Μελέτη παραγωγής δέσμης αρνητικών ιόντων μεγάλου ρεύματος - μεγάλης ενέργειας και φωτο-ουδετεροποίησή της για τη χρήση σε αντιδραστήρες Tokamak

Abstract

In order to heat the plasma of a clean energy production fusion reactor such as ITER or DEMO, constant power supply is needed. One method of achieving this is by injecting a beam of neutral hydrogen isotopes (Neutral Beam Heating). This thesis contributes to the development of a neutral beam production method via the formation, acceleration and extraction of negative hydrogen ions from a magnetically insulated diode. This work involves simulation of the diode taking into account its various geometric and physical parameters (voltage, magnetic field) as well as the plasma inside it (temperature, species and density) and numerical calculations for the acceleration and extraction of the negative ion beam are performed. The cathode plasma, from where the ions are extracted, may be formed by laser-cluster interaction, while magnetic insulation is used to separate negative ions from electrons. A numerical two-fluid code in cylindrical geometry describes the spatio-temporal evolution of negative ions and electrons inside the diode. The results from the code are tested against experimental data concerning high energy and high current pulsed devices from international bibliography, in order to explore the physical processes governing the beam acceleration and extraction. The results show that the code is in good aggreement with the experimental data at the appropriate physical and geometric parameters. The use of laser is also proposed as a means of neutralization of the negative ions beam with photodetachment, in order both to achieve greater efficiency and to reuse the same laser system with plasma formation and achieve economy of scale. The novelty of this work is that while the relative scientific methods are well-established, they have not been proposed for use at Tokamak machines although it is evident that they offer significant advantages compared to other methods for plasma heating. This work contributes to science by proving, with the help of simulations and comparison with experimental data, that the magnetically insulated diode can produce high power neutral hydrogen or deuterium beams by neutralizing high power and high current negative ions beam.

Για την θέρμανση του πλάσματος σε μια μηχανής πυρηνικής σύντηξης για παραγωγή καθαρής ενέργειας όπως οι ITER και DEMO, απαιτείται συνεχής παροχή ενέργειας. Μία μέθοδος για να επιτευχθεί αυτό είναι η εισαγωγή στο πλάσμα μιας δέσμης ουδέτερων σωματίων ισοτόπων του υδρογόνου (Neutral Beam Heating). Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη μιας μεθόδου παραγωγής δέσμης ουδέτερων σωματίων υδρογόνου μέσω της παραγωγής, επιτάχυνσης και εξαγωγής αρνητικών ιόντων υδρογόνου ιόντων από μια μαγνητικά μονωμένη δίοδο. Στην παρούσα εργασία γίνεται προσομοίωση της διόδου λαμβάνοντας υπόψη τις διάφορες γεωμετρικές και φυσικές παραμέτρους αυτής (εφαρμοζόμενη διαφορά δυναμικού, ένταση μαγνητικού πεδίου) καθώς και του πλάσματος που δημιουργείται μέσα της (θερμοκρασία, είδος και πυκνότητα σωματιδίων) και εκτελούνται αριθμητικοί υπολογισμοί για την επιτάχυνση και την εξαγωγή μιας δέσμης αρνητικών ιόντων. Το πλάσμα της καθόδου από το οποίο εξάγονται τα ιόντα μπορεί να παραχθεί από αλληλεπίδραση λέιζερ με cluster ενώ η μαγνητική μόνωση χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό αρνητικών ιόντων και ηλεκτρονίων. Ένα αριθμητικό μοντέλο δύο ρευστών σε κυλινδρική γεωμετρία περιγράφει την χωροχρονική εξέλιξη των αρνητικών ιόντων και των ηλεκτρονίων μέσα στην δίοδο. Τα αποτελέσματα του κώδικα χρησιμοποιούνται για επιβεβαίωση πειραματικών δεδομένων που αφορούν παλμικές συσκευές υψηλής ενέργειας και υψηλού ρεύματος αρνητικών ιόντων από την διεθνή βιβλιογραφία, προκειμένου να διερευνηθούν οι φυσικές διαδικασίες της εξαγωγής και επιτάχυνσης της δέσμης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο κώδικας παράγει αποτελέσματα που βρίσκονται σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα στις αντίστοιχες φυσικές και γεωμετρικές παραμέτρους. Η χρήση λέιζερ προτείνεται επίσης ως μέσο ουδετεροποίησης της δέσμης των αρνητικών ιόντων προς παραγωγή ουδετέρων, με την μέθοδο της φωτο-απόσπασης, με σκοπό αφ' ενός την μεγαλύτερη απόδοση της διάταξης και αφ' ετέρου την επαναχρησιμοποίηση του ίδιου συστήματος λέιζερ τόσο για την παραγωγή του πλάσματος όσο και για την ουδετεροποίηση της δέσμης, με σκοπό την οικονομία κλίμακος. Η πρωτοτυπία της παρούσης εργασίας συνίσταται στο ότι ενώ οι σχετικές επιστημονικές μέθοδοι είναι θεμελιωμένες εδώ και χρόνια, δεν έχουν προταθεί ξανά για εφαρμογή σε μηχανές Tokamak, ενώ γίνεται φανερό ότι παρέχουν συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες για την θέρμανση πλάσματος. Η συμβολή στην επιστήμη συνίσταται στην απόδειξη με τη βοήθεια των προσομοιώσεων και της σύγκρισης με πειραματικά αποτελέσματα ότι η μαγνητικά μονωμένη δίοδος μπορεί να παραγάγει μεγάλης ισχύος ουδέτερες δέσμες υδρογόνου ή δευτερίου από ουδετεροποίηση μεγάλης ενέργειας και μεγάλου ρεύματος δέσμης αρνητικών ιόντων.