中性粒子ビーム入射

中性粒子ビーム入射（NBI ）は、核融合装置内のプラズマを加熱するために使用される方法の1つであり、磁気閉じ込め場に入ることができる高エネルギー中性粒子のビームで構成されています。これらの中性粒子は、プラズマ粒子との衝突によってイオン化されると、閉じ込め磁場によってプラズマ内に保持され、プラズマとのさらなる衝突によってエネルギーの大部分を伝達することができます。トーラスへの接線方向の入射により、中性粒子はプラズマに運動量と電流駆動も提供します。これは、燃焼プラズマの長パルスに不可欠な機能の1つです。中性粒子ビーム入射は柔軟で信頼性の高い技術であり、さまざまな核融合装置の主な加熱システムとなっています。現在まで、すべてのNBIシステムは正の前駆体イオンビームに基づいていました。 1990 年代には、 LHD (H ⁰、180 keV) とJT-60U (D ⁰、500 keV)にマルチメガワットの負イオンベースの NBI システムが構築され、負イオン源と加速器の分野で目覚ましい進歩がありました。ITER向けに設計された NBI は大きな課題であり^[1] (D ⁰、1 MeV、40 A)、 ITER の将来の運用を見据えてその性能を最適化するプロトタイプが構築されています^{[2] 。核融合用にプラズマを加熱する他の方法には、} RF加熱、電子サイクロトロン共鳴加熱 (ECRH)、イオンサイクロトロン共鳴加熱(ICRH)、および低域混成共鳴加熱(LH)があります。

これは通常、次のように行われます。

1. プラズマを作る。 これは低圧ガスをマイクロ波で加熱することで実現できます。
2. 静電イオン加速。これは、正に帯電したイオンを負のプレートに向かって落下させることで行われます。イオンが落下すると、電界が作用してイオンが溶融温度まで加熱されます。
3. 反対の電荷を追加することで、高温プラズマを再度中和します。これにより、電荷のない高速移動ビームが得られます。
4. 高速で移動する熱い中性ビームを機械に注入します。

プラズマに中性物質を注入することは非常に重要です。なぜなら、中性物質が帯電していると、有害なプラズマ不安定性を引き起こす可能性があるからです。ほとんどの核融合装置は、純粋な重水素または重水素と三重水素の混合物など、水素の同位体を注入します。この物質は核融合プラズマの一部になります。また、装置内の既存のプラズマにエネルギーを伝達します。この高温の物質の流れにより、全体の温度が上昇します。ビームはプラズマに入るときには静電気を帯びていませんが、プラズマを通過すると原子がイオン化されます。これは、ビームがプラズマ内の既存のイオンに跳ね返るためです^[要出典]。

現在、すべての主要な核融合実験ではNBIが使用されています。従来の正イオンベースのインジェクター（P-NBI）は、例えばJET ^[3]やAUGに設置されています。大型の装置で燃焼プラズマの中心部に電力を蓄積するには、より高い中性ビームエネルギーが必要です。高エネルギー（> 100 keV）システムでは、負イオン技術（N-NBI）を使用する必要があります。

伝説

トーラス内部の磁場は円形であるため、これらの高速イオンは背景プラズマに閉じ込められます。前述の閉じ込められた高速イオンは、空気抵抗によって野球ボールが減速するのと同様に、背景プラズマによって減速されます。高速イオンからプラズマへのエネルギー伝達により、プラズマ全体の温度が上昇します。

高速イオンがエネルギーを蓄積するのに十分な時間プラズマ内に閉じ込められることは非常に重要です。磁気変動は、当初は整然としていた磁場を乱すことによって、この種の装置におけるプラズマ閉じ込めの大きな問題となります (プラズマ安定性を参照)。高速イオンがこの種の動作の影響を受けやすい場合、非常に速く逃げることができます。ただし、影響を受けにくいことを示す証拠もあります。^{[引用が必要]}

高速中性粒子とプラズマの相互作用は、

• プラズマ電子とイオンの衝突による電離、
• 新しく生成された高速イオンが磁場内で漂い、
• クーロン衝突（減速と散乱、熱化）による高速イオンとプラズマイオンおよび電子の衝突、または背景中性粒子との電荷交換衝突。

プラズマ中の中性粒子のイオン化の 吸着長はおよそ${\displaystyle \lambda}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {E}{18\cdot n\cdot M}},}$

以内m、粒子密度nの単位は10 ¹⁹ m ⁻³、原子質量Mの単位はamu、粒子エネルギーEの単位はkeVです。プラズマの短径と密度に応じて、中性ビームの最小粒子エネルギーを定義して、プラズマエッジではなくプラズマコアに十分な電力を付与することができます。核融合関連プラズマの場合、必要な高速中性エネルギーは1 MeVの範囲になります。エネルギーが増加すると、正イオンからなる前駆体ビームから高速水素原子を得ることがますます困難になります。そのため、最近および将来の加熱中性ビームは、負イオンビームをベースにします。バックグラウンドガスとの相互作用では、 1つの電子を正イオンに付着させるよりも、負イオンから余分な電子を分離する方がはるかに簡単です（H ⁻は結合エネルギーが0.75 eVで、このエネルギー範囲での電子分離の断面積が非常に大きい）。 ${\displaystyle \lambda}$

