La injecció de feix neutre (NBI) és un mètode utilitzat per escalfar plasma dins d'un dispositiu de fusió que consisteix en un feix de partícules neutres d'alta energia que poden entrar al camp de confinament magnètic. Quan aquestes partícules neutres s'ionitzen per col·lisió amb les partícules del plasma, es mantenen al plasma pel camp magnètic de confinament i poden transferir la major part de la seva energia mitjançant col·lisions posteriors amb el plasma. Mitjançant la injecció tangencial al tor, els feixos neutres també proporcionen impuls al plasma i impulsen el corrent, una característica essencial per als polsos llargs de plasmes en combustió. La injecció de feix neutre és una tècnica flexible i fiable, que ha estat el principal sistema de calefacció en una gran varietat de dispositius de fusió. Fins ara, tots els sistemes NBI es basaven en feixos d'ions precursors positius. A la dècada de 1990 hi va haver un progrés impressionant en les fonts i acceleradors d'ions negatius amb la construcció de sistemes NBI basats en ions negatius de diversos megawatts a LHD (H₂0, 180 keV) i JT-60U (D0, 500 keV). L'NBI dissenyat per a l'ITER és un repte substancialL. R. Grisham, P. Agostinetti, G. Barrera, P. Blatchford, D. Boilson, J. Chareyre, et al., Recent improvements to the ITER neutral beam system design, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805–1815. (D0, 1MeV 40A) i s'està construint un prototip per optimitzar-ne el rendiment de cara a les futures operacions de l'ITER. Altres maneres d'escalfar plasma per a la fusió nuclear inclouen l'escalfament per radiofreqüència, l'escalfament per ressonància de ciclotró electrònic (ECRH), l'escalfament per ressonància de ciclotró iònic (ICRH) i l'escalfament per ressonància híbrida inferior (LH).

Mecanisme alt=First, plasma is formed by microwaving gas. Next, the plasma is accelerated across a voltage drop. This heats the ions to fusion conditions. After this the ions are re-neutralizing. Lastly, the neutrals are injected into the machine.|center|400x400px Això es fa normalment mitjançant:

Fabricació d'un plasma. Això es pot fer escalfant un gas de baixa pressió al microones. Acceleració electroestàtica d'ions. Això es fa deixant caure els ions carregats positivament cap a les plaques negatives. A mesura que els ions cauen, el camp elèctric fa treball sobre ells, escalfant-los a temperatures de fusió. Reneutralització del plasma calent afegint-hi la càrrega oposada. Això dóna el feix de moviment ràpid sense càrrega. Injectant el feix neutre calent de moviment ràpid a la màquina.

És fonamental injectar material neutre al plasma, perquè si està carregat, pot iniciar inestabilitats nocives al plasma. La majoria dels dispositius de fusió injecten isòtops d'hidrogen, com ara deuteri pur o una barreja de deuteri i triti. Aquest material passa a formar part del plasma de fusió. També transfereix la seva energia al plasma existent dins de la màquina. Aquest corrent calent de material hauria d'augmentar la temperatura general. Tot i que el feix no té càrrega electroestàtica quan entra, a mesura que passa a través del plasma, els àtoms s'ionitzen. Això passa perquè el feix rebota en els ions que ja hi ha al plasma..

Injectors de feix neutre instal·lats en experiments de fusió Actualment, tots els principals experiments de fusió utilitzen NBIs. Els injectors tradicionals basats en ions positius (P-NBI) estan instal·lats, per exemple, a JET i a AUG. Per permetre la deposició de potència al centre del plasma en flames en dispositius més grans, es requereix una energia de feix neutre més alta. Alta energia (>100 Els sistemes (keV) requereixen l'ús de tecnologia d'ions negatius (N-NBI).

Potència de calefacció addicional [MW] instal·lada en diversos experiments de fusió (*objectiu de disseny) Dispositiu de confinament magnèticP-NBIN-NBIECRHCIRHLHJET34——107JT-60U403478TFTR40——11—EST8—0,534DIII-D20—54—AGOST20—68—JT60-SA *24107——ITER *—332020—LHD9 (H+) 20 (D+)15 (H−) 6 (D−)???Wendelstein 7-X8—10?— Llegenda

Acoblament amb plasma de fusió Com que el camp magnètic dins del tor és circular, aquests ions ràpids estan confinats al plasma de fons. Els ions ràpids confinats esmentats anteriorment són frenats pel plasma de fons, de manera similar a com la resistència de l'aire frena una pilota de beisbol. La transferència d'energia dels ions ràpids al plasma augmenta la temperatura general del plasma.

És molt important que els ions ràpids estiguin confinats dins del plasma el temps suficient perquè puguin dipositar la seva energia. Les fluctuacions magnètiques són un gran problema per al confinament del plasma en aquest tipus de dispositiu (vegeu estabilitat del plasma) en barrejar el que inicialment eren camps magnètics ben ordenats. Si els ions ràpids són susceptibles a aquest tipus de comportament, poden escapar molt ràpidament. Tanmateix, algunes proves suggereixen que no són susceptibles.

La interacció dels neutres ràpids amb el plasma consisteix en

ionització per col·lisió amb electrons i ions del plasma, deriva dels ions ràpids recentment creats en el camp magnètic, col·lisions d'ions ràpids amb ions de plasma i electrons per col·lisions de Coulomb (desacceleració i dispersió, termalització) o col·lisions d'intercanvi de càrrega amb neutres de fons.

