Dodaten ohev plazmatu v tokamacch energetickm svazkem atom

Dodatečný ohřev plazmatu v tokamacích energetickým svazkem atomů – NBI heating Jan Stockel, – Ústav fyziky plazmatu, AV ČR, Praha • • Proč musíme tokamakové plasma dodatečně ohřívat? Jaký je mechanizmus ohřevu svazkem neutrálních atomů? Jak se generace svazku atomů? Technické řešení NBI pro tokamak COMPASS. Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 1

Ohmický ohřev plazmatu v tokamaku • Tokamak je transformátor, jehož sekundární vinutí je prstenec plazmatu o elektrickém odporu Rplasma • Toroidální elektrické pole E tor se v tokamaku generuje časově proměnným proudem v primárním vinutí transformátoru Iprim M –vzájemná indukčnost mezi primárním vinutím a prstencem plazmatu R – poloměr prstence • Toroidální elektrické pole generuje elektrický proud Iplasma v plazmovém prstenci • Průchodem proudu se plazma ohřívá Příkon (ohmický) dodávaný do plazmatu Poh = Rplasma * I 2 plasma Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 2

Problém!!!!! Odpor plazmatu klesá když elektronová teplota roste R ~ Te-3/2 Účinnost ohmického ohřevu se tedy rovněž zmenšuje když elektronová teplota roste Dá se ukázat, že ohmický ohřev je účinný pro elektronové teploty nižší než zhruba 2 ke. V (tj. 20 milonů K). Pro uskutečnění fúze je však potřeba teplot zhruba o 5 až 10 x vyšších (10 -20 ke. V) Proto je nezbytné dodávat do prstence plazmatu výkon jiným způsobem – dodatečný ohřev plazmatu Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 3

Jak dosáhnout ultravysokých teplot? Reaktor: Ohřev nabitými produkty jaderných reakcí (jádra Helia) Ohřev elektromagnetickou vlnou Ohmický ohřev průchodem proudu Vstřik svazku neutrálních atomů Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 4

Proč svazek neutrálních částic a jakou musí mít energii a výkon? Proč se do tokamaku vstřikují neutrální a nikoli nabité částice? Plazma je drženo silným magnetickým polem. Svazek nabitých částic s "rozumnou" energií by se odklonil a nepronikl by do plazmatu Jaký musí být výkon svazku? Výkon svazku = Energie atomů x Ekvivalentní proud svazku musí být podstatně větší než ohmický příkon, aby byl ohřev plazmatu účinný!. Tokamaky střední velikosti (COMPASS) Velké tokamaky (JET) Reaktor (ITER) – Poh = 0, 3 MW => Pbeam ~ 1 MW - Poh = 2 -3 MW => Pbeam ~ 10 MW - Poh = 15 MW => Pbeam ~ 50 MW Jaká musí být energie atomů? Atomy svazku se musí při průletu sloupcem plazmatu ionizovat. Vzniklé ionty pak předávají svou energii plazmatu Coulombovskými srážkami s elektrony a ionty plazmatu. Atomy musí mít takovou optimální energii, aby jejich střední volná dráha pro ionizacibyla srovnatelná (kratší) než délka jejich trajektorie plazmatem. Příliš malá energie => atomy se ionizuji na počátku své dráhy plazmatem (na okraji) Příliš velká energie => atomy se nestačí v plazmatu ionizovat a prolétají bez toho, aby předali plazmatu svou energii. Parametry neutrálního svazku tudíž závisí na rozměru tokamaku!!!! Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 5

Ionizace neutrálního svazku v plazmatu Neutrální částice (rychlé atomy vodíku) o rychlosti vb se ionizují v plazmatu třemi způsoby: Ionizace elektrony (plazmatu) H + e => p + e Účinný srážkový průřez závisí v tomto případě jak na rychlosti rychlých atomů tak na teplotě < eve>/vb elektronů Ionizace ionty (plazmatu) H + p => p + e i Účinný srážkový průřez závisí pouze na rychlosti rychlých atomů Výměna náboje (charge exchange) H + p => p + H Rychlý atom se sráží s pomalým iontem (plazmatu) a opouští srážku jako rychlý proton Účinný srážkový průřez závisí v tomto případě pouze na rychlosti rychlých atomů Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 ch 6

