Die ITER-Neutralstrahl-Testanlage ist Teil des Internationalen Thermonuklearen Versuchsreaktors (ITER) in Padua , Venetien , Italien . [ 1 ] Die Anlage beherbergt den Prototyp des Neutralstrahlinjektors MITICA (Megavolt ITer Injector & Concept Advancement) in Originalgröße sowie einen kleineren Prototyp der Ionenquelle SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma). [ 2 ] SPIDER nahm im Juni 2018 seinen Betrieb auf. Mit SPIDER werden die Ionenstrahlquelle optimiert, der Einsatz von Cäsiumdampf optimiert und die Gleichmäßigkeit des extrahierten Ionenstrahls auch bei langen Pulsen überprüft.
ITER-Heizung Neutralstrahlen
Zur Energieversorgung des Fusionsplasmas in ITER werden zwei Heizneutralstrahlinjektoren installiert. Sie sind so ausgelegt, dass sie jeweils 17 MW Leistung über die 23 m langen Strahlführungen bis zum Behälter mit vier Metern Durchmesser liefern . Um ausreichend Heizleistung im Plasmakern und nicht an den Plasmarändern zu deponieren, muss die Teilchenenergie des Strahls etwa 1 MeV betragen. Dies erhöht die Komplexität des Neutralstrahlsystems auf ein beispielloses Niveau. Es handelt sich dabei um das wichtigste Hilfsheizsystem des Reaktors. Aufgrund seines geringen Wirkungsgrades muss der Neutralstrahlinjektor zunächst einen negativen Vorläuferionenstrahl von 40 A erzeugen und diesen anschließend durch eine Gaskammer (mit einem Wirkungsgrad < 60 %) und danach durch einen Restionenfänger neutralisieren (die verbleibenden 40 A – 20 % negativ, 20 % positiv). Der neutralisierte Strahl wird dann während der Konditionierungsphasen auf ein Kalorimeter geleitet oder mit dem Plasma gekoppelt. Weitere Reionisierungsverluste oder Interferenzen mit den mechanischen Komponenten reduzieren seinen Strom auf 17 A. [ 3 ]
Zwecke
Die Aufgaben der Testeinrichtung umfassen Forschung und Entwicklung zu folgenden Themen:
- Spannungshaltung: Aufgrund der Neutronenumgebung handelt es sich hierbei um die erste Strahlquelle bei -1 MV mit Vakuumisolierung anstelle einer Gasisolierung ( SF₆).6Typischerweise wird Gas verwendet);
- Negative Ionenbildung: Die Anforderungen an die extrahierte Stromdichte aus der Cäsiumionenquelle stoßen an die Grenzen der gegenwärtigen Technologie von Plasmaionenquellen.
- Strahloptik: Der Vorläuferionenstrahl wird in einem elektrostatischen Mehrgitterbeschleuniger erzeugt, dessen sieben Gitter jeweils 1280 Aperturen aufweisen. Da die Gesamtbreite des Strahls entlang der Strahldrift (ca. 25 m) durch die Optik jedes der 1280 Teilstrahlen bestimmt wird, müssen die Gitterausrichtung und die durch Magnetfelder und elektrostatische Fehlerfelder verursachten Störungen sorgfältig überprüft werden.
- Vakuumpumpen: Zwei 8 m lange und 1,6 m hohe Kryopumpen werden an jeder Seite des Vakuumgefäßes installiert. Die Dauerfestigkeit der Komponenten bei Betriebszyklen zwischen 4 K und 400 K ist zu überprüfen.
- Wärmebelastung der mechanischen Komponenten: An den Elektroden zur Strahlbeschleunigung und entlang des Strahlpfads sind die mechanischen Komponenten sehr hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen wirken während langer Pulse von bis zu einer Stunde kontinuierlich ein. Sie sind jedoch geringer als die zu erwartenden Wärmebelastungen der ITER-Divertorplatten.
Prototypen bei der NBTF
SPIDER ist die erste große Versuchsanlage, die im Mai 2018 ihren Betrieb in der Testeinrichtung aufgenommen hat. Die Komponenten von MITICA werden derzeit beschafft; die Inbetriebnahme wird für Ende 2023 erwartet.
