精品资料————欢迎下载5.3 中性束注入（ NBI, Neutral Beam Input ）加热为什么不直接利用高能离子束？磁场可以约束离子,使之不能逃出托卡马克,同理外部高能离子束也被磁场约束,不易于进入托卡马克内部；所以,需要在离子进入托卡马克前,将离子束中性化――中性束；产生中性束的工作原理图（ JET ,正离子源）EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载＋电荷交换A 〔高能 〕 ＋ B A（高能）＋ B＋抽走低能中性粒子EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载偏转低能离子（离子吞食器物）产生中性束系统示意图、实物照片（ JET ）中性束系统示意图EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载托卡马克一侧实物照片――――――――――――――――――――――――――――（下图：用于 JET 的正离子源,接受 热阴极＋磁约束）――――――――――――――――――――――――――――EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载（下图： 用于ASDEX-U 的正离子源的内部结构, 接受 RF 感性耦合, 图中澡盆状部件为 法拉第屏蔽 ,铁箍状部件为射频 线圈）――――――――――――――――――――――――――――中性束加热中的一些问题（1） ） 中性束原子的选用在开头放电的 初始建立阶段 ,等离子体温度不高,不能产生核反应,可以用H 原子中性束 加热；在点火、燃烧 阶段,可以接受 D中性束；（2） ） 中性束注入位置、方向中性束注入 位置：在托卡马克的 赤道面注入,通过最长,密度最大的区域；EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载注入方向：平行于环向,垂直于环向；垂直注入优点：窗口设计简洁；缺点：加热后离子的垂直磁场能量大,简洁进入香蕉（俘获）轨道；在纹波度大的环向磁场中,俘获快离子引起纹波扩散, 碰撞溅射托卡马克壁, 造成杂质污染；粒子轨迹 在 小圆上的截面 为是香蕉形状EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载平行注入：缺点：窗口设计较复杂占用空间大； 优点：电离距离长,产生穿行离子；注入方向可以平行、反平行托卡马克电流方向；EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载NB 具有动量,单向平行注入会产生等离子体沿 大环方向旋转, 可以接受对称双向 注入；试验发觉等离子体环向旋转可以触发 L-H 约束模式转变（有益！）,所以一般接受 单向平行注入 ；（ 3） 中性束与托卡马克 plasma 的作用过程：电离、高能离子慢化中性束的电离有几个过程：与电子、离子碰撞电离,电荷交换；＋ ＋在低能区：电荷交换占主导（ A 〔高能〕＋B A （高能）＋ B ）,中性粒子能量转化为带电粒子能量；在高能区：高能中性原子与电子的碰撞电离（在高能区主要为多级电离）占主导；当中性粒子被电离后,高能离子被约束在香蕉、通行轨道上；假如高能离子的约束时间长, 将通过与其他粒子碰撞传递能量, 自身速度降低（碰撞慢化, slow down）；（4） ） 托卡马克的芯部加热中性加热要求其能量沉积在托卡马克芯部,对于大托卡马克（如 ITER ）,要求中性束到达芯部, 需要提高中性束能量 相应要求提高离子源 D 离子能量,在 ITER 上,要求离子能量达到 0.25-0.5Mev；（5） ） 增加 D 离子能量显现的问题在需要高于 0.1Mev 的中性束（相应地,离子能量需要高于 0.1Mev）时,假如仍然接受 正离子 中性化方法,中性化效率下降（参见下图） ；――――――――――――――――――――――――――（上图：离子中性化率随离子能量（ Kev）的变化） 说明 1：正离子源中有多种离子成分,原子离子、分子离子说明 2：正离子的中性化率不是 100% ,而且中性化率 不随中性化室长度增加而 单调提高 ,有正确长度 ,和最大中性化率 ；EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载―――――――――――――――――――――――――――――解决方法：接受负离子＋中性化方法；负离子的产生方法 /途径（两种, 结合下面两图 说明）：【负离子有两种产生方式 】：（1） ）在体相产生负离子： 在相对高的高能电子作用下, 产生高振动能态的分子, 高振动能态的分子在分解时俘获低能 电 子 〔dissociative attachment）；EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载H 2 