3.3 托卡马克加热(nbi)

《3.3 托卡马克加热(nbi)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、5.3中性束注入（NBI，NeutralBeamInput）加热&为什么不直接利用高能离子束？磁场可以约束离子，使之不能逃出托卡马克，同理外部高能离子束也被磁场约束，不易于进入托卡马克内部。所以，需要在离子进入托卡马克前，将离子束中性化――中性束。&产生中性束的工作原理图（JET，正离子源）偏转低能离子（离子吞食器物）抽走低能中性粒子粒子电荷交换A＋(高能)＋BàA（高能）＋B＋&产生中性束系统示意图、实物照片（JET）中性束系统示意图实物照片托卡马克一侧――――――――――――――――――――――――――――（下图：用于JET的正离子源，采用热阴极＋磁约束）――

2、――――――――――――――――――――――――――（下图：用于ASDEX-U的正离子源的内部结构，采用RF感性耦合，图中澡盆状部件为法拉第屏蔽，铁箍状部件为射频线圈）――――――――――――――――――――――――――――&中性束加热中的一些问题（1）中性束原子的选用在开始放电的初始建立阶段，等离子体温度不高，不能产生核反应，可以用H原子中性束加热。在点火、燃烧阶段，可以采用D中性束。（2）中性束注入位置、方向中性束注入位置：在托卡马克的赤道面注入，通过最长，密度最大的区域。注入方向：平行于环向，垂直于环向。ª垂直注入优点：窗口设计简单；缺点：加热后离子的垂直磁

3、场能量大，容易进入香蕉（俘获）轨道。在纹波度大的环向磁场中，俘获快离子引起纹波扩散，碰撞溅射托卡马克壁，造成杂质污染。ª平行注入：缺点：窗口设计较复杂占用空间大；优点：电离距离长，产生穿行离子。注入方向可以平行、反平行托卡马克电流方向。NB具有动量，单向平行注入会产生等离子体沿大环方向旋转，可以采用对称双向注入。实验发现等离子体环向旋转可以触发L-H约束模式转变（有益！），所以一般采用单向平行注入。（1）中性束与托卡马克plasma的作用过程：电离、高能离子慢化中性束的电离有几个过程：与电子、离子碰撞电离，电荷交换。在低能区：电荷交换占主导（A＋(高能)＋BàA（

4、高能）＋B＋），中性粒子能量转化为带电粒子能量；在高能区：高能中性原子与电子的碰撞电离（在高能区主要为多级电离）占主导。当中性粒子被电离后，高能离子被约束在香蕉、通行轨道上。如果高能离子的约束时间长，将通过与其他粒子碰撞传递能量，自身速度降低（碰撞慢化，slowdown）。（2）托卡马克的芯部加热中性加热要求其能量沉积在托卡马克芯部，对于大托卡马克（如ITER），要求中性束到达芯部，需要提高中性束能量àà相应要求提高离子源D离子能量，在ITER上，要求离子能量达到0.25-0.5Mev。（3）增加D离子能量出现的问题在需要高于0.1Mev的中性束（相应地，离子能量

5、需要高于0.1Mev）时，如果仍然采用正离子中性化方法，中性化效率下降（参见下图）。――――――――――――――――――――――――――（上图：离子中性化率随离子能量（Kev）的变化）说明1：正离子源中有多种离子成分，原子离子、分子离子说明2：正离子的中性化率不是100%，而且中性化率不随中性化室长度增加而单调提高，有最佳长度，和最大中性化率。―――――――――――――――――――――――――――――解决方法：采用负离子＋中性化方法。ª负离子的产生方法/途径（两种，结合下面两图说明）：【负离子有两种产生方式】：（1）在体相产生负离子：在相对高的高能电子作用下，产生

6、高振动能态的分子，高振动能态的分子在分解时俘获低能电子(dissociativeattachment）。该方式的产生效率高。体相产生负离子的要求：需要磁场隔离or磁过滤（magneticfilter）高能电子、低能电子区（参考上图中结构，下图中的结果。）（上图：负离子源中电子温度的轴向分布）（2）在表面产生负离子：原子从涂敷铯壁上碰撞弹开时，产生负离子。为了获得高速率负离子产率，需要提高原子密度、能量，负离子的原始能量较高。ª负离子源的重点问题：――负离子的高效率产生；――负离子的加速（电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子）。ª负离子中性化方法：不同于

7、正离子电荷交换方法；具体方法为：负离子和热分子气体作用，将负离子的电子剥离，剥离效率高达60%。采用高电离率的plasma替代热分子气体，效率可以进一步提高到80%。（1）ITER上的基于负离子源的中性束指标D0，1MeV，acurrentof40A，50MW，threeunits.（日本JT-60U的负离子源最好，拿到N-NBI的发包）。2003已实现指标：功率－－5.8MW，中性束能量――0.4Mev，时间――10s计划指标：功率－－10MW，中性束能量――0.5Mev，时间――10s（日本研究人员正在装配负离子源）（1）正、负离子源的中性束加热技术比较F正离

8、子比负离子