Průchod svazku plazmatem Při průchodu plazmatem o elektronové (iontové) hustotě n(x) ubývá intenzita svazku neutrálních atomů I(x) se vzdáleností x jako Pro neutrální svazek o energii E = 40 ke. V je Účinný průřez výměny náboje (dominantní) Účinný průřez ionizace ionty plazmatu Rychlost ionizace atomů svazku elektrony plazmatu Te ~ 1 ke. V Totální účinný průřez pro útlum svazku Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 tot = 9. 0 * 10 -20 m 2 7

Řešení předchozí rovnice je Výkon absorbovaný v plazmatu je Pro svazek s energií 40 ke. V nabývají srážkové průřezy hodnot: Výměna náboje (dominantní) Ionizace protony plazmatu Ionizace elektrony (Te cca 1 ke. V) Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 8

Průchod svazku plazmatem - 2 Předpokládejme homogenní plazma o hustotě n(x) = n 0 Intenzita neutrálního svazku pak klesá podél jeho dráhy plazmatem jako Rozložení (normalizovaného) výkonu dodaného do plazmatu podél jeho dráhy je Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 9

Pohlcený výkon – COMPASS závislost na hustotě plazmatu Předpokládejme: * Svazek atomů vodíku o energii 40 ke. V a plazma o elektronové teplotě 1 ke. V * Totální účinný průřez pro útlum svazku tot = 9. 0 * 10 -20 m 2 * Délka dráhy svazku plazmatem L = 1 m (tangenciální vstřik) Za těchto podmínek se neutrální svazek totálně utlumí při hustotě plazmatu n = 6*1019 m-3. Při nižší hustotě prochází část výkonu svazku na protilehlou stranu toru. Např. pro hustotu plazmatu n = 2*1019 m-3 zůstává nevyužito cca 15% výkonu svazku Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 10

Výkon dodaný do plazmatu - COMPASS c Podrobnější výpočet útlumu svazku a deponovaného výkonu podél dráhy svazku Předpokládá se reálnější rozdělení hustoty plazmatu po průřezu sloupce ionizace srážkou s neutrální částicí Celková absorpce neutrálního svazku o energii 40 ke. V, který se vstřikuje tangenciálně do plazmatu tokamaku COMPASS, versus střední hustota plazmatu H + H 2 => p + (H 2) + e Intenzita svazku I (červená) Deponovaný výkon d. I/dx, (zelená) podél dráhy svazku normovaný poloměr r/a 0 (modrá) Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 11

Ohřev elektronů versus ohřev iontů plazmatu Neutrální svazek se ionizuje když vstupuje do plazmatu. Vzniklé rychlé ionty se zpomalují Coulombovskými srážkami. Během zpomalování se předává energie elektronům a iontům plazmatu. Část výkonu, který je absorbovaný ionty závisí na energii, na hmotovém složení svazku a na hmotovém složení a elektronové teplotě plazmatu: Kritická energie Vodíkový svazek – vodíkové plazma Ecrit = 14, 8 Te Deuteriový svazek- deuteriové plazma Ecrit = 19. 0 Te Deuteriový svazek – vodíkové plazma Ecrit = 29. 6 Te Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 12

Zdroj svazku neutrálních atomů H 2 (D 2) schematicky H 2 (D 2) Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 13

Extrakce iontů z iontového zdroje fokusace Ionty jsou extrahovány z plazmatu napětím UG 1 -UG 2 = +8 k. V a dále urychleny napětím UG 1 = +40 k. V. Na mřížku G 3 se přikládá záporný potenciál, který odpuzuje elektrony generované v tzv. sekundárním plazmatu (rychlé ionty ionizují neutrální plyn před G 4). Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 14

