Инжекция нейтрального пучка ( NBI ) - это один из методов, используемый для нагрева плазмы внутри термоядерного устройства, состоящего из пучка нейтральных частиц высокой энергии, которые могут попасть 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 нейтральным пучком - это гибкий и надежный метод, который является основной системой нагрева на большом количестве термоядерных устройств. На сегодняшний день все системы NBI были основаны на пучках положительных ионов- предшественников . В 1990-х годах был достигнут впечатляющий прогресс в источниках и ускорителях отрицательных ионов с созданием многомегаваттных систем NBI на основе отрицательных ионов в LHD (H0 , 180 кэВ) и JT-60U (D 0 , 500 кэВ). NBI, разработанный для ИТЭР, представляет собой серьезную проблему [1] (D 0 , 1 МэВ, 40 А), и в настоящее время создается прототип для оптимизации его характеристик с учетом будущих операций ИТЭР. [2] Другие способы нагрева плазмы для термоядерного синтеза включают ВЧ- нагрев, электронно-циклотронный резонансный нагрев (ECRH), ионно-циклотронный резонансный нагрев (ICRH) и нижнегибридный резонансный нагрев (LH).
Механизм
Обычно это делают:
- Делаем плазму. Это можно сделать, нагревая в микроволновой печи газ низкого давления.
- Электростатическое ускорение ионов. Это делается путем сбрасывания положительно заряженных ионов в сторону отрицательных пластин. По мере падения ионов, то электрическое поле делает работу на них, нагрев их до температуры синтеза.
- Ренейтрализация горячей плазмы путем добавления противоположного заряда. Это дает быстро движущийся луч без заряда.
- Инжекция быстро движущегося горячего нейтрального луча в машину.
Очень важно вводить нейтральный материал в плазму, потому что, если он заряжен, это может вызвать опасную нестабильность плазмы. Большинство гибридных устройств инъекционные изотопов из водорода , такие как чистого дейтерия или смеси 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 не имеет электростатического заряда, когда он входит, когда он проходит через плазму, атомы ионизируются . Это происходит потому , что отскакивает луч от ионов уже в плазме [ править ] .
Инжекторы нейтрального пучка, установленные в термоядерных экспериментах
В настоящее время во всех основных термоядерных экспериментах используются NBI. Традиционные форсунки 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).
Устройство магнитного удержания | P-NBI | N-NBI | ECRH | ICRH | LH | Тип | Первая операция |
---|---|---|---|---|---|---|---|
JET | 34 | - | - | 10 | 7 | Токамак | 1983 г. |
JT-60U | 40 | 3 | 4 | 7 | 8 | Токамак | 1985 г. |
TFTR | 40 | - | - | 11 | - | Токамак | 1982 г. |
ВОСТОК | 8 | - | 0,5 | 3 | 4 | Токамак | 2006 г. |
DIII-D | 20 | - | 5 | 4 | - | Токамак | 1986 г. |
ASDEX-U | 20 | - | 6 | 8 | - | Токамак | 1991 г. |
JT60-SA * | 24 | 10 | 7 | - | - | Токамак | 2020 г. |
ИТЭР * | - | 33 | 20 | 20 | - | Токамак | 2026 г. |
LHD [4] | 9 (Н + ) 20 (Д + ) | 15 (Н - ) 6 (Д - ) | ? | ? | ? | Стелларатор | 1998 г. |
Вендельштейн 7-X | 8 | - | 10 | ? | - | Стелларатор | 2015 г. |
- Легенда
Связь с термоядерной плазмой
Поскольку магнитное поле внутри тора является круговым, эти быстрые ионы удерживаются в фоновой плазме. Упомянутые выше удерживаемые быстрые ионы замедляются фоновой плазмой подобно тому, как сопротивление воздуха замедляет бейсбольный мяч. Передача энергии от быстрых ионов 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 этом типе устройств (см. Стабильность плазмы ) путем скремблирования того, что изначально было хорошо упорядоченными магнитными полями. Если быстрые ионы подвержены такому поведению, они могут очень быстро улетучиваться. Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что они невосприимчивы. [ необходима цитата ]
Взаимодействие быстрых нейтралов с плазмой состоит из
- ионизация при столкновении с электронами и ионами плазмы,
- дрейф вновь созданных быстрых ионов в магнитном поле,
- столкновения быстрых ионов с ионами и электронами плазмы за счет кулоновских столкновений (замедление и рассеяние, термализация) или столкновений с перезарядкой с фоновыми нейтралами.
Проектирование систем нейтрального луча
Энергия луча
Длина адсорбции для ионизации нейтральным пучком в плазме примерно
с участием 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 для нейтрального пучка может быть определена минимальная энергия частиц, чтобы передать достаточную мощность на ядро плазмы, а не на край плазмы. Для плазмы, связанной с термоядерным синтезом, требуемая быстрая нейтральная энергия находится в диапазоне 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 легче оторвать лишний электрон от отрицательного иона (H - имеет энергию связи 0,75 эВ и очень большое сечение отрыва электрона в этом диапазоне энергий), чем присоединить один электрон на положительный ион.
