Wtrysk wiązki neutralnej - Neutral-beam injection

Wstrzykiwanie wiązki neutralnej ( NBI ) to jedna z metod wykorzystywanych do podgrzewania plazmy wewnątrz urządzenia termojądrowego składającego się z wiązki wysokoenergetycznych neutralnych cząstek, które mogą wejść w magnetyczne pole ograniczające . Kiedy te neutralne cząstki ulegają jonizacji w wyniku zderzenia z cząstkami plazmy, są one utrzymywane w plazmie przez ograniczające pole magnetyczne i mogą przenosić większość swojej energii przez dalsze zderzenia z plazmą. Poprzez wtrysk styczny do torusa, wiązki neutralne zapewniają również pęd do napędu plazmy i prądu, co jest jedną z zasadniczych cech długich impulsów palącej się plazmy. Wstrzykiwanie wiązki neutralnej to elastyczna i niezawodna technika, która była głównym systemem grzewczym w wielu różnych urządzeniach do zgrzewania. Do tej pory wszystkie systemy NBI były oparte na dodatnich wiązkach jonów prekursorowych . W latach dziewięćdziesiątych XX wieku nastąpił imponujący postęp w dziedzinie źródeł i akceleratorów jonów ujemnych dzięki budowie wielomegawatowych systemów NBI opartych na jonach ujemnych w LHD (H ⁰ , 180 keV) i JT-60U (D ⁰ , 500 keV). NBI zaprojektowany dla ITER jest poważnym wyzwaniem (D ⁰ , 1 MeV, 40 A) i budowany jest prototyp , aby zoptymalizować jego wydajność w kontekście przyszłych operacji ITER. Inne sposoby osoczu ciepła do syntezy jądrowej, to RF ogrzewanie, elektronowy rezonans cyklotronowy ogrzewanie (ECRH), jon ogrzewanie rezonansu cyklotronowego (ICRH) i z hybrydowym ogrzewanie rezonansowej (LH).

Mechanizm

Odbywa się to zazwyczaj przez:

1. Robienie plazmy. Można to zrobić przez podgrzanie gazu o niskim ciśnieniu w kuchence mikrofalowej.
2. Przyspieszanie jonów elektrostatycznych. Odbywa się to poprzez upuszczenie dodatnio naładowanych jonów w kierunku płytek ujemnych. Gdy jony opadają, pole elektryczne działa na nie, podgrzewając je do temperatury topnienia.
3. Ponowna neutralizacja gorącej plazmy poprzez dodanie przeciwnego ładunku. Daje to szybko poruszającą się wiązkę bez ładowania.
4. Wstrzyknięcie szybko poruszającej się gorącej wiązki neutralnej w maszynie.

Wstrzyknięcie obojętnego materiału do plazmy ma kluczowe znaczenie, ponieważ naładowany może wywołać szkodliwe niestabilności plazmy. Większość urządzeń fuzyjne wstrzyknąć izotopy z atomu wodoru , taką jak czysta deuteru lub mieszanki deuter i tryt . Ten materiał staje się częścią plazmy fuzyjnej. Przekazuje również swoją energię do istniejącej plazmy w maszynie. Ten gorący strumień materiału powinien podnieść ogólną temperaturę. Chociaż wiązka nie ma ładunku elektrostatycznego , gdy wchodzi, gdy przechodzi przez plazmę, atomy są zjonizowane . Dzieje się tak, ponieważ wiązka odbija się od jonów znajdujących się już w plazmie.

Wtryskiwacze z wiązką neutralną zainstalowane podczas eksperymentów termojądrowych

Obecnie wszystkie główne eksperymenty termojądrowe wykorzystują NBI. Tradycyjne wtryskiwacze na bazie jonów dodatnich (P-NBI) są instalowane na przykład w JET i ASDEX-U . Aby umożliwić osadzanie się mocy w środku płonącej plazmy w większych urządzeniach, wymagana jest wyższa energia wiązki neutralnej. Systemy o dużej energii (> 100 keV) wymagają zastosowania technologii jonów ujemnych (N-NBI).

Legenda

Sprzęganie z plazmą fuzyjną

Ponieważ pole magnetyczne wewnątrz torusa jest okrągłe, te szybkie jony są ograniczone do plazmy tła. Wspomniane powyżej ograniczone szybkie jony są spowalniane przez plazmę tła, w podobny sposób jak opór powietrza spowalnia grę w baseball. Przenoszenie energii z szybkich jonów do plazmy zwiększa ogólną temperaturę plazmy.

