Wtrysk wiązki neutralnej

Wstrzykiwanie wiązki neutralnej ( NBI ) to jedna z metod stosowanych do podgrzewania plazmy wewnątrz urządzenia termojądrowego składającego się z wiązki wysokoenergetycznych cząstek neutralnych , które mogą wejść w pole magnetyczne . Kiedy te obojętne cząstki ulegają jonizacji w wyniku zderzenia z cząsteczkami plazmy, są one utrzymywane w plazmie przez ograniczające pole magnetyczne i mogą przenosić większość swojej energii poprzez dalsze zderzenia z plazmą. Poprzez styczne wstrzyknięcie do torusa, neutralne wiązki dostarczają również pędu do plazmy i napędzają prąd, co jest jedną z podstawowych cech długich impulsów ⁰⁰⁰ płonące plazmy . Wstrzykiwanie wiązki neutralnej to elastyczna i niezawodna technika, która była głównym systemem grzewczym w wielu różnych urządzeniach termojądrowych. Do tej pory wszystkie systemy NBI były oparte na dodatnich wiązkach jonów prekursorowych . W latach 90. XX wieku nastąpił imponujący postęp w jonów ujemnych wraz z budową wielomegawatowych systemów NBI opartych na jonach ujemnych w LHD (H , 180 keV) i JT-60U (D , 500 keV). NBI zaprojektowany dla ITER jest poważnym wyzwaniem (D , 1 MeV, 40 A) i a budowany jest prototyp , aby zoptymalizować jego działanie z myślą o przyszłych operacjach ITER. Inne sposoby ogrzewania plazmy do syntezy jądrowej obejmują ogrzewanie RF , ogrzewanie rezonansowe cyklotronu elektronowego (ECRH), ogrzewanie rezonansowe cyklotronu jonowego (ICRH) i niższe ogrzewanie rezonansowe hybrydowe (LH).

Mechanizm

Jest to zwykle wykonywane przez:

Robienie plazmy. Można to zrobić przez podgrzewanie w kuchence mikrofalowej gazu o niskim ciśnieniu.
Elektrostatyczne przyspieszenie jonów. Odbywa się to poprzez upuszczanie dodatnio naładowanych jonów w kierunku płytek ujemnych. Gdy jony opadają, działa na nie pole elektryczne, ogrzewając je do temperatur topnienia.
Ponowna neutralizacja gorącej plazmy poprzez dodanie przeciwnego ładunku. Daje to szybko poruszającą się wiązkę bez ładunku.
Wstrzyknięcie szybko poruszającej się gorącej neutralnej wiązki do maszyny.

Wstrzykiwanie neutralnego materiału do plazmy ma kluczowe znaczenie, ponieważ jeśli jest naładowany, może rozpocząć szkodliwą niestabilność plazmy. Większość urządzeń termojądrowych wtryskuje izotopy wodoru , takie jak czysty deuter lub mieszanka deuteru i trytu . Materiał ten staje się częścią plazmy termojądrowej. Przekazuje również swoją energię do istniejącej plazmy w maszynie. Ten gorący strumień materiału powinien podnieść ogólną temperaturę. Chociaż wiązka nie ma elektrostatycznego , gdy przechodzi przez plazmę, atomy są zjonizowany . Dzieje się tak, ponieważ wiązka odbija się od jonów znajdujących się już w plazmie ^{[ potrzebne źródło ]} .

Wtryskiwacze wiązki neutralnej zainstalowane w eksperymentach z syntezą jądrową

Obecnie wszystkie główne eksperymenty związane z syntezą jądrową wykorzystują NBI. Tradycyjne wtryskiwacze na bazie jonów dodatnich (P-NBI) montowane są np. w JET i ASDEX-U . Aby umożliwić osadzanie mocy w środku płonącej plazmy w większych urządzeniach, wymagana jest wyższa energia wiązki neutralnej. Systemy wysokoenergetyczne (>100 keV) wymagają zastosowania technologii jonów ujemnych (N-NBI).

