Inyección de haz neutro

Método utilizado para calentar el plasma dentro de un dispositivo de fusión.

La inyección de haz neutro ( NBI ) es un método utilizado para calentar plasma dentro de un dispositivo de fusión que consiste en un haz de partículas neutras de alta energía que pueden entrar en el 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 de confinamiento y pueden transferir la mayor parte de su energía mediante colisiones posteriores con el plasma. Mediante la inyección tangencial en el toro, los haces neutros también proporcionan impulso al plasma y al impulso de corriente, una característica esencial para los pulsos largos de plasmas ardientes . 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 ha habido 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 ^[1] (D ⁰ , 1 MeV, 40 A) y se está construyendo un prototipo para optimizar su rendimiento en vista de las futuras operaciones de ITER. ^[2] Otras formas de calentar el plasma para la fusión nuclear incluyen el calentamiento por RF , el calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones (ECRH), el calentamiento por resonancia ciclotrónica de iones (ICRH) y el calentamiento por resonancia híbrida inferior (LH).

Mecanismo

En primer lugar, se forma el plasma mediante el calentamiento por microondas de gas. A continuación, el plasma se acelera mediante una caída de tensión. Esto calienta los iones hasta alcanzar las condiciones de fusión. Después, los iones se vuelven a neutralizar. Por último, los neutros se inyectan en la máquina.

Esto normalmente se hace así:

1. Fabricación de plasma. Esto se puede hacer calentando un gas a baja presión en el microondas.
2. Aceleración electrostática de iones. Esto se logra dejando caer los iones con carga positiva hacia las placas negativas. A medida que los iones caen, el campo eléctrico realiza trabajo sobre ellos, calentándolos a temperaturas de fusión.
3. Reneutralización del plasma caliente mediante la adición de la carga opuesta. Esto produce un haz de rápido movimiento sin carga.
4. Inyección del haz neutro caliente de rápido movimiento en la máquina.

Es fundamental inyectar material neutro en el plasma, ya que si está cargado puede provocar inestabilidades dañinas en el plasma. 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 y también transfiere su energía al plasma existente dentro de la máquina. Esta corriente caliente de material debería elevar la temperatura general. Aunque el haz no tiene carga electrostática cuando entra, a medida que pasa a través del plasma, los átomos se ionizan . Esto sucede porque el haz rebota en los iones que ya están en el plasma ^{[ cita requerida ]} .

Inyectores de haz neutro instalados en experimentos de fusión

En la actualidad, todos los experimentos de fusión principales utilizan inyectores NBI. Los inyectores tradicionales basados ​​en iones positivos (P-NBI) se instalan, por ejemplo, en JET ^[3] y en AUG . Para permitir la deposición de energía en el centro del plasma ardiente 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

  Activo

  En desarrollo

  Jubilado

  Activo, NBI en proceso de actualización y revisión

Acoplamiento con plasma de fusión

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

Es muy importante que los iones rápidos permanezcan confinados en el 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 (véase estabilidad del plasma ) al alterar 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, algunas evidencias sugieren que no lo son. ^{[ cita requerida ]}

La interacción de los neutros rápidos con el plasma consiste en

• ionización por colisión con electrones e iones de 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, termalización) o colisiones de intercambio de carga con neutros de fondo.

Diseño de sistemas de haz neutro

Energía del haz

Eficiencia máxima de neutralización de un haz de iones D rápidos en una celda de gas, en función de la energía del ion

La longitud de adsorción para la ionización por 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 uma, energía de partículas E en keV. Dependiendo del diámetro menor y la densidad del plasma, se puede definir una energía mínima de partículas para el haz neutro, con el fin de depositar una potencia 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 está 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 precursores compuestos de iones positivos. Por esa razón, los haces neutros de calentamiento recientes y futuros se basarán en haces de iones negativos. En la interacción con el gas de fondo, es mucho más fácil desprender el electrón adicional 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 un electrón a un ion positivo. ${\displaystyle \lambda }$

Estado de carga del haz de iones precursor

Un haz neutro se obtiene por neutralización de un haz de iones precursor, 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 agregan vapores de cesio a la descarga de plasma (fuentes de iones negativos de plasma de superficie). ^[5] El cesio, depositado en las paredes de la fuente, es un donador de electrones eficiente; los átomos y los iones positivos dispersos en la superficie cesiada tienen una probabilidad relativamente alta de dispersarse como iones cargados negativamente. El funcionamiento de las fuentes cesiadas es complejo y no tan confiable. El desarrollo de conceptos alternativos para fuentes de haces 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 por haz de iones

La neutralización del haz de iones precursores se realiza habitualmente pasando el haz a través de una celda de gas. ^[6] Para un haz de iones negativos precursores a energías relevantes para la fusión, los procesos colisionales clave son: ^[7]

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 _O1 =3,79×10 ⁻²¹ m ² a 1 MeV) ${\displaystyle \sigma }$

D ⁺⁺ D2 → D0 +D2 ₊ ⁽  intercambio de carga, _{10 despreciable} ^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 de 1 MeV son tales que, una vez creado, un ion positivo rápido no puede convertirse en uno neutro rápido, y esta es la causa de la limitada eficiencia alcanzable de los neutralizadores de gases.

