Het National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) is erin geslaagd de stroom van negatieve waterstofionen te onthullen met behulp van een combinatie van infraroodlasers en elektrostatische sondes in het ionenbronplasma, die een negatieve waterstofionenbundel genereert. Dit is de eerste keer op het gebied van fusieonderzoek dat de gedetailleerde ionenstroom, die van richting verandert en naar de bundelrichting in de ionenbron beweegt, experimenteel is aangetoond.

Achtergrond van het onderzoek

De Neutral Beam Injection (NBI) is een methode voor het verhogen van de plasmatemperatuur en aandrijfstromen in magnetisch begrensde fusieplasma's door neutrale waterstof/deuteriumstralen te injecteren. Naarmate de plasmagrootte toeneemt, hogere bundelenergie is nodig om neutrale bundels af te zetten in het kerngebied van het opgesloten plasma. De neutralisatie-efficiëntie van een positieve waterstof/deuterium-ionenbundel, versneld met conventionele NBI, neemt sterk af met een energie van meer dan 100 keV. Anderzijds, negatieve waterstof/deuterium-ionenbundels ondersteunen de energie-onafhankelijke neutralisatie-efficiëntie van ~60%. Bijgevolg, op negatieve ionen gebaseerde NBI zijn onmisbaar voor recente grootschalige plasma-opsluitingsapparaten. Om op negatieve ionen gebaseerde NBI te construeren met een energie van 190 keV, NIFS-onderzoekers hebben met succes pionierswerk verricht in de ontwikkeling van de bronnen van negatieve ionen.

Er zijn twee belangrijke verbeteringen aangebracht aan de negatieve ionenbron van NIFS. Een daarvan is het verbeteren van de negatieve-ionenstroom door de magnetische configuratie voor plasma-opsluiting in de ionenbron te optimaliseren. De tweede verbetering is de ontwikkeling van een originele bundelversneller uitgerust met de sleuf-apertuurelektrode, waarvan de bundeltransparantie twee keer hoger is dan die van de conventionele elektrode met cirkelvormige opening. Door deze twee innovatieve ideeën te combineren, 's werelds hoogste straalinjectieprestaties zijn bereikt met een straalvermogen van 6,9 MW bij een straalenergie van 190 keV, zoals weergegeven in Fig. 1.

Verder onderzoek, echter, is vereist om hogere prestaties en stabiliteit te bereiken voor geavanceerde negatieve ionenbronnen die kunnen worden gebruikt voor toekomstige fusie-apparaten. In aanvulling, de grootte van de ionenbron is te groot om een ​​trial-and-error-benadering toe te passen. Schaalbenadering is ook niet van toepassing, omdat het gemiddelde vrije pad van een elektron veel korter is dan de werkelijke ionenbron voor NBI en een ionenbron met een kleinere afmeting dan het gemiddelde vrije pad andere kenmerken heeft. Deze conventionele ontwikkelingen worden moeilijk voor het bereiken van significante vooruitgang in prestaties. Om deze reden, de NIFS NBI-groep heeft onderzoek geïnitieerd dat zich richt op het gedrag van negatieve waterstofionen in het ionenbronplasma.

In het geval van de negatieve ionenbron, de kleine hoeveelheid cesium wordt in de ionenbron geïnjecteerd en het cesium-geadsorbeerde oppervlak van de zogenaamde "plasma-elektrode" wordt geactiveerd om het elektron over te brengen naar waterstofatomen en waterstof-positieve ionen die op het oppervlak botsen. Zoals getoond in Fig. 2, deze deeltjes worden aan het oppervlak omgezet in negatieve ionen en worden tegengesteld aan de bundelrichting teruggebogen. Het mechanisme van hoe de negatieve waterstofionen de richting van hun snelheid veranderen en als een bundel worden geëxtraheerd, is niet opgehelderd. Bovendien, het is ook niet duidelijk uit welk deel van het oppervlak van de plasma-elektrode het negatieve waterstofion als een bundel wordt geëxtraheerd. Tot dit punt, met betrekking tot de processen met betrekking tot de bundelproductie door de extractie van negatieve waterstofionen, hoewel er veel simulaties zijn uitgevoerd, omdat er tal van fysieke processen met dit probleem verband houden, hebben we nog steeds geen resultaten verkregen die de experimentele resultaten kunnen helpen verklaren.

Onderzoeksresultaten

In de grote negatieve waterstofionenbron bij NIFS, er zijn verschillende soorten diagnostiek beschikbaar voor het meten van negatieve waterstofionendichtheid, elektronendichtheid, en andere hoeveelheden. Deze natuurkundige grootheden kunnen ruimtelijk en temporeel in detail worden gemeten. Het gedrag van negatieve waterstofionen kan worden verduidelijkt onder de bundelextractie. tot nu toe, deze gedragingen waren moeilijk experimenteel te meten.

Begeleidend bij de bundelextractie, de ruimtelijke stroomverdeling van de negatieve waterstofionen werd onderzocht door de stroom van negatieve waterstofionen te meten met behulp van een elektrostatische sonde van het samengestelde type met vier naaldvormige elektroden bestraald met een laserpuls.

Deze operaties werden op tal van plaatsen uitgevoerd, en, tijdens de bundelextractie, we onderzochten hoe de stroom van negatieve waterstofionen veranderde. In de resultaten van dat onderzoek, experimenteel werd verduidelijkt dat de negatieve waterstofionen die bij de plasma-elektrode worden gegenereerd, ver van de elektrode bewegen, maak vervolgens een U-bocht, en stroom naar het bundelextractiegat waar het bundelextractieveld wordt toegepast (zie figuur 3). Dit kenmerk van de negatieve ionen is voor dit experiment nooit waargenomen. Het verduidelijken van de gedetailleerde configuratie van de negatieve waterstofionenstroom is een waardevol resultaat voor zowel natuurkundig als technologisch onderzoek.

Dit onderzoeksresultaat werd gerapporteerd op de 26e International Atomic Energy Association (IAEA) Fusion Energy Conference gehouden in Kyoto, Japan van 17-22 oktober, 2016. Naast het behalen van succes bij het verbeteren van de prestaties van de negatieve waterstofionenbron, we hebben experimenteel gedetailleerde fysische fenomenen met betrekking tot plasma met negatieve ionenbronnen opgehelderd door tal van diagnostische methoden te gebruiken om plasma van negatieve ionenbronnen vanuit verschillende richtingen te onderzoeken. Deze resultaten werden uitgebreid geëvalueerd, en ontving de NIBS Award op het 5th International Symposium on Negative Ions, Balken en bronnen gehouden in Oxford, Engeland van 12-16 september, 2016.

Betekenis van het onderzoek

Door de in dit onderzoek ontwikkelde methode toe te passen, meting van de negatieve ionenstroom op plaatsen die nog dichter bij de plasma-elektrode liggen, is mogelijk voor het ophelderen van een meer gedetailleerd mechanisme van de negatieve ionen die als een bundel worden geëxtraheerd. Het resultaat biedt een richtlijn om de prestaties van de negatieve ionenbron te verbeteren, evenals een belangrijke bijdrage aan het simulatieveld met betrekking tot ionenbronplasma. De negatieve ionenbundels worden veel gebruikt, niet alleen in fusieonderzoek, maar ook in medische toepassingen, deeltjesfysica, en voortstuwing voor ruimtevaartuigen. De rimpeleffecten van deze experimentele resultaten en de nieuw ontwikkelde diagnostische methoden in dit onderzoek zullen naar verwachting bijdragen aan deze onderzoeksontwikkelingen.