Disseny de sistemes de bigues neutres Energia del feix miniatura|Eficiència màxima de neutralització d'un feix d'ions D ràpids en una cel·la de gas, en funció de l'energia dels ions La longitud d'absorció per a la ionització de feix neutre en un plasma és aproximadament

amb en m, densitat de partícules n en 1019 m−3, massa atòmica M en amu, energia de partícula E en keV. Depenent del diàmetre menor i la densitat del plasma, es pot definir una energia mínima de partícula per al feix neutre, per tal de dipositar una potència suficient al nucli del plasma en lloc de a la vora del plasma. Per a un plasma rellevant per a la fusió, l'energia neutra ràpida requerida es troba en el rang d'1 MeV. Amb l'augment de l'energia, és cada cop més difícil obtenir àtoms d'hidrogen ràpids a partir de feixos precursors compostos per ions positius. Per aquesta raó, els feixos neutres d'escalfament recents i futurs es basaran en feixos d'ions negatius. En la interacció amb el gas de fons, és molt més fàcil separar l'electró addicional d'un ió negatiu (H − té una energia d'enllaç de 0,75 eV i una secció transversal molt gran per al despreniment d'electrons en aquest rang d'energia) en lloc d'unir un electró a un ió positiu.

Estat de càrrega del feix d'ions precursors Un feix neutre s'obté per neutralització d'un feix d'ions precursors, habitualment accelerat en grans acceleradors electroestàtics. El feix precursor pot ser un feix d'ions positius o un feix d'ions negatius: per obtenir un corrent prou alt, es produeix extreient càrregues d'una descàrrega de plasma. Tanmateix, es creen pocs ions d'hidrogen negatius en una descàrrega de plasma d'hidrogen. Per generar una densitat d'ions negatius prou alta i obtenir un corrent decent de feix d'ions negatius, s'afegeixen vapors de cesi a la descàrrega de plasma (fonts d'ions negatius de plasma superficial). El cesi, dipositat a les parets de la font, és un donant d'electrons eficient; els àtoms i els ions positius dispersos a la superfície cessionada tenen una probabilitat relativament alta de ser dispersats com a ions carregats negativament. El funcionament de les fonts cessionades és complex i no tan fiable. El desenvolupament de conceptes alternatius per a fonts de feix d'ions negatius és obligatori per a l'ús de sistemes de feix neutre en futurs reactors de fusió.

Els sistemes de feix neutre basats en ions negatius (N-NBI) existents i futurs es mostren a la taula següent:

N-NBI (* objectiu de disseny) JT-60ULHDITER **Feix d'ions precursorsD −H − / D −H − / D −Tensió d'acceleració màxima (kV)4001901000Potència màxima per feix instal·lat (MW)5.86.416.7Durada del pols (s)30 (2 MW, 360 kV)128 (a 0,2 MW)3600 (a 16,7 MW)

Neutralització per feix d'ions La neutralització del feix d'ions precursors es realitza habitualment fent passar el feix a través d'una cel·la de gas. Per a un feix d'ions negatius precursors a energies rellevants per a la fusió, els processos col·lisionals clau són:IAEA Aladdin database.

+ D 2 → + + D 2 (despreniment d'un sol electró, amb −10 = 1,13 × 10 −20 m² a 1 MeV) + D₂ → + + D₂ (despreniment de doble electron, amb −11 = 7,22 × 10 −22 m² a 1 MeV) + D2 → + + D2 (reionització, amb 01 =3,79× 10⁻²⁻² m² a 1 MeV) + D 2 → + D 2 + (intercanvi de càrregues, 10 insignificant a 1 MeV)

El subratllat indica les partícules ràpides, mentre que els subíndexs i i j de la secció transversal ij indiquen l'estat de càrrega de la partícula ràpida abans i després de la col·lisió.

Seccions transversals a 1 Els MeV són tals que, un cop creat, un ió positiu ràpid no es pot convertir en un ió neutre ràpid, i aquesta és la causa de la limitada eficiència assolible dels neutralitzadors de gasos.

Les fraccions de partícules carregades negativament, positivament i neutres que surten de les cel·les de gas neutralitzador depenen de la densitat del gas integrada o del gruix de la diana. amb la densitat del gas al llarg del camí del feix En el cas de les bigues D−, el rendiment màxim de neutralització es produeix a un gruix objectiu m−2. miniatura|Esquema simplificat del neutralitzador de cel·les de gas per a injectors de feix neutre Normalment, la densitat del gas de fons s'ha de minimitzar al llarg de tota la trajectòria del feix (és a dir, dins dels elèctrodes acceleradors, al llarg del conducte que connecta al plasma de fusió) per minimitzar les pèrdues excepte a la cel·la neutralitzadora. Per tant, el gruix objectiu necessari per a la neutralització s'obté injectant gas en una cel·la amb dos extrems oberts. Es realitza un perfil de densitat màxima al llarg de la cel·la quan la injecció es produeix a la meitat de la longitud. Per a un cabal de gas determinat [Pa· m³/s], la pressió màxima del gas al centre de la cel·la depèn de la conductància del gas [m³/s]:

i en règim de flux molecular es pot calcular com

amb els paràmetres geomètrics , , indicat a la figura, massa de la molècula de gas i temperatura del gas.

Normalment s'adopta un rendiment de gas molt alt, i els sistemes de feix neutre tenen bombes de buit personalitzades entre les més grans mai construïdes, amb velocitats de bombament de l'ordre de milions de litres per segon. Si no hi ha restriccions d'espai, una cel·la de gas de gran longitud s'adopta, però aquesta solució és improbable en dispositius futurs a causa del volum limitat dins del bioescut que protegeix del flux de neutrons energètics (per exemple, en el cas del JT-60U, la cel·la neutralitzadora N-NBI és d'uns 15 m de llarg, mentre que a l'ITER HNB la seva longitud està limitada a 3 m).

Referències

Categoria:Fusió nuclear