Instalación de pruebas de haz neutro del ITER
La instalación de prueba de haz neutro del ITER es parte del reactor termonuclear experimental internacional (ITER) en Padua , Véneto , Italia . [1] La instalación albergará el prototipo a escala real del inyector de haz neutro del reactor , MITICA (Megavolt ITer Injector & Concept Advancement), y un prototipo más pequeño de su fuente de iones, SPIDER (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma). [2] SPIDER comenzó a funcionar en junio de 2018. SPIDER se utilizará para optimizar la fuente del haz de iones, para optimizar el uso de vapor de cesio y para verificar la uniformidad del haz de iones extraído también durante pulsos largos.
Vigas neutras de calentamiento del ITER
Para suministrar energía al plasma de fusión en el ITER, se instalarán dos inyectores de haz neutro de calentamiento. Están diseñados para proporcionar una potencia de 17 MW cada uno, a través de las líneas de haz de 23 m, hasta el contenedor de cuatro metros de diámetro: para depositar suficiente energía de calentamiento en el núcleo de plasma en lugar de en los bordes del plasma, la energía de las partículas del haz será de aproximadamente 1 MeV, lo que aumenta la complejidad del sistema de haz neutro a un nivel sin precedentes. Este será el principal sistema de calentamiento auxiliar del reactor. Debido a su baja eficiencia de conversión, el inyector de haz neutro primero necesita iniciar un haz de iones negativos precursores de 40 A, y luego neutralizarlo haciéndolo pasar a través de una celda de gas (con una eficiencia < 60%) y luego mediante un vertedero de iones residuales (los 40 restantes: 20% negativos, 20% positivos). El haz neutralizado luego se vierte en un calorímetro durante las fases de acondicionamiento, o se acopla con el plasma. Las pérdidas de reionización posteriores o la intercepción con los componentes mecánicos reducen su corriente a 17 A. [3]
Propósitos
El papel del centro de pruebas incluye la investigación y el desarrollo en los siguientes temas:
- Mantenimiento de voltaje: debido al entorno de neutrones, esta será la primera fuente de haz a -1 MV con aislamiento de vacío en lugar de aislamiento de gas ( SF
6normalmente se utiliza gas); - Formación de iones negativos: el requisito de la densidad de corriente extraída de la fuente de iones cesados está en el límite de la tecnología actual de fuentes de iones de plasma.
- Óptica del haz: el haz de iones precursores se genera en un acelerador electrostático de múltiples rejillas, que tiene 1280 aberturas en cada una de las 7 rejillas que lo componen. Dado que el ancho total del haz a lo largo de la deriva del haz (aproximadamente 25 m) se debe a la óptica de cada uno de los 1280 haces pequeños, la alineación de la rejilla y las perturbaciones producidas por los campos magnéticos y los campos de error electrostático deben verificarse cuidadosamente.
- Bombas de vacío: se instalarán dos bombas criogénicas de 8 m de longitud y 1,6 m de altura a cada lado del recipiente de vacío. Se verificará la vida útil por fatiga de los componentes que funcionan con ciclos entre 4 K y 400 K.
- Carga térmica sobre los componentes mecánicos: en los electrodos utilizados para la aceleración del haz y a lo largo de su trayectoria, los componentes mecánicos están sometidos a cargas térmicas muy elevadas. Estas cargas se aplican de forma continua durante pulsos largos, de hasta 1 h. En cualquier caso, estas cargas son inferiores a las cargas térmicas esperadas sobre las placas deflectoras del ITER.
Prototipos en el NBTF
SPIDER es el primer gran dispositivo experimental que ha comenzado a funcionar en las instalaciones de prueba (mayo de 2018). Los componentes de MITICA se encuentran actualmente en proceso de adquisición y se espera que entre en funcionamiento a finales de 2023.
ARAÑA
Los parámetros de diseño de SPIDER son los siguientes:
- Tipo: fuente de iones negativos de plasma de superficie cesiada
- Fuente de plasma: 8 controladores de RF cilíndricos, operados a 1 MHz, conectados a una única cámara de expansión de 0,8 m × 1,6 m × 0,25 m
- Gas de proceso: hidrógeno o deuterio
- Corriente del haz de iones negativos de hidrógeno extraído: 54 A (valor objetivo)
- Electrodos y tensiones nominales: Rejilla de plasma (-110 kV), Rejilla de extracción (-100 kV), Rejilla de puesta a tierra (0 V)
- Número de haces y patrón de haz de haces múltiples: 1280 haces separados en grupos de haces de 4 × 4 de 5 × 16 haces cada uno
Durante 2018 se optimizó la descarga de plasma mediante ocho controladores de RF de fuente de iones. En 2019 se inició la operación con haz de iones negativos de hidrógeno: durante el primer año, SPIDER funcionará con un número reducido de haces (80 en lugar de 1280) debido a las limitaciones en el sistema de vacío. En 2021 se realizó la primera operación con cesio.