e〔fast〕H 2 〔v 〕 eEFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载H 2〔 v 〕 e〔 1.0eV 〕 H该方式的产生效率高；体相产生负离子的 要求 ： 需要磁场隔离or 磁过滤（ magnetic filter）高能电子、低能电子区（参考上图中结构,下图中的结果； ）（上图：负离子源中电子温度的轴向分布）EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载（2） ）在表面产生负离子：原子从涂敷 铯壁上碰撞弹开时,产生负离子；为了获得高速率负离子产率,需要提高原子密度、能量,负离子的原始能量较高；负离子源的重点问题：―― 负离子的高效率产生；―― 负离子的加速（电子需要把握,接受横向磁场阻挡电子,仅引出负离子）；负离子中性化方法：不同于正离子电荷交换方法； 具体方法为：负离子和热分子气体作用,将负离子的电子剥离,剥离效率高达 60% ；接受高电离率的 plasma替代热分子气体,效率可以进一步提高到 80% ；（ 6） ITER 上的基于负离子源的中性束指标D0 , 1 MeV , a current of 40A, 50MW , three units.（日本 JT-60U 的负离子源最好,拿到 N-NBI 的发包）；2003 已实现指标： 功率－－ 5.8MW ,中性束能量―― 0.4Mev,时间―― 10s方案指标： 功率－－ 10MW ,中性束能量―― 0.5Mev,时间―― 10sEFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载（日本争辩人员正在装配负离子源）（ 7） 正、负离子源的中性束加热技术比较正离子比负离子 简洁产生 ,低能 NBI 均使用基于正离子源的 NBI负离子不简洁产生,电子简洁失去,但中性化 效率高 ；正离子源中,加负偏压引出后,负离子被阻挡,但正离子中有各种成分, 如分子离子 D2+,D3+,加速后得到的能量均相同 E0,经过中性化,进入等离子体分解、电离后,每个原子得到的能量为 E0/2,E0/3,这些能量低,沉积在托卡马克等离子体的边缘区, P－NBI 功率沉积区域宽 ；负离子源 成分单一,对应 NBI 的功率沉积区域窄；N-NBI 技术相对 复杂,效率低,成本高产生区：高能电子、低能电子需要隔离；引出区：负离子、电子需要把握,接受横向磁场阻挡电子,仅引出负离子；（ 8） 中性束加热技术优点加热效率高；对NBI加热对等离子体的变化不敏捷,不受托卡马克等离子体形状、分布；（波加热对等离子体变化敏捷,缘由：存在阻抗匹配问题）；不受加热过程中相伴现象的影响,边缘局部模、锯齿波、不同运行模式过渡等变化的影响；（ 9） 国内（等离子体所）的中性束加热进展简介1978 年（建所前）即开头争辩,建所后设立了特地的争辩室（四室）； 研发的离子源（潘宁源）直径： 7,10,15cm ；在 HT-6M上进行过中性束 （ 100KW）加热试验, 有明显的离子加热成效；EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载1988 年,建立直径为 15cm的离子源, 要求几十万升抽速低温泵, 当时液氮、液氦价格高,经费支持不够,该方向的争辩方案暂停,撤销第四争辩室,有关人员开创新的争辩方向（低能离子与生物作用）；2002 年起,国家对聚变争辩加大投入,等离子体所重新开头中性束注入争辩；近年进展：---EAST 装置帮忙加热系统”是国家“十二五”大科学工程, 2021 年 7 月正式立项；---2021 年 1 月 14 日 EAST 中性束注入系统（ NBI ）测试台首次成功调试；--- 指标：束能量 50 千伏,束流 22 安培,束脉宽 106 毫秒的引出束流,离子束功率达到 1．1 兆瓦；---- 最终目标―― 2 至 4 兆瓦中性束注入系统的研制供应强有力的牢靠支持；EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载EAST对 NBI 要求： 源的数量： 两个中性束能量： 40-90Kev（仍然使用正离子源）； 注入功率： 3-4MW；引出粒子： H ,D,He 束；脉冲宽度： 100-1000S5.4 粒子加热（简洁介绍）EFIEFNEUGBFNKFMEINGFEJFBNEIFKDNF精品资料————欢迎下载在有D、T 聚变反应 [D + T → 4He〔3.52MeV〕 + n〔14.06MeV〕 ]的托卡马克装置中,带电离子中有高能的 粒子； 粒子的能量远高于本底的氘氚离子的能量, 其密度就要低很多；离子与其它粒子碰撞,将能量传递给 D、T离子、电子；当聚变反应速率足够高时,由聚变产生 粒子可以保护氘氚等离子体处于高温状态,使聚变反应连续进行；这个过程称为 粒子的自加热,也是建堆发电的物理基础；―――――――――――― 。