Инжекторы быстрых нейтралов для термоядерного синтеза

С.В. Полосаткин ТПЭ
Инжекторы быстрых атомов
водорода
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Инжекторы быстрых нейтралов для
термоядерного синтеза
Нагрев плазмы, поддержание тока
E=20 кэВ – 1 МэВ, P=1-20 МВт
Диагностика плазмы
Ослабление пучка – ni
Поток нейтралов перезарядки – f(Ei)
Резерфордовское рассеяние – Ti
Активная спектроскопия (CXRS) – Ti, nimp
Motional Stark Effect – B, I(r)
E=20 кэВ – 100 кэВ, P=0,1-1 МВт
Малая расходимость, модуляция пучка
Инжекторы быстрых нейтралов для
термоядерного синтеза
Баланс энергии в горячей плазме:
-Теплопроводность ~T
-Тормозное излучение ~T1/2
+Нагрев током ~T-3/2
+Нагрев a-частицами ~T5/2
+Дополнительный нагрев плазмы
J. Wesson Tokamaks
Захват и торможение быстрых атомов в
плазме
Захват быстрых ионов:
-Перезарядка H0f+H+T = H0T+H+f
-Ионизация H0f+e = H+f+2e
Торможение ионов:
H+f+e = H+f+e
Доля энергии, передаваемая ионам и
электронам от нейтрального пучка
Hf++i = H+f+i
J. Wesson Tokamaks
Сечение, м2
Сечения перезарядки на протонах (CX) и примесях (Z), сечения
ионизации электронами (Te=1, 10 кэВ) и протонами (p)
Крупные плазменные установки nl~1020 м-2
Энергия частиц больше 100 кэВ
Инжекторы быстрых нейтралов для
термоядерного синтеза
Магнитный
сепаратор
Ионный
источник
Нейтрализатор
Ускоряющий
зазор
Плазма
Вакуумная откачка
Приемник пучка
Дуговой ионный источник
Высокая эффективность
Простота
Малая доля молекулярных ионов
Ограничение по времени работы
Инжекторы СТАРТ
Магнитная стенка
16 магнитов NdFeB
Дуга 1200 А, 90 В, 5 мс
ВЧ ионный источник
Большая длительность работы
Высокое (~40%) содержание молекулярных ионов
1000
800
600
400
200
0
645
650
655
Длина волны, нм
ВЧ разряд 20 МГц, 30 кВт, 1 с
660
Ионный источник с накаливаемыми
катодами
Виды апертур
Сетки (СТАРТ-3)
Щелевая
Гексагональная
Геометрическая фокусировка
Плотность тока в фокусе j ( r ,F ) 
Ibe
r 2 a F 2
 2F 2a 2
Ионно-оптическая система
Плазменный
U=25 кВ
Ускоряющий
U=-300 В
Вытягивающий
U=22,5 кВ
Встречный
электронный пучок
Ионный пучок
Влияние на расходимость пучка
Электростатических линз:
Пространственного заряда:
U=0