Bardzo ważne jest, aby szybkie jony były uwięzione w plazmie wystarczająco długo, aby mogły zdeponować swoją energię. Wahania magnetyczne są dużym problemem związanym z uwięzieniem plazmy w tego typu urządzeniach (patrz stabilność plazmy ) poprzez szyfrowanie tego, co początkowo było dobrze uporządkowanym polem magnetycznym. Jeśli szybkie jony są podatne na tego typu zachowanie, mogą bardzo szybko uciec. Jednak niektóre dowody sugerują, że nie są one podatne.

Interakcja szybkich związków neutralnych z plazmą polega na

• jonizacja przez zderzenie z elektronami i jonami plazmy,
• dryf nowo utworzonych szybkich jonów w polu magnetycznym,
• zderzenia szybkich jonów z jonami i elektronami plazmy przez zderzenia Coulomba (spowolnienie i rozproszenie, termizacja) lub zderzenia z wymianą ładunku z neutralnymi w tle.

Projektowanie systemów świateł neutralnych

Energia wiązki

Maksymalna skuteczność neutralizacji szybkiej wiązki jonów D w ogniwie gazowym w funkcji energii jonów

Długość adsorpcji dla jonizacji wiązką obojętną w plazmie jest z grubsza ${\ displaystyle \ lambda}$

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

gdzie wm, gęstość cząstek n w 10 ¹⁹ m- ³ , masa atomowa M w amu, energia cząstek E w keV. W zależności od mniejszej średnicy i gęstości plazmy, można określić minimalną energię cząstek dla wiązki obojętnej, aby osadzić wystarczającą moc raczej na rdzeniu plazmy niż na krawędzi plazmy. W przypadku plazmy związanej z fuzją wymagana szybka energia neutralna osiąga zakres 1 MeV. Wraz ze wzrostem energii coraz trudniej jest uzyskać szybkie atomy wodoru, wychodząc z wiązek prekursorów złożonych z jonów dodatnich. Z tego powodu najnowsze i przyszłe grzejne promienie neutralne będą oparte na wiązkach jonów ujemnych. W interakcji z gazem tła znacznie łatwiej jest oderwać dodatkowy elektron od jonu ujemnego (H ^- ma energię wiązania 0,75 eV i bardzo duży przekrój do oderwania elektronów w tym zakresie energii) niż dołączyć jeden elektron do jonu dodatniego. ${\ displaystyle \ lambda}$

Stan naładowania wiązki jonów prekursora

Wiązkę neutralną uzyskuje się przez neutralizację prekursorowej wiązki jonów, zwykle przyspieszanej w dużych akceleratorach elektrostatycznych . Wiązka prekursora może być wiązką jonów dodatnich lub jonów ujemnych: w celu uzyskania dostatecznie dużego prądu wytwarza się ją, pobierając ładunki z wyładowania plazmowego. Jednak w wyładowaniu plazmy wodorowej powstaje niewiele ujemnych jonów wodoru. W celu wytworzenia dostatecznie wysokiej gęstości jonów ujemnych i uzyskania przyzwoitego prądu wiązki jonów ujemnych, do wyładowania plazmy dodawane są opary cezu ( źródła jonów ujemnych w plazmie powierzchniowej ). Cez osadzony na ścianach źródła jest skutecznym donorem elektronów; atomy i jony dodatnie rozproszone na powierzchni poddanej cesji mają stosunkowo duże prawdopodobieństwo rozproszenia jako jony naładowane ujemnie. Działanie źródeł cezowanych jest złożone i nie tak niezawodne. Opracowanie alternatywnych koncepcji źródeł wiązki jonów ujemnych jest obowiązkowe w przypadku stosowania systemów wiązek neutralnych w przyszłych reaktorach termojądrowych.

