Inyección de haces neutros

La longitud de absorción${\displaystyle \lambda }$para la ionización por haz neutro en un plasma es aproximadamente

${\displaystyle \lambda ={\frac {E}{18\cdot n\cdot M}},}$

con${\displaystyle \lambda }$en m, densidad de partículas n en 10 ¹⁹ m ⁻³ , masa atómica M en uma, energía de partículas E en keV. Dependiendo del diámetro menor del plasma y la densidad, se puede definir una energía mínima de partículas para el haz neutro, con el fin de depositar una potencia suficiente en el núcleo del plasma en lugar de en el borde del plasma. Para un plasma relevante para la fusión, la energía neutra rápida requerida se encuentra en el rango de 1  MeV. Con el aumento de la energía, es cada vez más difícil obtener átomos de hidrógeno rápidos a partir de haces precursores compuestos de iones positivos. Por esa razón, los haces neutros de calentamiento recientes y futuros se basarán en haces de iones negativos. En la interacción con el gas de fondo, es mucho más fácil separar el electrón extra de un ion negativo (H ⁻ tiene una energía de enlace de 0,75  eV y una sección transversal muy grande para el desprendimiento de electrones en este rango de energía) que unir un electrón a un ion positivo.

Un haz neutro se obtiene mediante la neutralización de un haz de iones precursores, comúnmente acelerado en grandes aceleradores electrostáticos . El haz precursor puede ser de iones positivos o negativos: para obtener una corriente suficientemente alta, se produce extrayendo cargas de una descarga de plasma. Sin embargo, en una descarga de plasma de hidrógeno se crean pocos iones de hidrógeno negativos. Para generar una densidad de iones negativos suficientemente alta y obtener una corriente de haz de iones negativos adecuada, se añaden vapores de cesio a la descarga de plasma ( fuentes de iones negativos de plasma superficial ). ^{[ 5 ]} El cesio, depositado en las paredes de la fuente, es un donador de electrones eficiente; los átomos e iones positivos dispersados ​​en la superficie cesiada tienen una probabilidad relativamente alta de dispersarse como iones con carga negativa. El funcionamiento de las fuentes cesiadas es complejo y poco fiable. El desarrollo de conceptos alternativos para fuentes de haces de iones negativos es obligatorio para el uso de sistemas de haces neutros en futuros reactores de fusión.

En la siguiente tabla se enumeran los sistemas de haces neutros basados ​​en iones negativos (N-NBI) existentes y futuros:

La neutralización del haz de iones precursores se realiza comúnmente haciendo pasar el haz a través de una celda de gas. ^{[ 6 ]} Para un haz de iones negativos precursores a energías relevantes para la fusión, los procesos de colisión clave son: ^{[ 7 ]}

D ⁻ + D ₂ → D ⁰ + e + D ₂ (desprendimiento de un solo electrón, con${\displaystyle \sigma }$₋₁₀ =1,13×10 ⁻²⁰ m ² a 1  MeV)

D ⁻ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂ (desprendimiento de doble electrón, con${\displaystyle \sigma }$₋₁₁ =7,22×10 ⁻²² m ² a 1  MeV)

D ⁰ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂ (reionización, con${\displaystyle \sigma }$₀₁ =3,79×10 ⁻²¹ m ² a 1  MeV)

D ⁺ + D ₂ → D ⁰ + D ₂ ⁺ (intercambio de carga,${\displaystyle \sigma }$₁₀ insignificante a 1  MeV)

El subrayado indica las partículas rápidas, mientras que los subíndices i y j corresponden a la sección transversal.${\displaystyle \sigma }$_ij indican el estado de carga de la partícula rápida antes y después de la colisión.

Las secciones transversales a 1  MeV son tales que, una vez creado, un ion positivo rápido no puede convertirse en un ion neutro rápido, y esta es la causa de la limitada eficiencia alcanzable de los neutralizadores de gas.

Las fracciones de partículas con carga negativa, carga positiva y neutras que salen de las celdas de gas neutralizador dependen de la densidad integrada del gas o del espesor del objetivo.${\displaystyle \tau =\int n\,dl,}$con${\displaystyle n}$la densidad del gas a lo largo de la trayectoria del haz${\displaystyle l}$En el caso de los haces D ⁻ , el rendimiento máximo de neutralización se produce a un espesor objetivo${\displaystyle \tau _{{\text{D}}^{-},{\text{1 MeV}}}\approx 1.4\cdot 10^{-16}}$m ⁻² .

Normalmente, la densidad del gas de fondo debe minimizarse a lo largo de toda la trayectoria del haz (es decir, dentro de los electrodos aceleradores, a lo largo del conducto que conecta con el plasma de fusión) para minimizar las pérdidas, excepto en la celda neutralizadora. Por lo tanto, el espesor del blanco requerido para la neutralización se obtiene inyectando gas en una celda con dos extremos abiertos. Se obtiene un perfil de densidad máximo a lo largo de la celda cuando la inyección se produce en la mitad de su longitud. Para un caudal de gas dado${\displaystyle Q}$[Pa·m ³ /s], la presión máxima del gas en el centro de la celda depende de la conductancia del gas.${\displaystyle C}$[m ³ /s]:

${\displaystyle P_{0}=P_{\text{tanque}}+{\frac {Q}{2C}},}$

y${\displaystyle C}$en régimen de flujo molecular se puede calcular como

${\displaystyle C={\frac {9.7}{L/2}}{\sqrt {\frac {T}{m}}}{\frac {a^{2}\cdot b^{2}}{a+b}},}$

con los parámetros geométricos${\displaystyle L}$,${\displaystyle a}$,${\displaystyle b}$indicado en la figura,${\displaystyle m}$masa de la molécula de gas y${\displaystyle T}$temperatura del gas.

Se suele adoptar un caudal de gas muy alto, y los sistemas de haces neutros tienen bombas de vacío personalizadas entre las más grandes jamás construidas, con velocidades de bombeo en el rango de millones de litros por segundo. ^{[ 8 ]} Si no hay restricciones de espacio, una celda de gas grande${\displaystyle L}$Se adopta esta solución, pero es improbable que se implemente en futuros dispositivos debido al volumen limitado dentro del escudo biológico que protege del flujo de neutrones energéticos (por ejemplo, en el caso del JT-60U, la celda neutralizadora N-NBI tiene unos 15  m de longitud, mientras que en el HNB del ITER su longitud se limita a 3  m).