중성 빔 주입

중성빔주입(NBI)은 자기장 안으로 들어갈 수 있는 고에너지 중성입자 빔으로 구성된 융접장치 안에서 플라즈마를 가열하는 데 사용되는 한 가지 방법이다.이러한 중성 입자가 플라즈마 입자와 충돌하여 이온화되면, 그것들은 폐쇄 자기장에 의해 플라즈마에 보관되며, 플라즈마와의 추가 충돌에 의해 에너지의 대부분을 전달할 수 있다.또한 토러스 내 접선 주사를 통해 중성 빔은 플라즈마 연소 시 긴 펄스의 한 가지 필수 기능인 플라즈마 및 전류 드라이브에 탄력을 제공한다.중성 빔 주입은 유연하고 신뢰할 수 있는 기술로, 다양한 퓨전 장치의 주요 가열 시스템이었다.현재까지 모든 NBI 시스템은 양의 전구체 이온빔에 기초하고 있었다.1990년대에 LHD(H⁰, 180 keV)와 JT-60U(D⁰, 500 keV)에서 멀티메가와트 음이온 기반 NBI 시스템의 구축으로 음이온 발생원과 가속기에서 인상적인 진전이 있었다.ITER를 위해 설계된 NBI는 상당한 도전^[1](D⁰, 1 MeV, 40 A)이며, ITER의 향후 운영을 고려하여 성능을 최적화하기 위한 프로토타입이 구축되고 있다.^[2]핵융합을 위한 플라즈마를 가열하는 다른 방법으로는 RF 가열, 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH), 이온 사이클로트론 공명 가열(ICRH), 하부 하이브리드 공명 가열(LH) 등이 있다.

메커니즘

이는 일반적으로 다음과 같은 방법으로 이루어진다.

1. 플라즈마 만들기.이것은 저압 가스를 전자레인지로 돌리면 된다.
2. 정전기 이온 가속.이것은 양전하 이온을 음극판 쪽으로 떨어뜨리는 것이다.이온들이 떨어지면서, 전장은 그들을 핵융합 온도로 가열하면서 그들에게 작용한다.
3. 반대 전하를 추가하여 핫 플라즈마를 무효화한다.이렇게 하면 빠르게 움직이는 빔을 충전 없이 사용할 수 있다.
4. 빠르게 움직이는 열중립 빔을 기계에 주입한다.

중성 물질을 플라즈마에 주입하는 것은 매우 중요한데, 그것이 충전되면 해로운 플라즈마 불안정을 일으킬 수 있기 때문이다.대부분의 핵융합 장치는 순수 중수소나 중수소와 삼중수소의 혼합물과 같은 수소의 동위원소를 주입한다.이 물질은 융접 플라즈마의 일부가 된다.또한 기계의 기존 플라즈마로 에너지를 전달한다.이 뜨거운 물질의 흐름은 전체 온도를 높여야 한다.빔은 들어갈 때 정전기 전하가 없지만 플라즈마를 통과할 때 원자가 이온화된다.이것은 빔이 플라즈마^{[citation needed]} 안에 이미 있는 이온을 튕겨내기 때문에 일어난다.

융접 실험에 설치된 중성 빔 인젝터

현재 모든 주요 핵융합 실험은 NBI를 사용한다.기존 양전자 기반 인젝터(P-NBI)는 예를 들어^[3] JET와 ASDEX-U에 설치된다. 더 큰 장치에서 연소 플라즈마 중앙에 전력을 축적하려면 더 높은 중성 빔 에너지가 필요하다.고에너지 (>100 keV) 시스템은 음이온 기술(N-NBI)을 사용해야 한다.

다양한 융접전력 실험(*설계 대상)에 설치된 추가 난방전력 [MW]

자기감금장치	P-NBI	N-NBI	ECRH	ICRH	LH	유형	제1작전
제트	34	—	—	10	7	토카막	1983
JT-60U	40	3	4	7	8	토카막	1985
TFTR	40	—	—	11	—	토카막	1982
이스트	8	—	0.5	3	4	토카막	2006
DII-D	20	—	5	4	—	토카막	1986
ASDEX-U	20	—	6	8	—	토카막	1991
JT60-SA*	24	10	7	—	—	토카막	2020
ITER*	—	33	20	20	—	토카막	2026
LHD[4]	9(H+) 20(D+)	15(H−) 6 (D−)	?	?	?	항성기	1998
웬델슈타인 7-X	8	—	10	?	—	항성기	2015

레전설

융접 플라즈마 결합

토러스 내부의 자기장은 원형이기 때문에 이러한 빠른 이온은 배경 플라스마에만 국한된다.위에서 언급된 제한된 고속 이온은 공기저항이 야구를 느리게 하는 것과 비슷한 방식으로 배경 플라스마에 의해 느려진다.빠른 이온에서 혈장으로의 에너지 전달은 전체 혈장 온도를 증가시킨다.

