Inyección de haz neutro - Neutral-beam injection

La inyección de haz neutro ( NBI ) es un método que se utiliza para calentar plasma dentro de un dispositivo de fusión que consiste en un haz de partículas neutras de alta energía que pueden ingresar al campo de confinamiento magnético . Cuando estas partículas neutras se ionizan por colisión con las partículas de plasma, se mantienen en el plasma por el campo magnético confinante y pueden transferir la mayor parte de su energía mediante más colisiones con el plasma. Por inyección tangencial en el toro, los rayos neutrales también proporcionan impulso al plasma y al impulso de corriente, una característica esencial para pulsos largos de plasma ardiente. La inyección de haz neutro es una técnica flexible y confiable, que ha sido el principal sistema de calentamiento en una gran variedad de dispositivos de fusión. Hasta la fecha, todos los sistemas NBI se basaban en haces de iones precursores positivos . En la década de 1990 se ha producido un progreso impresionante en las fuentes de iones negativos y aceleradores con la construcción de sistemas NBI basados ​​en iones negativos de varios megavatios en LHD (H ⁰ , 180 keV) y JT-60U (D ⁰ , 500 keV). El NBI diseñado para ITER es un desafío sustancial (D ⁰ , 1 MeV, 40 A) y se está construyendo un prototipo para optimizar su rendimiento de cara a las operaciones futuras del ITER. Otras formas de calentar plasma para la fusión nuclear incluyen calentamiento por RF , calentamiento por resonancia de ciclotrón de electrones (ECRH), calentamiento por resonancia de ciclotrón de iones (ICRH) y calentamiento por resonancia híbrida inferior (LH).

Mecanismo

Normalmente, esto se hace mediante:

1. Haciendo un plasma. Esto se puede hacer calentando en el microondas un gas a baja presión.
2. Aceleración de iones electrostáticos. Esto se hace dejando caer los iones cargados positivamente hacia las placas negativas. Como los iones caen, el campo eléctrico hace el trabajo en ellos, calentándolos a temperaturas de fusión.
3. Reneutralizar el plasma caliente agregando la carga opuesta. Esto le da al rayo de movimiento rápido sin cargo.
4. Inyectar el rayo neutro caliente de rápido movimiento en la máquina.

Es fundamental inyectar material neutro en el plasma, porque si se carga, puede iniciar inestabilidades del plasma dañinas. La mayoría de los dispositivos de fusión inyectan isótopos de hidrógeno , como deuterio puro o una mezcla de deuterio y tritio . Este material pasa a formar parte del plasma de fusión. También transfiere su energía al plasma existente dentro de la máquina. Esta corriente de material caliente debería elevar la temperatura general. Aunque el rayo no tiene carga electrostática cuando entra, al pasar a través del plasma, los átomos se ionizan . Esto sucede porque el rayo rebota en los iones que ya están en el plasma.

Inyectores de haz neutro instalados en experimentos de fusión

En la actualidad, todos los experimentos de fusión principales utilizan NBI. Los inyectores tradicionales basados ​​en iones positivos (P-NBI) se instalan, por ejemplo, en JET y en ASDEX-U . Para permitir la deposición de energía en el centro del plasma en llamas en dispositivos más grandes, se requiere una energía de haz neutro más alta. Los sistemas de alta energía (> 100 keV) requieren el uso de tecnología de iones negativos (N-NBI).

Leyenda

Acoplamiento con plasma de fusión

Debido a que el campo magnético dentro del toro es circular, estos iones rápidos están confinados al plasma de fondo. Los iones rápidos confinados mencionados anteriormente son ralentizados por el plasma de fondo, de manera similar a como la resistencia del aire ralentiza una pelota de béisbol. La transferencia de energía de los iones rápidos al plasma aumenta la temperatura total del plasma.

Es muy importante que los iones rápidos estén confinados dentro del plasma el tiempo suficiente para que depositen su energía. Las fluctuaciones magnéticas son un gran problema para el confinamiento del plasma en este tipo de dispositivo (ver estabilidad del plasma ) al codificar lo que inicialmente eran campos magnéticos bien ordenados. Si los iones rápidos son susceptibles a este tipo de comportamiento, pueden escapar muy rápidamente. Sin embargo, alguna evidencia sugiere que no son susceptibles.

La interacción de los neutros rápidos con el plasma consiste en

• ionización por colisión con electrones e iones del plasma,
• deriva de iones rápidos recién creados en el campo magnético,
• colisiones de iones rápidos con iones de plasma y electrones por colisiones de Coulomb (desaceleración y dispersión, termolización) o colisiones de intercambio de carga con neutrales de fondo.

Diseño de sistemas de haz neutro

Haz de energía

Máxima eficiencia de neutralización de un haz de iones D rápido en una celda de gas, en función de la energía iónica

La longitud de adsorción para la ionización de haz neutro en un plasma es aproximadamente ${\ Displaystyle \ lambda}$

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

con en m, densidad de partículas n en 10 ¹⁹ m ⁻³ , masa atómica M en amu, energía de partículas E en keV. Dependiendo del diámetro y la densidad menores del plasma, se puede definir una energía de partícula mínima para el haz neutro, con el fin de depositar una energía suficiente en el núcleo del plasma en lugar de en el borde del plasma. Para un plasma relevante para la fusión, la energía neutra rápida requerida se encuentra en el rango de 1 MeV. Con el aumento de la energía, es cada vez más difícil obtener átomos de hidrógeno rápidos a partir de haces de precursores compuestos de iones positivos. Por esa razón, los haces neutrales de calentamiento recientes y futuros se basarán en haces de iones negativos. En la interacción con el gas de fondo, es mucho más fácil separar el electrón extra de un ion negativo (H ^- tiene una energía de enlace de 0,75 eV y una sección transversal muy grande para el desprendimiento de electrones en este rango de energía) en lugar de unir uno. electrón a un ion positivo. ${\ Displaystyle \ lambda}$