Istniejące i przyszłe systemy wiązek neutralnych opartych na jonach ujemnych (N-NBI) są wymienione w poniższej tabeli:

Neutralizacja wiązki jonów

Neutralizacja wiązki jonów prekursora jest zwykle wykonywana przez przepuszczenie wiązki przez ogniwo gazowe. W przypadku prekursora wiązki jonów ujemnych przy energiach związanych z fuzją, kluczowe procesy zderzeniowe to:

D ^- + D ₂ → D ⁰ + e + D ₂  (oderwanie pojedynczego elektronu, przy ₋₁₀ = 1,13 × 10 ⁻²⁰ m ² przy 1 MeV) ${\ displaystyle \ sigma}$

D ^- + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (oderwanie podwójnego elektronu, przy ₋₁₁ = 7,22 × 10 ⁻²² m ² przy 1 MeV) ${\ displaystyle \ sigma}$

D ⁰ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (rejonizacja, przy ₀₁ = 3,79 × 10 ⁻²¹ m ² przy 1 MeV) ${\ displaystyle \ sigma}$

D ⁺ + D ₂ → D ⁰ + D ₂ ⁺  (wymiana ładunku, ₁₀ pomijalne przy 1 MeV) ${\ displaystyle \ sigma}$

Podkreślenie wskazuje na szybkie cząstki, a indeksy dolne i , j przekroju _ij wskazują stan naładowania cząstek szybkich przed i po zderzeniu. ${\ displaystyle \ sigma}$

Przekroje przy 1 MeV są takie, że raz utworzony szybki jon dodatni nie może zostać przekształcony w szybko obojętny, co jest przyczyną ograniczonej osiągalnej wydajności neutralizatorów gazu.

Ułamki ujemnie naładowanych, dodatnio naładowanych i obojętnych cząstek opuszczających komórki gazu neutralizatora zależą od zintegrowanej gęstości gazu lub grubości tarczy z gęstością gazu wzdłuż ścieżki wiązki . W przypadku D ^- belki, a maksymalna wydajność zobojętniania następuje przy grubości docelowej m ^-2 . ${\ Displaystyle \ tau = \ int n \, dl,}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle l}$${\ Displaystyle \ tau _ {{\ tekst {D}} ^ {-}, {\ tekst {1 MeV}}} \ około 1,4 \ cdot 10 ^ {- 16}}$

Uproszczony schemat neutralizatora ogniwa gazowego dla wtryskiwaczy z wiązką neutralną

Zwykle gęstość gazu tła powinna być zminimalizowana na całej ścieżce wiązki (tj. W elektrodach przyspieszających, wzdłuż kanału łączącego się z plazmą termojądrową), aby zminimalizować straty, z wyjątkiem komórek neutralizatora. Dlatego wymaganą grubość docelową do neutralizacji uzyskuje się przez wtryskiwanie gazu do komórki z dwoma otwartymi końcami. Szczytowy profil gęstości jest realizowany wzdłuż komórki, gdy wstrzyknięcie następuje w połowie długości. Dla danego przepływu gazu [Pa · m ³ / s] maksymalne ciśnienie gazu w środku ogniwa zależy od przewodności gazu [m ³ / s]: ${\ displaystyle Q}$${\ displaystyle C}$

${\ Displaystyle P_ {0} = P _ {\ tekst {czołg}} + {\ Frac {Q} {2C}},}$

i w cząsteczkowej reżim przepływu można obliczyć ${\ displaystyle C}$

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

z parametrów geometrycznych , , przedstawiono na rysunku, masa cząsteczkowa gazu i temperatury gazu. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle a}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle T}$

Powszechnie przyjmuje się bardzo dużą przepustowość gazu, a systemy z wiązką neutralną mają niestandardowe pompy próżniowe, jedne z największych, jakie kiedykolwiek zbudowano, z prędkością pompowania rzędu milionów litrów na sekundę. Jeśli nie ma ograniczeń przestrzennych, przyjmuje się dużą długość ogniwa gazowego , ale takie rozwiązanie jest mało prawdopodobne w przyszłych urządzeniach ze względu na ograniczoną objętość wewnątrz biosłony chroniącej przed strumieniem neutronów energetycznych (na przykład w przypadku JT-60U N- Ogniwo neutralizatora NBI ma około 15 m długości, podczas gdy w ITER HNB jego długość jest ograniczona do 3 m). ${\ displaystyle L}$

Zobacz też

• Lista artykułów dotyczących fizyki plazmy
• Obiekt do testowania neutralnej wiązki ITER

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Reaktor testowy syntezy termojądrowej z iniektorem wiązki neutralnej w PPPL
• Dodatkowe ogrzewanie w ITER
• Witryna IPP dotycząca technologii NBI