빠른 이온이 에너지를 충분히 축적할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 플라즈마 안에 갇혀 있는 것이 매우 중요하다.자석 변동은 초기에 잘 정돈된 자기장을 뒤틀어서 이러한 유형의 장치에서 혈장 구속에 큰 문제가 된다(플라즈마 안정성 참조).만약 빠른 이온이 이런 종류의 행동에 민감하다면, 그들은 매우 빨리 탈출할 수 있다.그러나 일부 증거는 그들이 민감하지 않다는 것을 암시한다.^{[citation needed]}

혈장과 빠른 중성미자의 상호작용은 다음과 같이 구성된다.

• 플라즈마 전자 및 이온과의 충돌에 의한 이온화,
• 자기장에 새로 생성된 빠른 이온의 표류
• 쿨롬 충돌(저속 및 산란, 열화) 또는 충전 교환 충돌(배경 중성미자)에 의한 플라즈마 이온 및 전자와의 충돌에 의한 고속 이온의 충돌.

중립 보 시스템 설계

빔 에너지

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다.(2020년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

플라즈마 내 중성 빔 이온화에 대한$$ 흡착 길이 $\lambda {\displaystyle }$ ${\displaystyle \lambda }$은(는) 대략이다.

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

m에는$$ $\lambda {\displaystyle }$ ${\displaystyle \lambda },$ 10m에는¹⁹⁻³ 입자 밀도 n, amu에는 원자 질량 M, keV에는 입자 에너지 E가 있다.플라즈마 소경 및 밀도에 따라 중성 빔에 대한 최소 입자 에너지를 정의하여 플라즈마 가장자리가 아닌 플라즈마 코어에 충분한 전력을 공급할 수 있다.핵융합 관련 플라즈마의 경우 필요한 고속 중성 에너지가 1 MeV 범위에 들어간다.에너지가 증가함에 따라, 양성 이온으로 구성된 전구 빔으로부터 빠른 수소 원자를 얻는 것이 점점 더 어려워지고 있다.이 때문에 최근과 미래의 난방중립빔은 음이온빔을 기반으로 한다.백그라운드 가스와의 상호작용에서는 양전자에 하나의 전자를 부착하는 것보다 음전자에서 여분의 전자를 분리하는 것이 훨씬 쉽다(H는⁻ 이 에너지 범위에서 결합 에너지가 0.75 eV이고 전자 분리에 대한 단면이 매우 크다).

전구 이온 빔의 충전 상태

이 절은 출처를 인용하지 않는다. 신뢰할 수 있는 출처에 인용문을 추가하여 이 섹션을 개선할 수 있도록 도와주십시오. 공급되지 않은 재료는 도전하여 제거할 수 있다.(2020년 12월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법과 시기 알아보기)

중성 빔은 대형 정전기 가속기에서 일반적으로 가속되는 전구 이온 빔의 중성화를 통해 얻는다.전구 빔은 양의 이온 빔 또는 음의 이온 빔이 될 수 있다: 충분히 높은 전류를 얻기 위해 혈장 방전으로부터 전하를 추출한다.그러나 수소 플라즈마 방전에서는 음의 수소 이온이 거의 생성되지 않는다.충분히 높은 음이온 밀도를 생성하고 적절한 음이온 빔 전류를 얻기 위해 세슘 증기를 플라즈마 방전(표면 플라즈마 음이온 소스)에 첨가한다.원천 벽에 퇴적된 세슘은 효율적인 전자 공여자로, 케이싱된 표면에 흩어진 원자와 양의 이온은 음전하 이온으로 산란될 확률이 상대적으로 높다.케이싱된 선원의 운영은 복잡하고 그리 신뢰할 수 없다.음이온 빔 선원에 대한 대체 개념의 개발은 미래 핵융합로에서 중립 빔 시스템의 사용을 위해 필수적이다.

기존 및 미래의 음이온 기반 중성 빔 시스템(N-NBI)은 다음 표에 열거되어 있다.