Capacidades
Las capacidades de SPIDER y MITICA se enumeran en la siguiente tabla en comparación con los objetivos del haz neutro de calentamiento del ITER y con otros dispositivos existentes basados en fuentes impulsadas por RF. Los resultados obtenidos que se indican en la tabla se refieren al funcionamiento a baja presión de llenado de 0,3 Pa; se observa una marcada mejora de las prestaciones para presiones de funcionamiento más altas, pero se requiere una presión baja para minimizar las cargas térmicas debidas a partículas dispersas, generadas por la interacción de los iones del haz con el gas de fondo a lo largo del acelerador electrostático de múltiples rejillas de las fuentes HNB de MITICA e ITER.
| Experimento | Primera operación | Energía del haz (alcanzada/objetivo) | corriente de haz de iones negativos (logrado/objetivo) | Densidad de corriente del haz de iones negativos (logrado/objetivo) | Tipo de fuente de iones | Tipo de acelerador | Tipo de neutralizador | Longitud de la línea de luz | Corriente equivalente del haz neutro | Divergencia de haz único objetivo a 0,3 Pa (gaussiano 1/e) | Se logró una divergencia de haz único a 0,3 Pa ±10 % (gaussiano 1/e) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Actualización de BATMAN [4] | Actualizado en 2018 | ~60 kV | ? (hidrógeno) | 350 A/m 2 [5] / 330 A/m 2 (hidrógeno) | Fuente de plasma superficial cesiado accionada por radiofrecuencia | Triodo electrostático de múltiples aperturas | - | ~3 metros | - | - | 11 mrad (divergencia del núcleo que incluye una corriente de haz pequeño de aproximadamente el 75 %) |
| ELISA [6] | Febrero de 2013 | ~60 kV | ~27 A (hidrógeno) | ~280 A/m 2 [7] / 330 A/m 2 (hidrógeno) | Fuente de plasma superficial cesiado accionada por radiofrecuencia | Triodo electrostático de múltiples aperturas | - | ~5 metros | - | - | - |
| ARAÑA | Mayo de 2018 | 50 kV [8] / 110 kV | ~1 A [8] / 54 A (hidrógeno) | 225 A/m 2 [8] / 330 A/m 2 (hidrógeno) | Fuente de plasma superficial cesiado accionada por radiofrecuencia | Triodo electrostático de múltiples aperturas | - | ~5 metros | - | <7 mrad | 12 mrad [8] |
| MÍTICA | 2025 (previsto) | 880 kV (hidrógeno) / 1000 kV (deuterio) | -/ 40 A (hidrógeno) | -/ 330 A/m 2 (hidrógeno) | Fuente de plasma superficial cesiado accionada por radiofrecuencia | Concepto de rejilla múltiple y apertura múltiple (7 electrodos) | 4 Celdas de gas | ~13 metros | 16,7 A | <7 mrad | - |
| ITER-HNB (Infraestructura nuclear de alta potencia) | Por determinar | 880 kV (hidrógeno) / 1000 kV (deuterio) | 40 A | -/ 330 A/m 2 (hidrógeno) | Fuente de plasma superficial cesiado accionada por radiofrecuencia | Concepto de rejilla múltiple y apertura múltiple (7 electrodos) | 4 Celdas de gas | ~22,5 metros | 16,7 A | <7 mrad | - |
Véase también
Referencias
- ^ "Instalación de pruebas de haz neutro del ITER: la construcción avanza rápidamente en Padua". EUROfusion . 15 de julio de 2013. Archivado desde el original el 27 de enero de 2016 . Consultado el 5 de noviembre de 2023 .
- ^ V. Toigo, D. Boilson, T. Bonicelli, R. Piovan, M. Hanada y otros. 2015 Núcleo. Fusión 55:8 083025
- ^ LR Grisham, P Agostinetti, G Barrera, P Blatchford, D Boilson, J Chareyre, et al., Mejoras recientes en el diseño del sistema de haz neutro del ITER, 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). "Capacidades avanzadas de caracterización de haces NBI en la instalación de prueba recientemente mejorada BATMAN Upgrade". Ingeniería y diseño de fusión . 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). "Hacia fuentes de iones negativos para fusión impulsadas por radiofrecuencia grandes y potentes". Nueva Revista de Física . 19 (1): 015001. Código bibliográfico : 2017NJPh...19a5001H. doi : 10.1088/1367-2630/aa520c .
- ^ Se inaugura la mayor instalación de pruebas del mundo para fuentes de iones negativos con el fin de desarrollar la calefacción para el ITER – diciembre de 2012 Archivado el 2 de agosto de 2019 en Wayback Machine . Consultado el 2 de agosto de 2019.
- ^ Fantz, U.; Briefi, S.; Heiler, A.; Wimmer, C.; Wünderlich, D. (2021). "Fuentes de iones de hidrógeno negativos para la fusión: desde la generación de plasma hasta las propiedades del haz". Frontiers in Physics . 9 : 473. Bibcode :2021FrP.....9..473F. doi : 10.3389/fphy.2021.709651 .
- ^ abcd 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). "Primeras operaciones con cesio de la fuente de iones negativos SPIDER". Fusión Nuclear . 62 (8): 086022. Código bibliográfico : 2022NucFu..62h6022S. doi :10.1088/1741-4326/ac715e. ISSN 0029-5515.
Enlaces externos
- Sitio web del Consorcio RFX
- Página en el sitio web del ITER
45°23′26″N 11°55′40″E / 45.39056, -11.92778