Dodatkowa moc grzewcza [MW] zainstalowana w różnych eksperymentach z energią termojądrową (* cel projektowy)
Magnetyczne urządzenie ograniczające	P-NBI	N-NBI	ECRH	ICRH	lewa	Typ	Pierwsza operacja
STRUMIEŃ	34	—	—	10	7	Tokamak	1983
JT-60U	40	3	4	7	8	Tokamak	1985
TFTR	40	—	—	11	—	Tokamak	1982
WSCHÓD	8	—	0,5	3	4	Tokamak	2006
DIII-D	20	—	5	4	—	Tokamak	1986
ASDEX-U	20	—	6	8	—	Tokamak	1991
JT60-SA *	24	10	7	—	—	Tokamak	2020
ITER *	—	33	20	20	—	Tokamak	2026
LHD	9 (H ⁺ ) 20 (R ⁺ )	15 (H- ⁾ 6 ( ^R- )	?	?	?	gwiezdny	1998
Wendelstein 7-X	8	—	10	?	—	gwiezdny	2015

Legenda

Aktywny

w rozwoju

Emerytowany

Aktywny, NBI jest aktualizowany i poprawiany

Sprzężenie z plazmą termojądrową

Ponieważ pole magnetyczne wewnątrz torusa jest kołowe, 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 piłkę baseballową. Transfer energii z szybkich jonów do plazmy zwiększa ogólną temperaturę plazmy.

Bardzo ważne jest, aby szybkie jony były zamknięte w plazmie na wystarczająco długo, aby mogły zdeponować swoją energię. Fluktuacje magnetyczne są dużym problemem dla uwięzienia plazmy w tego typu urządzeniach (patrz stabilność plazmy ) przez zaszyfrowanie tego, co początkowo było dobrze uporządkowanymi polami magnetycznymi. Jeśli szybkie jony są podatne na tego typu zachowanie, mogą bardzo szybko uciec. Jednak niektóre dowody sugerują, że nie są one podatne. ^{[ potrzebne źródło ]}

Oddziaływanie szybkich substancji neutralnych z plazmą polega na

jonizacja przez zderzenia z elektronami i jonami plazmy,
dryf nowo powstałych szybkich jonów w polu magnetycznym,
zderzenia szybkich jonów z jonami i elektronami plazmy poprzez zderzenia kulombowskie (spowalnianie i rozpraszanie, termalizacja) lub zderzenia z wymianą ładunku z neutralnymi tłem.

Projektowanie systemów belek neutralnych

Energia wiązki

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

Długość adsorpcji dla jonizacji wiązką neutralną w plazmie wynosi w przybliżeniu ${\ displaystyle \ lambda}$

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

gdzie w m, gęstość cząstek n w 10 ¹⁹ m ^-3 $,$ masa atomowa M w amu, energia cząstek w keV. W zależności od mniejszej średnicy i gęstości plazmy, można określić minimalną energię cząstek dla wiązki neutralnej, aby przekazać wystarczającą moc na rdzeń plazmy, a nie na krawędź plazmy. W przypadku plazmy związanej z syntezą jądrową wymagana szybka neutralna energia mieści się w zakresie 1 MeV. Wraz ze wzrostem energii coraz trudniej jest uzyskać szybkie atomy wodoru wychodząc z wiązek prekursorów złożonych z jonów dodatnich. Z tego powodu obecne i przyszłe neutralne belki grzewcze będą oparte na wiązkach jonów ujemnych. W interakcji z gazem tła znacznie łatwiej jest odłączyć dodatkowy elektron od a jon ujemny (H ⁻ ma energię wiązania 0,75 eV i bardzo duży przekrój poprzeczny do odrywania elektronów w tym zakresie energii), zamiast przyłączenia jednego elektronu do jonu dodatniego.

Stan naładowania prekursorowej wiązki jonów

Wiązkę neutralną uzyskuje się przez neutralizację prekursorowej wiązki jonów, zwykle przyspieszanej w dużych akceleratorach elektrostatycznych . Wiązka prekursorowa może być wiązką jonów dodatnich lub wiązką jonów ujemnych: aby uzyskać wystarczająco wysoki prąd, jest ona wytwarzana przez pobieranie ładunków z wyładowania plazmowego. Jednak podczas wyładowania plazmy wodorowej powstaje niewiele ujemnych jonów wodoru. Aby wygenerować wystarczająco wysoką gęstość jonów ujemnych i uzyskać przyzwoity prąd wiązki jonów ujemnych, cezu opary są dodawane do wyładowania plazmowego (źródła jonów ujemnych w plazmie powierzchniowej). Cez, osadzony na ścianach źródła, jest skutecznym donorem elektronów; atomy i jony dodatnie rozproszone na cezowanej powierzchni mają stosunkowo duże prawdopodobieństwo rozproszenia jako jony naładowane ujemnie. Działanie źródeł cezowanych jest złożone i mało niezawodne. Opracowanie alternatywnych koncepcji źródeł wiązki jonów ujemnych jest niezbędne do wykorzystania systemów wiązek neutralnych w przyszłych reaktorach termojądrowych.

