Nøytral stråleinjeksjon - Neutral-beam injection

Nøytralstråleinjeksjon ( NBI ) er en metode som brukes til å varme plasma inne i en fusjonsanordning som består av en stråle med høyenerginøytrale partikler som kan komme inn i magnetisk inneslutningsfelt . Når disse nøytrale partiklene ioniseres ved kollisjon med plasmapartiklene, holdes de i plasma av det begrensende magnetfeltet og kan overføre mesteparten av energien ved ytterligere kollisjoner med plasmaet. Ved tangensiell injeksjon i torusen gir nøytrale stråler også momentum til plasma- og strømdriften, en viktig funksjon for lange pulser av brennende plasmaer. Nøytralstråleinjeksjon er en fleksibel og pålitelig teknikk som har vært det viktigste varmesystemet på et stort utvalg av fusjonsenheter. Til dags dato ble alle NBI-systemer basert på positive forløper ionestråler . På 1990-tallet har det vært imponerende fremgang i negative ionkilder og akseleratorer med konstruksjonen av multi-megawatt negative ionebaserte NBI-systemer ved LHD (H 0 , 180 keV) og JT-60U (D 0 , 500 keV). NBI designet for ITER er en betydelig utfordring (D 0 , 1 MeV, 40 A) og en prototype blir konstruert for å optimalisere ytelsen med tanke på ITERs fremtidige drift. Andre måter å varme plasma på for kjernefusjon inkluderer RF- oppvarming, elektronsyklotronresonansoppvarming (ECRH), ionesyklotronresonansoppvarming (ICRH) og lavere hybridresonansoppvarming (LH).

Mekanisme

For det første dannes plasma av mikrobølgeovn.  Deretter akselereres plasmaet over et spenningsfall.  Dette varmer opp ionene til fusjonsforhold.  Etter dette nøytraliserer ionene seg.  Til slutt injiseres nøytralene i maskinen.

Dette gjøres vanligvis av:

  1. Å lage et plasma. Dette kan gjøres ved å mikrobølgeovne en lavtrykksgass.
  2. Elektrostatisk ioneakselerasjon. Dette gjøres ved å slippe de positivt ladede ionene mot negative plater. Når ionene faller, gjør det elektriske feltet arbeid på dem, å varme dem opp til smeltetemperaturer.
  3. Renutralisering av det varme plasmaet ved å tilsette motsatt ladning. Dette gir den hurtiggående strålen uten kostnad.
  4. Injisere den raskt bevegelige varme nøytrale strålen i maskinen.

Det er viktig å injisere nøytralt materiale i plasma, for hvis det er ladet, kan det starte skadelige plasmainstabiliteter. De fleste fusjonsinnretninger injiserer isotoper av hydrogen , som rent deuterium eller en blanding av deuterium og tritium . Dette materialet blir en del av fusjonsplasmaet. Den overfører også sin energi til det eksisterende plasmaet i maskinen. Denne varme strømmen av materiale skal øke den totale temperaturen. Selv om strålen ikke har noen elektrostatisk ladning når den kommer inn, blir atomene ionisert når den passerer gjennom plasmaet . Dette skjer fordi strålen spretter av ioner som allerede er i plasmaet.

Nøytralstråleinjektorer installert i fusjonseksperimenter

For tiden bruker alle hovedfusjonseksperimenter NBI. Tradisjonelle positive ionebaserte injektorer (P-NBI) er installert for eksempel i JET og i ASDEX-U . For å tillate kraftavsetning i midten av det brennende plasmaet i større enheter, kreves det en høyere nøytralstrålenergi. Høyenergisystemer (> 100 keV) krever bruk av negativ ionteknologi (N-NBI).

