La densidad de corriente alcanzó los 340 A / m2 a la máxima potencia de inyección. Este valor es comparable con el objetivo del ITER NBI. Crédito:Dr. Masashi Kisaki
El Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NIFS) ha logrado revelar el flujo de iones de hidrógeno negativos utilizando una combinación de láseres infrarrojos y sondas electrostáticas en el plasma de la fuente de iones. que genera un haz de iones de hidrógeno negativo. Esta es la primera vez en el campo de la investigación de la fusión que el flujo de iones detallado, que cambia de dirección y se mueve hacia la dirección del haz en la fuente de iones, ha sido demostrado experimentalmente.
Antecedentes de la investigación
La inyección de haz neutro (NBI) es un método para aumentar la temperatura del plasma y generar corrientes en plasmas de fusión confinados magnéticamente mediante la inyección de haces neutros de hidrógeno / deuterio. A medida que aumenta el tamaño del plasma, se necesita una energía de haz más alta para depositar haces neutrales en la región central del plasma confinado. La eficiencia de neutralización del haz positivo de iones de hidrógeno / deuterio acelerado con NBI convencional disminuye abruptamente con energía de más de 100 keV. Por otra parte, Los haces de iones de hidrógeno / deuterio negativos mantienen una eficiencia de neutralización independiente de la energía de ~ 60%. Como consecuencia, Los NBI basados en iones negativos son indispensables para los dispositivos recientes de confinamiento de plasma a gran escala. Para construir NBI basado en iones negativos con una energía de 190 keV, Los investigadores de NIFS han sido pioneros en el desarrollo de fuentes de iones negativos.
Se han introducido dos mejoras significativas en la fuente de iones negativos NIFS. Una es la mejora de la corriente de iones negativos optimizando la configuración magnética para el confinamiento del plasma en la fuente de iones. La segunda mejora es el desarrollo de un acelerador de haz original equipado con el electrodo de apertura de ranura, cuya transparencia de haz es dos veces mayor que la del electrodo de apertura circular convencional. Combinando estas dos ideas innovadoras, se ha logrado el rendimiento de inyección de haz más alto del mundo con una potencia de haz de 6,9 MW a una energía de haz de 190 keV, como se muestra en la Fig.1.
La función de trabajo de la superficie del electrodo se reduce con la introducción del cesio en la fuente de iones, y se mejora la producción de iones de hidrógeno negativos. Crédito:Dr. Masashi Kisaki
Investigación exahustiva, sin embargo, Se requiere para lograr un mayor rendimiento y estabilidad para que la fuente de iones negativos avanzada se adopte para futuros dispositivos de fusión. Además, el tamaño de la fuente de iones es demasiado grande para aplicar un enfoque de prueba y error. El enfoque de escala tampoco es aplicable, porque el camino libre medio de un electrón es mucho más corto que la fuente de iones real para NBI y una fuente de iones con un tamaño menor que el camino libre medio tiene características diferentes. Estos desarrollos convencionales se vuelven difíciles para lograr un progreso significativo en el desempeño. Por esta razón, el grupo NIFS NBI ha iniciado una investigación que se centra en el comportamiento de los iones de hidrógeno negativos dentro del plasma de la fuente de iones.
En el caso de la fuente de iones negativos, la pequeña cantidad de cesio se inyecta en la fuente de iones y la superficie adsorbida por cesio del llamado "electrodo de plasma" se activa para transferir el electrón a átomos de hidrógeno e iones positivos de hidrógeno que chocan en la superficie. Como se muestra en la Fig.2, estas partículas se convierten en iones negativos en la superficie y retroceden en dirección opuesta a la del haz. No se ha aclarado el mecanismo de cómo los iones de hidrógeno negativos cambian la dirección de su velocidad y se extraen como un rayo. Es más, tampoco se ha aclarado de qué parte de la superficie del electrodo de plasma se extrae el ión de hidrógeno negativo en forma de haz. A este punto, con respecto a los procesos relacionados con la producción de haces mediante la extracción de iones de hidrógeno negativos, aunque se han realizado muchas simulaciones, Debido a que numerosos procesos físicos están relacionados con este tema, todavía no hemos obtenido resultados que ayuden a explicar los resultados experimentales.
Resultados de la investigacion
En la gran fuente de iones de hidrógeno negativos en NIFS, Hay varios tipos de diagnósticos disponibles para medir la densidad de iones de hidrógeno negativos, densidad de electrones, y otras cantidades. Estas cantidades físicas pueden medirse espacial y temporalmente en detalle. Los comportamientos de los iones de hidrógeno negativos se pueden aclarar bajo la extracción del haz. Hasta ahora estos comportamientos habían sido difíciles de medir experimentalmente.
El flujo de iones de hidrógeno negativo cambia su dirección hacia la apertura del electrodo cuando se extrae el haz. Crédito:Dr. Masashi Kisaki
Acompañando la extracción de la viga, La distribución espacial del flujo de los iones de hidrógeno negativos se investigó midiendo el flujo de iones de hidrógeno negativos con el uso de una sonda electrostática de tipo compuesto con cuatro electrodos de tipo aguja irradiados por pulso de láser.
Estas operaciones se llevaron a cabo en numerosos lugares, y, durante la extracción de la viga, Investigamos cómo cambiaba el flujo de iones de hidrógeno negativos. En los resultados de esa investigación, Se aclaró experimentalmente que los iones de hidrógeno negativos generados en el electrodo de plasma se mueven lejos del electrodo, posteriormente haga un cambio de sentido, y fluya hacia el orificio de extracción de la viga donde se aplica el campo de extracción de la viga (Ver Figura 3). Esta característica de los iones negativos nunca se había observado antes de este experimento. Aclarar la configuración detallada del flujo de iones de hidrógeno negativo es un resultado valioso para la investigación tanto en física como en tecnología.
El resultado de esta investigación se informó en la 26a Conferencia de Energía de Fusión de la Asociación Internacional de Energía Atómica (OIEA) celebrada en Kioto, Japón del 17 al 22 de octubre, 2016. Además de lograr el éxito en la mejora del rendimiento de la fuente de iones de hidrógeno negativos, Aclaramos los fenómenos físicos detallados experimentalmente relacionados con el plasma de fuente de iones negativos mediante el uso de numerosos diagnósticos para investigar el plasma de fuente de iones negativos desde numerosas direcciones. Estos resultados fueron evaluados de manera integral, y recibió el premio NIBS en el 5to Simposio Internacional sobre Iones Negativos, Beams and Sources celebrado en Oxford, Inglaterra del 12 al 16 de septiembre, 2016.
Importancia de la investigación
Aplicando el método desarrollado en esta investigación, La medición del flujo de iones negativos en lugares aún más cercanos al electrodo de plasma es posible para aclarar el mecanismo más detallado de los iones negativos extraídos como un haz. El resultado proporciona una guía para mejorar el rendimiento de la fuente de iones negativos, así como una importante contribución al campo de simulación relacionado con el plasma de la fuente de iones. Los haces de iones negativos se utilizan ampliamente no solo en la investigación de la fusión sino también en aplicaciones médicas, partículas fisicas, y propulsión para naves espaciales. Se espera que los efectos dominó de estos resultados experimentales y los métodos de diagnóstico recientemente desarrollados en esta investigación contribuyan a estos desarrollos de investigación.