Istniejące i przyszłe systemy wiązki neutralnej oparte na jonach ujemnych (N-NBI) wymieniono w poniższej tabeli:

N-NBI (* cel projektowy)
	JT-60U	LHD	ITER **
Prekursorowa wiązka jonów	D- ^_	H- ^/ D- ^_	H- ^/ D- ^_
Maksymalne napięcie przyspieszenia (kV)	400	190	1000
Maksymalna moc na zainstalowaną wiązkę (MW)	5.8	6.4	16,7
Czas trwania impulsu (s)	30 (2 MW, 360 kV)	128 (przy 0,2 MW)	3600 (przy 16,7 MW)

Neutralizacja wiązki jonów

Neutralizacja prekursorowej wiązki jonów jest zwykle przeprowadzana przez przepuszczanie wiązki przez ogniwo gazowe. W przypadku prekursorowej wiązki jonów ujemnych przy energiach związanych z syntezą jądrową kluczowymi procesami kolizyjnymi są:

re ^- + re ₂ → re ⁰ + e + re _{2 (}

oderwanie

pojedynczego elektronu z _-10 = 1,13 × 10 ^-20 m ² przy 1 MeV)

re ⁺ re ₂ → re ⁺ + mi + re _{2 (}

oderwanie

podwójnie elektronowe, z ₌ 7,22 × 10 ^-22 m ² przy 1 MeV)

re ⁰ + re ₂ → re ⁺ + mi + re ₂ (rejonizacja, gdzie

{\ Displaystyle \ sigma}

₀₁ = 3,79 × 10 ^-21 m ² przy 1 MeV)

re ⁺ + re ₂ → re ⁰ + re ₂⁺ (wymiana ładunku,

{\ Displaystyle \ sigma}

₁₀ pomijalne przy 1 MeV)

Podkreślenie wskazuje na szybkie cząstki, podczas gdy indeksy $naładowania$ ja , j przekroju poprzecznego ij wskazują stan _szybkiej cząstki przed i po zderzeniu.

Przekroje poprzeczne przy 1 MeV są takie, że raz utworzonego szybkiego jonu dodatniego nie można przekształcić w szybki neutralny, co jest przyczyną ograniczonej osiągalnej wydajności neutralizatorów gazów.

Frakcje ujemnie naładowanych, dodatnio naładowanych i obojętnych cząstek opuszczających ogniwa gazowe neutralizatora zależą od zintegrowanej gęstości gazu lub docelowej grubości ${\ Displaystyle \ tau = \ int n \, dl,}$ gdzie ${ \ displaystyle n}$ gęstość gazu wzdłuż ścieżki wiązki ${\ displaystyle l}$ . W przypadku wiązek D ⁻ maksymalna wydajność neutralizacji występuje przy docelowej grubości ${\ Displaystyle \ tau _ {{\ tekst {D}} ^ {-}, {\ tekst {1 MeV}}} \ około 1,4 \ cdot 10 ^ {- 16}}$ m ^-2 .

Uproszczony schemat neutralizatora z ogniwem gazowym dla wtryskiwaczy z wiązką neutralną

Zazwyczaj gęstość gazu tła powinna być zminimalizowana na całej ścieżce wiązki (tj. w obrębie elektrod przyspieszających, wzdłuż kanału łączącego plazmę termojądrową), aby zminimalizować straty, z wyjątkiem ogniwa neutralizatora. Dlatego wymaganą grubość docelową do neutralizacji uzyskuje się przez wstrzyknięcie gazu do celi z dwoma otwartymi końcami. Szczytowy profil gęstości jest realizowany wzdłuż komórki, gdy wstrzyknięcie następuje w połowie długości. Dla danej przepustowości gazu $[$ · m ³ / s] maksymalne ciśnienie gazu w środku ogniwa zależy od przewodności $gazu$ m ³ /s]:

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

i w $reżimie$ przepływu molekularnego obliczyć jako

{\ Displaystyle C = {\ Frac {9,7} {L/2}}} {\ sqrt {\ Frac {T} {m}}}} {\ frac {a^{2}\cdot b^{2}}{a+b}},}

$z$ parametrami $geometrycznymi$ na $_$ , $masą$ $temperaturą$ gazu gazu _

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

Zobacz też

Linki zewnętrzne