Ekstra varmekraft [MW] installert i forskjellige tokamak- eksperimenter (* designmål)
Magnetisk inneslutningsanordning P-NBI N-NBI ECRH ICRH LH Type Første operasjon
JETFLY 34 - - 10 7 Tokamak 1983
JT-60U 40 3 4 7 8 Tokamak 1985
TFTR 40 - - 11 - Tokamak 1982
ØST 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 (D + )
15 (H - )
6 (D - )
? ? ? Stellarator 1998
Wendelstein 7-X 8 - 10 ? - Stellarator 2015
Legende
   Aktiv
   Under utvikling
   Pensjonert
   Aktiv, NBI blir oppdatert og revidert

Kobling med fusjonsplasma

Fordi magnetfeltet inne i torusen er sirkulært, er disse raske ionene begrenset til bakgrunnsplasmaet. De begrensede raske ionene nevnt ovenfor bremses av bakgrunnsplasmaet, på samme måte som hvordan luftmotstanden bremser en baseball. Energioverføringen fra de raske ionene til plasmaet øker den totale plasmatemperaturen.

Det er veldig viktig at de raske ionene er begrenset i plasmaet lenge nok til at de kan avsette energien. Magnetiske svingninger er et stort problem for plasmainneslutning i denne typen innretning (se plasmastabilitet ) ved å kryptere det som opprinnelig var velordnede magnetfelt. Hvis de raske ionene er utsatt for denne typen oppførsel, kan de rømme veldig raskt. Noen bevis tyder imidlertid på at de ikke er utsatt.

Samspillet mellom raske nøytrale og plasma består av

  • ionisering ved kollisjon med plasmaelektroner og ioner,
  • drift av nyopprettede raske ioner i magnetfeltet,
  • kollisjoner av raske ioner med plasmaioner og elektroner ved Coulomb-kollisjoner (bremsing og spredning, termalisering) eller ladningsutvekslingskollisjoner med bakgrunnsnøytraler.

Design av nøytrale bjelkesystemer

Strålenergi

Maksimal nøytraliseringseffektivitet for en rask D ionstråle i en gasscelle, som en funksjon av ionenergien

Adsorpsjonslengden for nøytral stråleionisering i et plasma er omtrent

med i m, partikkeltetthet n i 10 19 m −3 , atommasse M i amu, partikkel energi E i keV. Avhengig av plasma-mindre diameter og tetthet, kan det defineres en minimum partikkel energi for den nøytrale strålen for å avsette tilstrekkelig kraft på plasmakjernen i stedet for til plasmakanten. For et fusjonsrelevant plasma kommer den nødvendige raske nøytrale energien i området 1 MeV. Med økende energi blir det stadig vanskeligere å oppnå raske hydrogenatomer som starter fra forløperbjelker sammensatt av positive ioner. Av den grunn vil nylige og fremtidige varme nøytrale bjelker være basert på negativ-ion bjelker. I samspillet med bakgrunnsgass er det mye lettere å koble ekstraelektronet fra et negativt ion (H - har en bindingsenergi på 0,75 eV og et veldig stort tverrsnitt for elektronfrigjøring i dette energiområdet) i stedet for å feste en elektron til et positivt ion.

Ladetilstand for forløperionstrålen

En nøytral stråle oppnås ved nøytralisering av en forløperionstråle, som ofte akselereres i store elektrostatiske akseleratorer . Forløperstrålen kan enten være en positiv-ion-stråle eller en negativ-ion-stråle: for å oppnå en tilstrekkelig høy strøm produseres den og ekstraherer ladninger fra en plasmautladning. Imidlertid er det få negative hydrogenioner som dannes i en hydrogenplasmautslipp. For å frembringe en tilstrekkelig høy negativ-ion-tetthet og oppnå en skikkelig negativ-ion-strålestrøm, cesium blir damp tilsettes til plasmaet utladnings ( overflate-plasma negativ-ion-kilder ). Cesium, avsatt ved kildeveggene, er en effektiv elektrondonor; atomer og positive ioner spredt ved caesiert overflate har relativt stor sannsynlighet for å bli spredt som negativt ladede ioner. Drift av kaiserte kilder er kompleks og ikke så pålitelig. Utviklingen av alternative konsepter for negative ionestrålekilder er obligatorisk for bruk av nøytrale strålesystemer i fremtidige fusjonsreaktorer.

