3.3 托卡馬克加熱(nbi)

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1、5.3中性束注入（NBI，NeutralBeamInput）加熱&為什么不直接利用高能離子束？磁場(chǎng)可以約束離子，使之不能逃出托卡馬克，同理外部高能離子束也被磁場(chǎng)約束，不易于進(jìn)入托卡馬克內(nèi)部。所以，需要在離子進(jìn)入托卡馬克前，將離子束中性化――中性束。&產(chǎn)生中性束的工作原理圖（JET，正離子源）偏轉(zhuǎn)低能離子（離子吞食器物）抽走低能中性粒子粒子電荷交換A＋(高能)＋BàA（高能）＋B＋&產(chǎn)生中性束系統(tǒng)示意圖、實(shí)物照片（JET）中性束系統(tǒng)示意圖實(shí)物照片托卡馬克一側(cè)――――――――――――――――――――――――――――（下圖：用于JET的正離子源，采用熱陰極＋磁約束）――

2、――――――――――――――――――――――――――（下圖：用于ASDEX-U的正離子源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用RF感性耦合，圖中澡盆狀部件為法拉第屏蔽，鐵箍狀部件為射頻線圈）――――――――――――――――――――――――――――&中性束加熱中的一些問(wèn)題（1）中性束原子的選用在開(kāi)始放電的初始建立階段，等離子體溫度不高，不能產(chǎn)生核反應(yīng)，可以用H原子中性束加熱。在點(diǎn)火、燃燒階段，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：在托卡馬克的赤道面注入，通過(guò)最長(zhǎng)，密度最大的區(qū)域。注入方向：平行于環(huán)向，垂直于環(huán)向。a垂直注入優(yōu)點(diǎn)：窗口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：加熱后離子的垂直磁

3、場(chǎng)能量大，容易進(jìn)入香蕉（俘獲）軌道。在紋波度大的環(huán)向磁場(chǎng)中，俘獲快離子引起紋波擴(kuò)散，碰撞濺射托卡馬克壁，造成雜質(zhì)污染。a平行注入：缺點(diǎn)：窗口設(shè)計(jì)較復(fù)雜占用空間大；優(yōu)點(diǎn)：電離距離長(zhǎng)，產(chǎn)生穿行離子。注入方向可以平行、反平行托卡馬克電流方向。NB具有動(dòng)量，單向平行注入會(huì)產(chǎn)生等離子體沿大環(huán)方向旋轉(zhuǎn)，可以采用對(duì)稱(chēng)雙向注入。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)可以觸發(fā)L-H約束模式轉(zhuǎn)變（有益?。?，所以一般采用單向平行注入。（1）中性束與托卡馬克plasma的作用過(guò)程：電離、高能離子慢化中性束的電離有幾個(gè)過(guò)程：與電子、離子碰撞電離，電荷交換。在低能區(qū)：電荷交換占主導(dǎo)（A＋(高能)＋BàA（

4、高能）＋B＋），中性粒子能量轉(zhuǎn)化為帶電粒子能量；在高能區(qū)：高能中性原子與電子的碰撞電離（在高能區(qū)主要為多級(jí)電離）占主導(dǎo)。當(dāng)中性粒子被電離后，高能離子被約束在香蕉、通行軌道上。如果高能離子的約束時(shí)間長(zhǎng)，將通過(guò)與其他粒子碰撞傳遞能量，自身速度降低（碰撞慢化，slowdown）。（2）托卡馬克的芯部加熱中性加熱要求其能量沉積在托卡馬克芯部，對(duì)于大托卡馬克（如ITER），要求中性束到達(dá)芯部，需要提高中性束能量àà相應(yīng)要求提高離子源D離子能量，在ITER上，要求離子能量達(dá)到0.25-0.5Mev。（3）增加D離子能量出現(xiàn)的問(wèn)題在需要高于0.1Mev的中性束（相應(yīng)地，離子能量

5、需要高于0.1Mev）時(shí)，如果仍然采用正離子中性化方法，中性化效率下降（參見(jiàn)下圖）。――――――――――――――――――――――――――（上圖：離子中性化率隨離子能量（Kev）的變化）說(shuō)明1：正離子源中有多種離子成分，原子離子、分子離子說(shuō)明2：正離子的中性化率不是100%，而且中性化率不隨中性化室長(zhǎng)度增加而單調(diào)提高，有最佳長(zhǎng)度，和最大中性化率。―――――――――――――――――――――――――――――解決方法：采用負(fù)離子＋中性化方法。a負(fù)離子的產(chǎn)生方法/途徑（兩種，結(jié)合下面兩圖說(shuō)明）：【負(fù)離子有兩種產(chǎn)生方式】：（1）在體相產(chǎn)生負(fù)離子：在相對(duì)高的高能電子作用下，產(chǎn)生

6、高振動(dòng)能態(tài)的分子，高振動(dòng)能態(tài)的分子在分解時(shí)俘獲低能電子(dissociativeattachment）。該方式的產(chǎn)生效率高。體相產(chǎn)生負(fù)離子的要求：需要磁場(chǎng)隔離or磁過(guò)濾（magneticfilter）高能電子、低能電子區(qū)（參考上圖中結(jié)構(gòu)，下圖中的結(jié)果。）（上圖：負(fù)離子源中電子溫度的軸向分布）（2）在表面產(chǎn)生負(fù)離子：原子從涂敷銫壁上碰撞彈開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生負(fù)離子。為了獲得高速率負(fù)離子產(chǎn)率，需要提高原子密度、能量，負(fù)離子的原始能量較高。a負(fù)離子源的重點(diǎn)問(wèn)題：――負(fù)離子的高效率產(chǎn)生；――負(fù)離子的加速（電子需要控制，采用橫向磁場(chǎng)阻擋電子，僅引出負(fù)離子）。a負(fù)離子中性化方法：不同于

7、正離子電荷交換方法；具體方法為：負(fù)離子和熱分子氣體作用，將負(fù)離子的電子剝離，剝離效率高達(dá)60%。采用高電離率的plasma替代熱分子氣體，效率可以進(jìn)一步提高到80%。（1）ITER上的基于負(fù)離子源的中性束指標(biāo)D0，1MeV，acurrentof40A，50MW，threeunits.（日本JT-60U的負(fù)離子源最好，拿到N-NBI的發(fā)包）。2003已實(shí)現(xiàn)指標(biāo)：功率－－5.8MW，中性束能量――0.4Mev，時(shí)間――10s計(jì)劃指標(biāo)：功率－－10MW，中性束能量――0.5Mev，時(shí)間――10s（日本研究人員正在裝配負(fù)離子源）（1）正、負(fù)離子源的中性束加熱技術(shù)比較F正離

8、子比負(fù)離子