и ионами,
• дрейф недавно созданных быстрых ионов в магнитном поле,
• Столкновения быстрых ионов с плазменными ионами и электронами с помощью кулоновских столкновений (замедление и рассеяние, термизация) или столкновения с обменом заряда с фоновыми нейтральными.

Конструкция систем нейтрального луча

Луча энергия

Максимальная эффективность нейтрализации быстрого ионного луча D в газовой ячейке в зависимости от энергии ионов

Длина адсорбции $\lambda$ Для ионизации нейтрального луча 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 AMU, энергия частиц E в Kev. В зависимости от плазменного малого диаметра и плотности, минимальная энергия частиц может быть определена для нейтрального пучка, чтобы нанести достаточную мощность на ядро ​​плазмы, а не на край плазмы. Для плазмы, относящейся к слиянию, требуемая быстрое нейтральная энергия попадает в диапазон 1 МэВ. С увеличением энергии все труднее получить быстрые атомы водорода, начиная с пучков предшественника, состоящих из положительных ионов. По этой причине недавние и будущие нейтральные лучи нагрева будут основываться на отрицательных ионных балках. При взаимодействии с фоновым газом гораздо проще отделить дополнительный электрон от отрицательного иона (h ⁻ имеет энергию связывания 0,75 эВ и очень большой поперечный сечение для электронов в этом диапазоне энергии), а не для прикрепления одного электрона к положительному иону.

Зарядное состояние предшественника ионного луча

Нейтральный луч получают путем нейтрализации ионного пучка -предшественника, обычно ускоряемого в больших электростатических ускорителях . Луч предшественника может быть либо положительным ионным пучком, либо отрицательным ионным пучком: чтобы получить достаточно высокий ток, он производится извлечение зарядов из плазменного разряда. Тем не менее, несколько негативных ионов водорода создаются в водородном плазменном разряде. Чтобы генерировать достаточно высокую плотность отрицательных ионов и получить приличный ток луча отрицательного иона, пары цезия добавляются к разряду в плазме ( источники с отрицательным ионом поверхности ). Цезий, нанесенный на стенках исходных стен, является эффективным донором электронов; Атомы и положительные ионы, разбросанные на целесообразной поверхности, имеют относительно высокую вероятность рассеяния в виде отрицательно заряженных ионов. Работа из цизированных источников является сложной и не настолько надежной. Разработка альтернативных концепций для источников отрицательного иона является обязательным для использования систем нейтральных пучков в будущих реакторах слияния.

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

N-NBI (* Цель дизайна)

	JT-60U	LHD	Итер **
Предшественник ионный луч	Дюймовый −	ЧАС − / Д −	ЧАС − / Д −
Максимальное напряжение ускорения (кВ)	400	190	1000
Максимальная мощность на установленную луч (МВт)	5.8	6.4	16.7
Продолжительность пульса (ы)	30 (2 МВт, 360 кВ)	128 (при 0,2 МВт)	3600 (при 16,7 МВт)

Нейтрализация ионного луча

Нейтрализация ионного луча -предшественника обычно выполняется путем прохождения луча через газовую ячейку. Для лучшего ионного луча-предшественника при энергиях, связанных с слиянием, ключевые столкновенные процессы:

Дюймовый ⁻ + D ₂ → D ⁰ + e + d ₂ (отделение-электронное отряд, с $\sigma$₋₁₀ =1.13×10 ⁻²⁰ м ² до 1 МэВ)

Дюймовый ⁻ + D ₂ → D ⁺ + e + d ₂ (двойная электронная отряд с $\sigma$₋₁₁ =7.22×10 ⁻²² м ² до 1 МэВ)

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

Дюймовый ⁺ + D ₂ → D ⁰ + D ₂ ⁺ (Обмен обвинения, $\sigma$₁₀ незначительных при 1 МэВ)

Подчеркивание указывает быстрые частицы, в то время как подписки I , J поперечного сечения $\sigma$_IJ указывает на состояние заряда быстрой частицы до и после столкновения.

Поперечные сечения при 1 МэВ таковы, что после создания быстрого положительного иона не может быть преобразована в быстрый нейтральный, и это является причиной ограниченной достижимой эффективности газовых нейтрализаторов.

Фракции отрицательно заряженных, положительно заряженных и нейтральных частиц, выходящих из газовых ячеек нейтрализатора, зависят от интегрированной плотности газа или толщины цели $\tau =\int n\,dl,$ с $n$ плотность газа вдоль пути луча $l$Полем В случае d ⁻ балки, максимальный выход нейтрализации происходит при толщине цели $\tau _{{\text{D}}^{-},{\text{1 MeV}}}\approx 1.4\cdot 10^{-16}$ м ⁻² .

Упрощенная схема газо-клеточного нейтрализатора для инжекторов нейтрального луча

Как правило, плотность фонового газа должна быть сведена к минимуму вдоль пути пучка (т.е. в ускоряющихся электродах, вдоль воздуховода, соединяющегося с плазмой слияния), чтобы минимизировать потери, за исключением ячейки нейтрализатора. Следовательно, требуемая толщина цели для нейтрализации получается путем инъекции газа в ячейку с двумя открытыми концами. Пиковой профиль плотности реализуется вдоль ячейки, когда инъекция происходит в средней длине. Для данной пропускной способности газа $Q$ [PA · M. ³ /s], максимальное давление газа в центре ячейки зависит от проводимости газа $C$ [м ³ /s]:

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

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 используется очень высокая пропускная способность газа, а системы нейтрального луча имеют пользовательские вакуумные насосы среди самых крупных из когда-либо построенных, с скоростью накачки в диапазоне миллионов литров в секунду. Если нет пространственных ограничений, большая длина газовой ячейки $L$ принят, но это решение маловероятно в будущих устройствах из-за ограниченного объема внутри Bioshield, защищающего от энергетического потока нейтронов (например, в случае JT-60U, клетка нейтрализатора N-NBI составляет около 15 м, в то время как в Iter hnb его длина ограничена 3 м).

Смотрите также

• ITER NELARTENTER TEST PEST

Внешние ссылки

• Реактор тестирования термоядерного слияния с инжектором нейтрального луча при PPPL
• Вспомогательное отопление в итере
• Веб -сайт IPP о технологии NBI