Eksisterende og fremtidige negativ-ion-baserte nøytrale strålesystemer (N-NBI) er oppført i følgende tabell:

N-NBI (* designmål)
JT-60U LHD ITER **
Forløperionstråle D - H - / D - H - / D -
Maks akselerasjonsspenning (kV) 400 190 1000
Maks effekt per installert stråle (MW) 5.8 6.4 16.7
Pulsvarighet (er) 30 (2MW, 360kV) 128 (ved 0,2 MW) 3600 (ved 16,7 MW)

Nøytralisering av ionestråler

Nøytralisering av forløperionstrålen utføres ofte ved å føre strålen gjennom en gasscelle. For en forløper negativ ionstråle ved fusjonsrelevante energier er de viktigste kollisjonsprosessene:

D - + D 2 D 0 + e + D 2  (enkeltelektronavløsning, med −10 = 1,13 × 10 −20 m 2 ved 1 MeV)
D - + D 2 D + + e + D 2  (dobbeltelektronfrakobling, med −11 = 7,22 × 10 −22 m 2 ved 1 MeV)
D 0 + D 2 D + + e + D 2  (reionisering, med 01 = 3,79 × 10 −21 m 2 ved 1 MeV)
D + + D 2 D 0 + D 2 +  (ladeutveksling, 10 ubetydelig ved 1 MeV)

Understreket indikerer de raske partiklene, mens abonnementene i , j av tverrsnittet ij indikerer ladningstilstanden til rask partikkel før og etter kollisjon.

Tverrsnitt ved 1 MeV er slik at når de er skapt, kan et raskt positivt ion ikke omdannes til en rask nøytral, og dette er årsaken til den begrensede oppnåelige effektiviteten til gassnøytralisatorer.

Fraksjonene av negativt ladede, positivt ladede og nøytrale partikler som kommer ut av nøytraliseringsgasscellene, avhenger av den integrerte gassdensiteten eller måltykkelsen med gassdensiteten langs strålebanen . Når det gjelder D - bjelker, opptrer det maksimale nøytraliseringsutbyttet ved en måltykkelse m −2 .

Forenklet ordning med gasscelle nøytraliseringsmiddel for nøytralstråleinjektorer

Vanligvis skal bakgrunnsgasstettheten minimeres langs strålebanen (dvs. innenfor akselerasjonselektrodene, langs kanalen som kobles til fusjonsplasmaet) for å minimere tap unntatt i nøytraliseringscellen. Derfor oppnås den nødvendige måltykkelse for nøytralisering ved å injisere gass i en celle med to åpne ender. En toppet tetthetsprofil blir realisert langs cellen når injeksjonen skjer midt på lengden. For en gitt gassgjennomstrømning [Pa · m 3 / s] avhenger det maksimale gasstrykket i midten av cellen av gassledningen [m 3 / s]:

og i molekylstrømregime kan beregnes som

med de geometriske parametrene , , er angitt i figuren, gass molekyl masse, og gasstemperaturen.

Svært høy gassgjennomstrømning blir ofte brukt, og nøytrale strålesystemer har tilpassede vakuumpumper blant de største som noensinne er bygd, med pumpehastigheter i størrelsesorden millioner liter per sekund. Hvis det ikke er plassbegrensninger, blir en stor gasscellelengde vedtatt, men denne løsningen er usannsynlig i fremtidige enheter på grunn av det begrensede volumet inne i bioskjermen som beskytter mot energisk nøytronstrøm (for eksempel i tilfelle JT-60U, N- NBI-nøytraliseringscellen er omtrent 15 m lang, mens den i ITER HNB er begrenset til 3 m).

Se også

Referanser

Eksterne linker