SPINNE
Die Designparameter von SPIDER sind folgende:
- Typ: Cäsium-Oberflächenplasma-Negativionenquelle
- Plasmaquelle: 8 zylindrische HF-Treiber, betrieben mit 1 MHz, angeschlossen an eine einzelne Expansionskammer (0,8 m × 1,6 m × 0,25 m).
- Prozessgas: Wasserstoff oder Deuterium
- Extrahierter Wasserstoff-Negativionenstrahlstrom: 54 A (Zielwert)
- Elektroden und Nennspannungen: Plasmagitter (-110 kV), Extraktionsgitter (-100 kV), geerdetes Gitter (0 V)
- Anzahl der Einzelstrahlen und Mehrfachstrahlmuster: 1280 Einzelstrahlen, aufgeteilt in 4 × 4 Einzelstrahlgruppen mit jeweils 5 × 16 Einzelstrahlen.
Im Jahr 2018 wurde die Plasmaentladung durch acht Ionenquellen-HF-Treiber optimiert. 2019 begann der Betrieb mit einem negativen Wasserstoffionenstrahl: Im ersten Jahr arbeitete SPIDER aufgrund von Einschränkungen im Vakuumsystem mit einer reduzierten Anzahl von Strahlteilen (80 statt 1280). 2021 erfolgte der erste Betrieb mit Cäsium.
Fähigkeiten
Die Leistungsfähigkeit von SPIDER und MITICA ist in der folgenden Tabelle im Vergleich zu den Zielen des ITER-Heizneutralstrahls und anderen bestehenden, auf HF-angeregten Quellen basierenden Geräten aufgeführt. Die in der Tabelle angegebenen Ergebnisse beziehen sich auf den Betrieb bei einem niedrigen Fülldruck von 0,3 Pa. Bei höheren Betriebsdrücken ist eine deutliche Leistungssteigerung zu beobachten. Ein niedriger Druck ist jedoch erforderlich, um die Wärmebelastung durch Streuteilchen zu minimieren, die durch die Wechselwirkung der Strahlionen mit dem Hintergrundgas entlang des Mehrgitter-Elektrostatikbeschleunigers der MITICA- und ITER-HNB-Quellen entstehen.
| Experiment | Erste Operation | Strahlenergie (erreicht/Ziel) | Negativionenstrahlstrom (erreicht/Ziel) | Negative Ionenstrahlstromdichte (erreicht/Ziel) | Ionenquellentyp | Beschleunigertyp | Neutralisator-Typ | Strahlführungslänge | Neutralstrahl-Äquivalentstrom | Ziel-Einzelstrahldivergenz bei 0,3 Pa (Gaußsche 1/e-Funktion) | Erreichte Einzelstrahldivergenz bei 0,3 Pa ±10% (Gaußsche 1/e) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BATMAN-Upgrade [ 4 ] | modernisiert im Jahr 2018 | ~60 kV | ? (Wasserstoff) | 350 A/m² [ 5 ] / 330 A/m² ( Wasserstoff) | RF-getriebene Cäsium-Oberflächenplasmaquelle | Mehrapertur-Elektrostatiktriode | - | ca. 3 m | - | - | 11 mrad (Kerndivergenz einschließlich ~75% Strahlstrom) |
| ELISE [ 6 ] | Februar 2013 | ~60 kV | ~27 A (Wasserstoff) | ~280 A/m² [ 7 ] / 330 A/m² ( Wasserstoff) | RF-getriebene Cäsium-Oberflächenplasmaquelle | Mehrapertur-Elektrostatiktriode | - | ca. 5 m | - | - | - |
| SPINNE | Mai 2018 | 50 kV [ 8 ] / 110 kV | ~1 A [ 8 ] / 54 A (Wasserstoff) | 225 A/m² [ 8 ] / 330 A/m² ( Wasserstoff) | RF-getriebene Cäsium-Oberflächenplasmaquelle | Mehrapertur-Elektrostatiktriode | - | ca. 5 m | - | <7 mrad | 12 mrad [ 8 ] |
| MITICA | 2025 (voraussichtlich) | 880 kV (Wasserstoff) / 1000 kV (Deuterium) | -/ 40 A (Wasserstoff) | -/ 330 A/m² ( Wasserstoff) | RF-getriebene Cäsium-Oberflächenplasmaquelle | Mehrgitter-Mehröffnungskonzept (7 Elektroden) | 4 Gaszellen | ~13 m | 16,7 A | <7 mrad | - |
| ITER HNB | TBD | 880 kV (Wasserstoff) / 1000 kV (Deuterium) | 40 A | -/ 330 A/m² ( Wasserstoff) | RF-getriebene Cäsium-Oberflächenplasmaquelle | Mehrgitter-Mehröffnungskonzept (7 Elektroden) | 4 Gaszellen | ~22,5 m | 16,7 A | <7 mrad | - |
Siehe auch
Referenzen
- ^ „ITER-Neutralstrahl-Testanlage: Der Bau in Padua schreitet zügig voran . “ EUROfusion . 15. Juli 2013. Archiviert vom Original am 27. Januar 2016. Abgerufen am 5. November 2023 .