Las fracciones de partículas cargadas negativamente, cargadas positivamente y neutras que salen de las celdas de gas neutralizador dependen de la densidad de gas integrada o del espesor del objetivo con la densidad de gas a lo largo de la trayectoria del haz . En el caso de los haces D ⁻ , el rendimiento máximo de neutralización se produce con un espesor del objetivo 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 debe minimizar a lo largo de la trayectoria del haz (es decir, dentro de los electrodos de aceleración, a lo largo del conducto que conecta con el 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 logra un perfil de densidad con pico a lo largo de la celda cuando la inyección se produce en la mitad de la longitud. Para un caudal de gas determinado [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 , , indicados en la figura, masa de la molécula de gas y temperatura del gas. ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle T}$

Se adoptan comúnmente rendimientos de gas muy altos, y los sistemas de haz neutro tienen bombas de vacío personalizadas que se encuentran entre las más grandes jamás construidas, con velocidades de bombeo en el rango de millones de litros por segundo. ^[8] Si no hay restricciones de espacio, se adopta una longitud de celda de gas grande, pero esta solución es poco probable en dispositivos futuros debido al volumen limitado dentro del bioescudo que protege del flujo de neutrones energéticos (por ejemplo, en el caso de JT-60U la celda neutralizadora N-NBI tiene aproximadamente 15 m de largo, mientras que en el ITER HNB su longitud está limitada a 3 m). ${\displaystyle L}$

Véase también

• Instalación de pruebas de haz neutro del ITER

Referencias

1. L. R. Grisham, P. Agostinetti, G. Barrera, P. Blatchford, D. Boilson, J. Chareyre, et al., Mejoras recientes en el diseño del sistema de haz neutro del ITER, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805–1815.
2. V. Toigo; D. Boilson; T. Bonicelli; R. Piovan; M. Hanada; et al. (2015). "Progreso en la realización de la instalación de prueba de haz neutro PRIMA". Nucl. Fusion . 55 (8): 083025. Bibcode :2015NucFu..55h3025T. doi :10.1088/0029-5515/55/8/083025. hdl : 10281/96413 . S2CID  124477971.
3. "Los rayos neutros entran en los libros de récords, 09/07/2012". Archivado desde el original el 24 de marzo de 2017.
4. Ikeda, K.; Tsumori, K.; Kisaki, M.; Nakano, H.; Nagaoka, K.; Osakabe, M.; Kamio, S.; Fujiwara, Y.; Haba, Y.; Takeiri, Y. (2018). "Primeros resultados de la operación con haz de deuterio en inyectores de haz neutro en el dispositivo helicoidal grande". Actas de la 17ª Conferencia Internacional sobre Fuentes de Iones . Actas de la conferencia AIP. 2011 (1): 060002. Código Bib :2018AIPC.2011f0002I. doi : 10.1063/1.5053331 .
5. Schiesko, L; McNeely, P; Fantz, U; Franzen, P (7 de julio de 2011). "Influencia del cesio en los parámetros del plasma y el rendimiento de la fuente durante el acondicionamiento de la fuente de iones negativos del inyector de haz neutro del prototipo ITER". Plasma Physics and Controlled Fusion . 53 (8): 085029. Bibcode :2011PPCF...53h5029S. doi :10.1088/0741-3335/53/8/085029. ISSN  0741-3335. S2CID  33934446.
6. G. Serianni; et al. (abril de 2017). "Neutralización y transporte de haces de iones negativos: física y diagnóstico". New Journal of Physics . 19 (4): 045003. Bibcode :2017NJPh...19d5003S. doi : 10.1088/1367-2630/aa64bd . hdl : 11577/3227451 .
7. Base de datos Aladdin del OIEA.
8. G. Duesing (1987). "Los sistemas de vacío de la instalación de fusión nuclear JET". Vacío . 37 (3–4): 309–315. Bibcode :1987Vacuu..37..309D. doi :10.1016/0042-207X(87)90015-7.

Enlaces externos

• Reactor de prueba de fusión termonuclear con inyector de haz neutro en PPPL ^{[ enlace muerto permanente ]}
• Calefacción auxiliar en el ITER
• Sitio web del IPP sobre la tecnología NBI