N-NBI(*설계 대상)

	JT-60U	LHD	ITER***
전구이온빔	D−	H− / D−	H− / D−
최대 가속 전압(kV)	400	190	1000
설치된 빔당 최대 전력(MW)	5.8	6.4	16.7
펄스 지속 시간(s)	30(2MW, 360kV)	128 (0.2)MW)	3600명(16.7명)MW)

이온 빔 중화

전구 이온 빔의 중성화는 일반적으로 가스 셀을 통해 빔을 통과시킴으로써 수행된다.^[5]핵융합 관련 에너지에서 선행 음이온 빔의 경우 주요 충돌 프로세스는 다음과 같다.^[6]

D⁻ + D₂ → D⁰ + e + D₂ (싱어 전자파 분리, 1 MeV에서 $\sigma {\displaystyle }$ ${\displaystyle \sigma$₋₁₀ = 1.13×10m⁻²⁰²)

D⁻ + D₂ → D⁺ + e + D₂ (이중 전자 분리, 1 MeV에서 $at{\displaystyle }$ ${\displaystyle \sigma }$₋₁₁= 7.22×10m⁻²²²)

D⁰ + D₂ → D⁺ + e + D₂ (Reionization, 1 MeV에서 $\sigma {\displaystyle }$ ${\displaystyle \sigma }$₀₁= 3.79×10m⁻²¹²)

D⁺ + D₂ → D⁰ + D₂⁺ (충전 교환,$1{\displaystyle }$ {\$displaystyle$\sigma $}$은(는) 1 MeV에서 무시할$$₁₀ 수 있음)

밑줄은 빠른 입자를 나타내며, 단면 ${\displaystyle \sigma }$의 첨자 i, j는 충돌 전후의 빠른 입자의 전하 상태를 나타낸다$$_ij.

1 MeV의 교차점은 일단 생성되면 빠른 양의 이온이 빠른 중립으로 변환될 수 없는 것이며, 이것이 가스 중성화기의 제한된 달성 가능 효율의 원인이다.

부정적으로 긍정적으로 청구되고 중립적인 충전된 입자들은 neutraliser소에 가스실을 나오는의 분수는 통합 가스 밀도에 또는 두께 τ=∫ ndl, n이 빔 길 나는{나는\displaystyle}을 따라 기체 밀도{n\displaystyle}D−의 경우{\displaystyle\tau =\int n\,dl,}. beams,을 목표로 달려 있다. t최대 중화 수율은 목표 두께 $thickness{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {D{}^{}}_{}}$-${\displaystyle {{}^{}}_{}}$, 1 ${\displaystyle {\text{MeV}}_{}}$ ${\displaystyle {\approx }_{}}$ ${\displaystyle 1.4}$ ${\displaystyle \cdot }$ ${\displaystyle {10}^{}}$- ${\displaystyle {16}^{}}$ ${\$text{$D}}^{-},{\text{1 MeV}\약$1.$4\cdot 10^{-16}$m$$⁻²

일반적으로 중성화기 셀을 제외하고 손실을 최소화하기 위해 빔 경로를 따라(즉, 융접 플라즈마에 연결되는 도관을 따라 가속 전극 내에서) 백그라운드 가스 밀도를 최소화해야 한다.따라서, 중성화에 필요한 목표 두께는 두 개의 개방된 끝이 있는 셀에 가스를 주입하여 얻는다.정점 밀도 프로파일은 중간 길이에서 주입이 발생할 때 셀을 따라 실현된다.주어진 가스 처리량 $Q{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ Q$}[$Pa/m³/s]의 경우, 셀 중앙의 최대 가스 압력은 가스 전도율 $C{\displaystyle }$ ${\displaystyle C}[$m³/s]에 따라 달라진다.

${\displaystyle P_{0}=P_{\text{탱크}+{\frac {Q}{2C},}$

분자 흐름 체계의 $C{\displaystyle }$ ${\displaystyle C}$은(는) 다음과 같이 계산할 수 있다.

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

기하학적 파라미터 $L{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ $L$$\},$ $그림$에서 표시된$$ ${\displaystyle$ a$\},$ $b{\displaystyle }$ ${\displaystyle b},$ m ${\displaystyle m}$ 가스$$ 분자 $질량{\displaystyle }$ 및 $T{\displaystyle }$ ${\displaystyle T}$ 가스$$ 온도.

매우 높은 가스 처리량이 일반적으로 채택되며, 중립 빔 시스템은 지금까지 구축된 것 중 가장 큰 맞춤형 진공 펌프를 갖추고 있으며, 펌핑 속도는 초당 백만 리터의 범위 내에 있다.^[7]공간 제약이 없는 경우, 큰 가스 셀 $길이{\displaystyle }$ L ${\displaystyle L}$을 채택하지만$$, 에너지 중성자 플럭스로부터 보호하는 바이오실드 내부의 제한된 부피 때문에(예를 들어, JT-60U의 경우, N-NBI 중화제 셀의 길이는 약 15m이고, ITER HNB의 경우) 향후 장치에서는 이 솔루션이 채택될 가능성이 낮다.3m로 제한된다).

참고 항목

• 플라스마 물리학 논문 목록
• ITER 중립 빔 테스트 시설

참조

외부 링크

• PPPL에서 중성보 인젝터가 있는 열핵융합시험용 원자로^{[영구적 데드링크]}
• ITER의 보조 난방
• NBI 기술에 대한 IPP 웹 사이트