U1  U 2 U 0  U1


r  U1  U 2
b
a
al 


4U 0
b
U1

2
1


U0

a sp 
5rI (a  b)
U 03 / 2 e / M







Плазменный
U=25 кВ
Вытягивающий
U=22,5 кВ
Ускоряющий
U=-300 В
U=0
3
4
POSITIVE ION BEAM
1
2
Ионный пучок
Встречный
электронный пучок
Расчет на PBGUNS: оптимальный ток доля всей ИОС
55 – 60 А, минимальная расходимость  12 мрад
TRAJECTORIES AND EQUIPOTENTIALS
S
5.0V
2.5kV
25.5kV
25.0kV
E
0
1
R
2
NEUTRAL
E
1.0000 mm/unit,10.0 MAT. sq./unit
28-DEC-04 AT 12:27:29
0
% Neutral =
PLASMA I =
1
2
3
99.0000
0.036000 A, TARGET I =
4
5
6
Z-axis
7
0.0149 A, Perv = 3.782E-09
8
9
10
11
Управление параметрами пучка
Напряжение связано с ионным током по закону трех вторых
U ~ I23
Ток ионного пучка пропорционален плотности анодной плазмы
I ~ n pl
Плотность плазмы зависит от тока дуги и величины напуска газа
Нейтрализатор (газовая мишень)
Процессы в газовой мишени:
Перезарядка H+ + H2 = H + H2+
Ионизация H + H2 = H+ + e + H2
Сечение, 1016 см2
10
10
10
10
1
0
-1
-2
0
50
100
150
200
Энергия, кэВ
Эффективность нейтрализации
k
 cx
 cx   i
250
300
Нейтрализатор (газовая мишень)
Процессы в газовой мишени:
Перезарядка H+ + H2 = H + H2+
Ионизация H + H2 = H+ + e + H2
1
0.8
0.4
нейтрализации
Эффективность
0.6
0.2
0
0
50
100
Эффективность нейтрализации
150
Энергия, кэВ
k
200
 cx
 cx   i
250
300
Инжекторы на основе отрицательных
ионов
Энергия связи электрона в ионе H- 0.75 эВ
Эффективность нейтрализации 90 – 70 %
Предпочтительны при энергии ионов больше 100 кэВ
Источники отрицательных ионов
Отрицательные ионы образуются на поверхности покрытой цезием
плазменной сетки
Источники отрицательных ионов для
нагрева плазмы
Источники отрицательных ионов для
нагрева плазмы
Системы питания атомарных инжекторов
Напряжение 20-50 кВ
Ток 1-60 А
Длительность импульса 1 мс – 10 с
Ионный источник находится под высоким напряжением
Система питания инжектора СТАРТ
25 кВ, 60 А, 5 мс
Клапан
11
Магнитная изоляция
12
3A,50мс
6кВ,10мкс
Поджиг
13
Дуга
14
D2
600А,1мс
1
2
Ia
3
15
Магнитная стенка
1кА,2мс
4
U
5
Ускоряющее напряжение
16
20кВ,1мс
It
6
7
Выходная сетка
17
=700В
Ig
18
8
30А,50мс
19
10
9
D2
Система питания инжектора СТАРТ
25 кВ, 60 А, 5 мс
Клапан
11
Магнитная изоляция
12
3A,50мс
6кВ,10мкс
Поджиг
13
Дуга
14
D2
600А,1мс
1
2
Ia
3
15
Магнитная стенка
1кА,2мс
4
U
5
Ускоряющее напряжение
16
20кВ,1мс
It
6
7
Выходная сетка
17
=700В
Ig
18
8
30А,50мс
19
10
9
D2
Защита от пробоев
Ограничение энергии в пробое 1 Дж
-Быстрое закорачивание системы
питания при пробое (кроубар)
-Снаббер – индуктивность в цепи
высокого напряжения
Система питания нагревного инжектора
40 кВ, 50 А, 1 с
Система питания нагревного инжектора
40 кВ, 50 А, 1 с
Консультация
Экзамен
12 мая 16.30
14 мая 9.30
Экзамен – 1 теоретический вопрос, 1 задача
Разрешается пользоваться любой информацией
контр.1
контр.2
контр.3
посещение
1. Касатов Александр
9
2. Касатов Дмитрий
7
3. Жданов Алексей
10
10
4. Зайцев Константин
3
7
5. Куркученов Виктор
9
8
10
6. Мишенин Дмитрий
10
3
10
7. Пушкарева Анна
9
8
9
8. Яковлев Сергей
8
7
5
9. Казаков Евгений
10
3
9
10. Прохоров Иван
9
3
9
11. Тройнин Александр
7
10
8
7
10
Экзамен – 60 баллов
10
4
5 – 80 баллов
4- 60 баллов
3 – 40 баллов