Estado de carga del haz de iones precursores

Un haz neutro se obtiene mediante la neutralización de un haz de iones precursores, comúnmente acelerado en grandes aceleradores electrostáticos . El haz precursor puede ser un haz de iones positivos o un haz de iones negativos: para obtener una corriente suficientemente alta, se produce extrayendo cargas de una descarga de plasma. Sin embargo, se crean pocos iones de hidrógeno negativos en una descarga de plasma de hidrógeno. Para generar una densidad de iones negativos suficientemente alta y obtener una corriente de haz de iones negativos decente, se añaden vapores de cesio a la descarga de plasma ( fuentes de iones negativos de plasma superficial ). El cesio, depositado en las paredes de la fuente, es un donante de electrones eficiente; Los átomos e iones positivos dispersos en la superficie cesiada tienen una probabilidad relativamente alta de dispersarse como iones cargados negativamente. La operación de fuentes cesiadas es compleja y no tan confiable. El desarrollo de conceptos alternativos para fuentes de haz de iones negativos es obligatorio para el uso de sistemas de haz neutro en futuros reactores de fusión.

Los sistemas de haz neutro basados ​​en iones negativos (N-NBI) existentes y futuros se enumeran en la siguiente tabla:

Neutralización del haz de iones

La neutralización del haz de iones precursores se realiza habitualmente pasando el haz a través de una celda de gas. Para un haz precursor de iones negativos a energías relevantes para la fusión, los procesos de colisión clave son:

D ^- + D ₂ → D ⁰ + e + D ₂  (desprendimiento de un solo electrón, con ₋₁₀ = 1,13 × 10 ⁻²⁰ m ² a 1 MeV) ${\ Displaystyle \ sigma}$

D ^- + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (desprendimiento de doble electrón, con ₋₁₁ = 7,22 × 10 ⁻²² m ² a 1 MeV) ${\ Displaystyle \ sigma}$

D ⁰ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  (reionización, con ₀₁ = 3,79 × 10 ⁻²¹ m ² a 1 MeV) ${\ Displaystyle \ sigma}$

D ⁺ + D ₂ → D ⁰ + D ₂ ⁺  (intercambio de carga, ₁₀ insignificante a 1 MeV) ${\ Displaystyle \ sigma}$

El subrayado indica las partículas rápidas, mientras que los subíndices i , j de la sección transversal _ij indican el estado de carga de la partícula rápida antes y después de la colisión. ${\ Displaystyle \ sigma}$

Las secciones transversales a 1 MeV son tales que, una vez creadas, un ión positivo rápido no se puede convertir en un neutro rápido, y esta es la causa de la limitada eficiencia alcanzable de los neutralizadores de gas.

Las fracciones de partículas cargadas negativamente, cargadas positivamente y neutras que salen de las celdas de gas neutralizador dependen de la densidad del gas integrado o del espesor objetivo con la densidad del gas a lo largo de la trayectoria del haz . En el caso de D ^- vigas, el rendimiento máximo de neutralización se produce en un objetivo espesor m ^-2 . ${\ Displaystyle \ tau = \ int n \, dl,}$${\ Displaystyle n}$${\ Displaystyle l}$${\ Displaystyle \ tau _ {{\ text {D}} ^ {-}, {\ text {1 MeV}}} \ approx 1.4 \ cdot 10 ^ {- 16}}$

Esquema simplificado de neutralizador de celda de gas para inyectores de haz neutro

Por lo general, la densidad del gas de fondo se minimizará a lo largo de la trayectoria del haz (es decir, dentro de los electrodos de aceleración, a lo largo del conducto que se conecta al plasma de fusión) para minimizar las pérdidas excepto en la celda neutralizadora. Por lo tanto, el espesor objetivo requerido para la neutralización se obtiene inyectando gas en una celda con dos extremos abiertos. Se realiza un perfil de densidad pico a lo largo de la celda, cuando la inyección se produce a media longitud. Para un caudal de gas dado [Pa · m ³ / s], la presión máxima del gas en el centro de la celda depende de la conductancia del gas [m ³ / s]: ${\ displaystyle Q}$${\ Displaystyle C}$

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

y en régimen de flujo molecular se puede calcular como ${\ Displaystyle C}$

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

con los parámetros geométricos , , se indica en la figura, la masa molécula de gas, y temperatura del gas. ${\ Displaystyle L}$${\ Displaystyle a}$${\ Displaystyle b}$${\ Displaystyle m}$${\ Displaystyle T}$

Se adopta comúnmente un rendimiento de gas muy alto, y los sistemas de haz neutro tienen bombas de vacío personalizadas entre las más grandes jamás construidas, con velocidades de bombeo en el rango de millones de litros por segundo. Si no hay restricciones de espacio, se adopta una celda de gas de gran longitud , pero esta solución es poco probable en dispositivos futuros debido al volumen limitado dentro del bioshield que protege del flujo de neutrones energéticos (por ejemplo, en el caso de JT-60U el N- La celda neutralizadora NBI tiene una longitud de unos 15 m, mientras que en el ITER HNB su longitud está limitada a 3 m). ${\ Displaystyle L}$

Ver también

• Lista de artículos de física del plasma
• Instalación de prueba de haz neutro ITER

Referencias

enlaces externos

• Reactor de prueba de fusión termonuclear con inyector de haz neutro en PPPL
• Calefacción auxiliar en ITER
• Sitio web de IPP sobre tecnología NBI