Il National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) è riuscito a rivelare il flusso di ioni idrogeno negativi utilizzando una combinazione di laser a infrarossi e sonde elettrostatiche nel plasma sorgente di ioni, che genera un fascio di ioni idrogeno negativo. Questa è la prima volta nel campo della ricerca sulla fusione che il flusso ionico dettagliato, che cambia direzione e si sposta verso la direzione del raggio nella sorgente ionica, è stato dimostrato sperimentalmente.

Contesto della ricerca

La Neutral Beam Injection (NBI) è un metodo per aumentare la temperatura del plasma e guidare le correnti nei plasmi di fusione magneticamente confinati iniettando fasci di idrogeno/deuterio neutri. All'aumentare delle dimensioni del plasma, è necessaria una maggiore energia del fascio per depositare fasci neutri nella regione centrale del plasma confinato. L'efficienza di neutralizzazione del fascio di ioni idrogeno/deuterio positivo accelerato con l'NBI convenzionale diminuisce drasticamente con un'energia superiore a 100 keV. D'altra parte, i fasci di ioni idrogeno/deuterio negativi sostengono l'efficienza di neutralizzazione indipendente dall'energia di circa il 60%. Di conseguenza, NBI basati su ioni negativi sono indispensabili per i recenti dispositivi di confinamento al plasma su larga scala. Per costruire NBI a base di ioni negativi con energia di 190 keV, I ricercatori NIFS hanno aperto la strada con successo allo sviluppo delle sorgenti di ioni negativi.

Sono stati apportati due miglioramenti significativi alla sorgente di ioni negativi NIFS. Uno è il miglioramento della corrente di ioni negativi ottimizzando la configurazione magnetica per il confinamento del plasma nella sorgente di ioni. Il secondo miglioramento è lo sviluppo di un originale acceleratore di raggio dotato dell'elettrodo di apertura a fessura, la cui trasparenza del fascio è due volte superiore a quella del convenzionale elettrodo ad apertura circolare. Combinando queste due idee innovative, le prestazioni di iniezione del fascio più elevate al mondo sono state raggiunte con la potenza del fascio di 6,9 MW all'energia del fascio di 190 keV, come mostrato in Fig. 1.

Ulteriori indagini, però, è necessario per ottenere prestazioni e stabilità più elevate per la sorgente di ioni negativi avanzata da adottare per i futuri dispositivi di fusione. Inoltre, la dimensione della sorgente ionica è troppo grande per applicare un approccio per tentativi ed errori. Neanche l'approccio di scala è applicabile, perché il percorso libero medio di un elettrone è molto più breve della sorgente di ioni effettiva per NBI e una sorgente di ioni con dimensioni inferiori al percorso libero medio ha caratteristiche diverse. Questi sviluppi convenzionali diventano difficili per ottenere progressi significativi nelle prestazioni. Per questa ragione, il gruppo NIFS NBI ha avviato una ricerca che si concentra sul comportamento degli ioni idrogeno negativi all'interno del plasma sorgente di ioni.

Nel caso della sorgente di ioni negativi, la piccola quantità di cesio viene iniettata nella sorgente ionica e la superficie assorbita dal cesio del cosiddetto "elettrodo al plasma" si attiva per trasferire l'elettrone agli atomi di idrogeno e agli ioni positivi idrogeno che si scontrano sulla superficie. Come mostrato in Fig. 2, queste particelle vengono convertite in ioni negativi sulla superficie e vengono riavvolte in senso opposto alla direzione del raggio. Il meccanismo di come gli ioni di idrogeno negativi cambiano la direzione della loro velocità e vengono estratti come un fascio non è stato chiarito. Inoltre, inoltre non è stato chiarito da quale parte della superficie dell'elettrodo al plasma viene estratto lo ione idrogeno negativo come fascio. A questo punto, per quanto riguarda i processi riguardanti la produzione del fascio attraverso l'estrazione di ioni idrogeno negativi, nonostante siano state effettuate numerose simulazioni, poiché numerosi processi fisici sono legati a questo problema, non abbiamo ancora ottenuto risultati che aiutino a spiegare i risultati sperimentali.

Risultati della ricerca

Nella grande sorgente di ioni idrogeno negativi al NIFS, sono disponibili vari tipi di diagnostica per misurare la densità di ioni idrogeno negativi, densità elettronica, e altre quantità. Queste grandezze fisiche possono essere misurate spazialmente e temporalmente in dettaglio. I comportamenti degli ioni idrogeno negativi possono essere chiariti sotto l'estrazione del fascio. Finora, questi comportamenti erano stati difficili da misurare sperimentalmente.

Accompagnando l'estrazione del raggio, la distribuzione spaziale del flusso degli ioni idrogeno negativi è stata studiata misurando il flusso degli ioni idrogeno negativi con l'utilizzo di una sonda elettrostatica di tipo composto con quattro elettrodi ad ago irradiati da impulso laser.

Queste operazioni sono state condotte in numerosi luoghi, e, durante l'estrazione del fascio, abbiamo studiato come cambia il flusso di ioni idrogeno negativi. Nei risultati di tale indagine, è stato chiarito sperimentalmente che gli ioni idrogeno negativi generati all'elettrodo al plasma si allontanano dall'elettrodo, successivamente fare un'inversione a U, e fluire verso il foro di estrazione del fascio in cui viene applicato il campo di estrazione del fascio (vedere la Figura 3). Questa caratteristica degli ioni negativi non è mai stata osservata prima di questo esperimento. Chiarire la configurazione dettagliata del flusso di ioni idrogeno negativi è un risultato prezioso per la ricerca sia fisica che tecnologica.

Questo risultato della ricerca è stato riportato alla 26a Conferenza sull'energia da fusione dell'Associazione internazionale per l'energia atomica (AIEA) tenutasi a Kyoto, Giappone dal 17 al 22 ottobre, 2016. Oltre a raggiungere il successo nel miglioramento delle prestazioni della sorgente di ioni di idrogeno negativo, abbiamo chiarito i fenomeni fisici sperimentalmente dettagliati relativi al plasma con sorgente di ioni negativi utilizzando numerosi strumenti diagnostici per studiare il plasma con sorgente di ioni negativi da numerose direzioni. Questi risultati sono stati valutati in modo completo, e ha ricevuto il NIBS Award al 5th International Symposium on Negative Ions, Travi e sorgenti tenutosi a Oxford, Inghilterra dal 12 al 16 settembre, 2016.

Significato della ricerca

Applicando il metodo sviluppato in questa ricerca, la misurazione del flusso di ioni negativi in ​​punti ancora più vicini all'elettrodo di plasma è possibile per chiarire il meccanismo più dettagliato degli ioni negativi estratti come fascio. Il risultato fornisce una linea guida per migliorare le prestazioni della sorgente di ioni negativi, nonché un importante contributo al campo della simulazione relativo al plasma con sorgente di ioni. I fasci di ioni negativi sono ampiamente utilizzati non solo nella ricerca sulla fusione ma anche nelle applicazioni mediche, fisica delle particelle, e propulsione per veicoli spaziali. Si prevede che gli effetti a catena di questi risultati sperimentali e i metodi diagnostici di nuova concezione in questa ricerca contribuiranno a questi sviluppi della ricerca.