- ^ V. Toigo, D. Boilson, T. Bonicelli, R. Piovan, M. Hanada et al. 2015 Nukl. Fusion 55:8 083025
- ^ LR Grisham, P Agostinetti, G Barrera, P Blatchford, D Boilson, J Chareyre, et al., Aktuelle Verbesserungen am Design des ITER-Neutralstrahlsystems, Fusion Engineering and Design 87 (11), 1805-1815
- Fantz, U.; Bonomo, F.; Fröschle, M.; Heinemann, B.; Hurlbatt, A.; Kraus, W.; Schiesko, L.; Nocentini, R.; Riedl, R.; Wimmer, C. (2019). „ Fortschrittliche NBI-Strahlcharakterisierungsfähigkeiten an der kürzlich verbesserten Testanlage BATMAN Upgrade“ . Fusion Engineering and Design . 146 : 212–215 . Bibcode : 2019FusED.146..212F . doi : 10.1016/j.fusengdes.2018.12.020 . hdl : 21.11116/0000-0004-8043-F .
- ^ Heinemann, B.; Fantz, U.; Kraus, W.; Schiesko, L.; Wimmer, C.; Wünderlich, D.; Bonomo, F.; Fröschle, M.; Nocentini, R.; Riedl, R. (2017). „Auf dem Weg zu großen und leistungsstarken hochfrequenzbetriebenen negativen Ionenquellen für die Fusion“ . Neue Zeitschrift für Physik . 19 (1): 015001. Bibcode : 2017NJPh...19a5001H . doi : 10.1088/1367-2630/aa520c .
- ^ Die weltweit größte Testanlage für Negativionenquellen wurde eröffnet, um die Heizung für ITER zu entwickeln – Dezember 2012. Archiviert am 2. August 2019 im Internet Archive . Abgerufen am 2. August 2019.
- Fantz , U.; Briefi, S.; Heiler, A.; Wimmer, C.; Wünderlich, D. (2021). „Negative Wasserstoffionenquellen für die Fusion: Von der Plasmaerzeugung zu den Strahleigenschaften“ . Frontiers in Physics . 9 : 473. Bibcode : 2021FrP.....9..473F . doi : 10.3389/fphy.2021.709651 .
- ^ a b c d Sartori, E.; Agostini, M.; Barbisan, M.; Bigi, M.; Boldrin, M.; Brombin, M.; Casagrande, R.; Dal Bello, S.; Dan, M.; Duteil, BP; Fadone, M.; Grando, L.; Maistrello, A.; Pavei, M.; Pimazzoni, A. (2022). „Erste Operationen mit Cäsium der negativen Ionenquelle SPIDER“ . Kernfusion . 62 (8): 086022. Bibcode : 2022NucFu..62h6022S . doi : 10.1088/1741-4326/ac715e . HDL : 11577/3448494 . ISSN 0029-5515 .
