托卡马克加热(NBI)运用介绍.docx
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托卡马克加热(NBI,Neutral Beam Injection)是一种在受控核聚变研究中用于提升等离子体温度和密度的技术。这种技术的核心是利用中性束注入,将高能离子束转换成中性粒子,然后注入到托卡马克装置内部,以加热等离子体并驱动等离子体的运动。 中性束注入的必要性源于高能离子束在强磁场环境下的行为。由于托卡马克中的磁场可以有效约束带电粒子,外部直接注入的高能离子束会受到磁场的影响,难以深入到等离子体核心。因此,需要在离子进入托卡马克之前将其中性化,形成中性束,这样它们就能穿透磁场,深入到等离子体内部进行加热。 中性束的产生通常涉及正离子源,例如文档中提到的JET使用的热阴极加磁约束的方式,以及ASDEX-U使用的RF感性耦合方法。中性束注入系统包括偏转低能离子的过程,通过离子吞食器物去除低能中性粒子,并利用粒子电荷交换实现离子的中性化。 在选择中性束原子时,要考虑等离子体的不同阶段。初始阶段,由于等离子体温度较低,可使用氢原子(H)中性束;而在点火和燃烧阶段,则采用氘(D)中性束以促进核聚变反应。注入位置通常选在托卡马克的赤道面,因为此处的等离子体密度最高。注入方向可以是平行或垂直于环向磁场,每种方式都有其优缺点,如垂直注入可能导致高能离子进入不稳定轨道,引发杂质污染,而平行注入则可以利用等离子体的旋转效应,触发L-H约束模式转变。 中性束与等离子体的相互作用主要包括电离和高能离子的慢化过程。电离过程分为与电子、离子的碰撞电离以及电荷交换。在中性束进入等离子体后,高能离子被约束在特定轨道上,通过碰撞将能量传递给其他粒子,自身速度降低。 为了将能量有效地沉积在托卡马克的芯部,中性束的能量需要足够高,例如ITER要求离子能量达到0.25-0.5MeV。然而,随着离子能量的增加,正离子的中性化效率会下降。为了解决这一问题,可以采用负离子源和负离子中性化方法,其中负离子可以通过体相产生或表面产生,然后通过特定的加速和中性化机制注入等离子体。 在ITER项目中,基于负离子源的中性束指标包括:D0离子,能量1MeV,电流40A,持续时间5秒,这些参数反映了对高效加热和控制等离子体性能的需求。中性束注入是托卡马克聚变实验中的关键技术,它在提升等离子体性能和推动核聚变研究方面起着至关重要的作用。
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