Neutralizace Při průletu dostatečně "tlustým" plynným terčem v neutralizátoru (n. H 2*Lneutr) dochází k mnohonásobným srážkám částic svazku (výměna náboje a ionizace). Na výstupu z neutralizátoru bude poměr rychlých neutrálů a iontů dán pouze poměrem účinných srážkových průřezů pro výměnu náboje a ionizaci v molekulárním plynu terče. Pro energii svazku 40 ke. V je maximální teoretická účinnost neutralizace okolo 70 procent. Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 15

Iontový zdroj + urychlení VF iontový zdroj Frekvence VF napětí na anténě VF výkon 4 MHz 1 k. V - 8 KV až 30 k. W Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 Urychlovací mřížky 16

Iontový zdroj + urychlovač Přívod pracovního plynu a vodního chlazení Elektrostatické stínění Magnetické stínění Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 Přívodní kabel urychlovacího napětí Přívodní kabely VF výkonu 4 MHz 17

Extrakce iontů z iontového zdroje fokusace Každá ze zakřivených mřížek obsahuje ~ 800 otvorů. Vzájemná poloha otvorů v jednotlivých mřížkách musí být fixována s přesností setin milimetru. Sestavení systému mřížek vyžaduje nutně speciální justační a měřící techniku Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 18

Kalorimetr Celková energie ve svazku atomů (Výkon svazku x doba pulsu) se měří kalorimetrem, který se při testech zasouvá do dráhy svazku (na výstupu z vakuového tanku). V něm jsou umístěny termočlánky které měří nárůst teploty měděných desek. Ze signálů jednotlivých termočlánků, umístěných v různých místech kalorimetru lze rovněž odhadnout průměr neutrálního svazku Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 19

Vakuová komora + Neutralizátor Iontový zdroj + urychlovač Neutralizátor Výsledný svazek atomů Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 20

Horní příruba vakuového tanku - kryogenní čerpání Příruby pro připojení regfrigerátorů Nádoba na kapalný dusík spotřeba cca 200 litrů z den Cryopanely 4 K Closed Cycle Refrigerator System Sumitomo, Model SRDK-415 D-F 50 H K ochlazení na T< 4 K není třeba kapané helium (šetří provozní náklady)!!! Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 21

Celkový pohled na iontový zdroj a vakuový tank Předčerpání turbomolekulární vývěvou Dosaženo 12. 5 A iontového svazku o energii 40 k. V – dobrá kvalita svazku Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 22

Zdroje neutrálních svazků - COMPASS Dva zdroje zakoupeny od Budker Institute, Novosibirsk Beams Total power Beam energy Ion current Equivalent neutral current Pulse duration Focal length Beam divergence Beam diameter at the focus Hydrogen, Deuterium P = 2 x 300 k. W E = < 40 k. V, Iion< 13 Amps I < 7. 5 Amps t < 0. 3 s L = 1. 8 m < 0. 7 o d = 5. 5 cm Beam modulation possible Power required 20 ms/20 ms 0. 7 MVA (from flywheel generator) Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 23

Configuration of NBI's on COMPASS Co-injection (Start-up configuration) I plasma co-injection Btor 1. 2 T (2. 1 T) Ion orbit losses 11% (2%) Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 Balanced injection I plasma balanced 1. 2 T (2. 1 T) 48% (24%) !!! 24

Plán na rok 2011 • Zvětšení tangenciálních portů - leden • Převezení zdrojů k tokamaku a jejich připojení - únor • Infrastruktura (čerpání, chlazení, plynové hospodářství uvedení do rutinního provozu) - březen • Testy provozu s tokamakem – konec března • První výboje s dodatečným ohřevem plazmatu – duben Zimní seminář FJFI, Mariánská 14. 1. 2011 25