Зарядное состояние ионного пучка-прекурсора
Нейтральный пучок получается нейтрализацией пучка предшествующих ионов, обычно ускоряемого в больших электростатических ускорителях . 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 рассеиваться как отрицательно заряженные ионы. Работа с источниками цезии 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:
JT-60U | LHD | ИТЭР ** | |
---|---|---|---|
Пучок ионов-предшественников | D - | H - / D - | H - / 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
Нейтрализация ионного пучка-предшественника обычно выполняется путем пропускания пучка через газовую ячейку. [5] Для пучка отрицательных ионов-предшественников при энергиях, релевантных для термоядерного синтеза, ключевыми процессами столкновений являются: [6]
- D - + D 2 → D 0 + e + D 2 (одноэлектронный отрыв, с −10 = 1,13 × 10 −20 м 2 при 1 МэВ)
- D - + D 2 → D + + e + D 2 (двухэлектронный отрыв, с −11 = 7,22 × 10 −22 м 2 при 1 МэВ)
- D 0 + D 2 → D + + e + D 2 (реионизация, с 01 = 3,79 × 10 −21 м 2 при 1 МэВ)
- D + + D 2 → D 0 + D 2 + (перезарядка, 10 пренебрежимо мало при 1 МэВ)
Подчеркнутыми обозначены быстрые частицы, а индексами i , j поперечного сеченияij 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.
Доли отрицательно заряженных, положительно заряженных и нейтральных частиц, выходящих из газовых ячеек нейтрализатора, зависят от интегральной плотности газа или толщины мишени. с участием плотность газа на пути луча . В случае D - балок максимальный выход нейтрализации достигается при заданной толщинем −2 .
Как правило, плотность фонового газа должна быть минимизирована на всем протяжении пути луча (то есть внутри ускоряющих электродов, вдоль канала, соединяющегося с термоядерной плазмой), чтобы минимизировать потери, за исключением ячейки нейтрализатора. Таким образом, требуемая толщина мишени для нейтрализации достигается путем впрыска газа в ячейку с двумя открытыми концами. Профиль пиковой плотности реализуется вдоль ячейки, когда инжекция происходит на средней длине. Для заданного расхода газа[Па · м 3 / с], максимальное давление газа в центре ячейки зависит от проводимости газа.[м 3 / с]:
а также в режиме молекулярного потока можно рассчитать как
с геометрическими параметрами , , указано на рисунке, масса молекулы газа, и температура газа.
Обычно используется очень высокая пропускная способность газа, и системы с нейтральным пучком имеют специальные вакуумные насосы, одни из самых больших из когда-либо построенных, со скоростью откачки в диапазоне миллионов литров в секунду. [7] Если нет ограничений по пространству, большая длина газовой ячейкипринято, но такое решение маловероятно в будущих устройствах из-за ограниченного объема внутри биозащиты, защищающего от потока энергичных нейтронов (например, в случае JT-60U длина ячейки нейтрализатора N-NBI составляет около 15 м, а в ITER HNB ( его длина ограничена 3 м).
Смотрите также
- Список статей по физике плазмы
- Стенд ИТЭР для испытаний нейтральным пучком
Рекомендации
- ^ Л. Р. Гришем, П. Агостинетти, Дж. Баррера, П. Блатчфорд, Д. Бойлсон, Дж. Чарер и др., Последние улучшения в конструкции системы нейтрального пучка ИТЭР, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805–1815 .
- ^ В. Тойго; Д. Бойсон; Т. Боничелли; Р. Пиован; М. Ханада; и другие. (2015). «Прогресс в реализации испытательной установки нейтрального луча PRIMA» . Nucl. Фьюжн . 55 (8): 083025. DOI : 10,1088 / 0029-5515 / 55/8/083025 . hdl : 10281/96413 .
- ^ «Мощность нейтрального луча занесена в книгу рекордов, 07.09.2012» . Архивировано из оригинала на 2017-03-24.
- ^ К. Икеда и др., Первые результаты работы пучка дейтерия на инжекторах нейтрального пучка в большом спиральном устройстве , Материалы конференции AIP 2011, 060002 (2018).
- ^ Г. Серианни; и другие. (Апрель 2017 г.). «Нейтрализация и перенос пучков отрицательных ионов: физика и диагностика» . Новый журнал физики . 19 : 045003. дои : 10,1088 / 1367-2630 / aa64bd .
- ^ База данных МАГАТЭ Аладдин .
- ^ Дж. Дуэзинг (1987). «Вакуумные системы термоядерной установки JET» . Вакуум . 37 (3–4): 309–315. DOI : 10.1016 / 0042-207X (87) 90015-7 .
Внешние ссылки
- Испытательный реактор термоядерного синтеза с инжектором нейтрального пучка на PPPL [ постоянное мертвое звено ]
- Дополнительный нагрев в ИТЭР
- Сайт IPP о технологии NBI