中性ビームは、一般に大型静電加速器で加速される前駆イオンビームを中性化することで得られる。前駆ビームは、正イオンビームでも負イオンビームでもよい。十分に高い電流を得るために、プラズマ放電から電荷を抽出して生成される。しかし、水素プラズマ放電では負の水素イオンはほとんど生成されない。十分に高い負イオン密度を生成し、適切な負イオンビーム電流を得るために、セシウム蒸気がプラズマ放電に追加される（表面プラズマ負イオン源）。^[5]イオン源の壁に堆積したセシウムは効率的な電子ドナーであり、セシウム化された表面で散乱された原子と正イオンは、負に帯電したイオンとして散乱される可能性が比較的高い。セシウム化されたイオン源の操作は複雑で、それほど信頼性が高くない。負イオンビーム源の代替概念の開発は、将来の核融合炉で中性ビームシステムを使用するために必須である。

既存および将来の負イオンベースの中性ビームシステム (N-NBI) を次の表に示します。

前駆体イオンビームの中和は、通常、ビームをガスセルに通すことによって行われる。^[6]核融合に関連するエネルギーの前駆体負イオンビームの場合、重要な衝突プロセスは以下のとおりである。^[7]

D ⁻ + D ₂ → D ⁰ + e + D ₂  （単一電子分離、 1 MeVで₋₁₀ =1.13×10 ⁻²⁰ m ²）${\displaystyle \sigma}$

D ⁻ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  （二電子分離、 1 MeVで₋₁₁ =7.22×10 ⁻²² m ²）${\displaystyle \sigma}$

D ⁰ + D ₂ → D ⁺ + e + D ₂  （再イオン化、 1 MeVで₀₁ =3.79×10 ⁻²¹ m ²）${\displaystyle \sigma}$

D ⁺ + D ₂ → D ⁰ + D ₂ ⁺  （電荷交換、1 MeVでは_{10は無視できる）}${\displaystyle \sigma}$

下線は高速粒子を示し、断面ij の_{下付き文字}i、jは衝突前後の高速粒子の電荷状態を示します。 ${\displaystyle \sigma}$

1 MeV での断面積は、一度生成されると高速正イオンを高速中性イオンに変換できないほどのものであり、これがガス中和装置の達成可能な効率が限​​られる原因です。

中和ガスセルから排出される負に帯電した粒子、正に帯電した粒子、および中性粒子の割合は、ビーム経路に沿ったガス密度を含む積分ガス密度またはターゲット厚さに依存します。D ⁻ビームの場合、最大の中和収率はターゲット厚さm ⁻²で発生します。 ${\displaystyle \tau =\int n\,dl,}$${\displaystyle n}$${\displaystyle l}$${\displaystyle \tau _{{\text{D}}^{-},{\text{1 MeV}}}\approx 1.4\cdot 10^{-16}}$

通常、バックグラウンドガス密度は、中和セル以外での損失を最小限に抑えるために、ビーム経路全体にわたって（つまり、加速電極内、核融合プラズマに接続するダクトに沿って）最小化される必要があります。したがって、中和に必要なターゲットの厚さは、両端が開いたセルにガスを注入することによって得られます。注入が長さの中央で行われると、セルに沿ってピークの密度プロファイルが実現されます。特定のガススループット[Pa·m ³ /s] の場合、セルの中心の最大ガス圧力は、ガスコンダクタンス[m ³ /s] によって決まります。 ${\displaystyle Q}$${\displaystyle C}$

${\displaystyle P_{0}=P_{\text{tank}}+{\frac {Q}{2C}},}$

分子流領域では次のように計算できる。 ${\displaystyle C}$

${\displaystyle C={\frac {9.7}{L/2}}{\sqrt {\frac {T}{m}}}{\frac {a^{2}\cdot b^{2}}{a+b}},}$

図に示されている幾何学的パラメータ、、ガス分子の質量、およびガス温度。 ${\displaystyle L}$${\displaystyle a}$${\displaystyle b}$${\displaystyle m}$${\displaystyle T}$

非常に高いガススループットが一般的に採用されており、中性粒子ビームシステムには史上最大級のカスタム真空ポンプが搭載されており、排気速度は毎秒数百万リットルの範囲です。^[8]スペースの制約がない場合、長いガスセルが採用されますが、高エネルギー中性子束から保護するバイオシールド内の容積が限られているため、将来のデバイスではこのソリューションが採用される可能性は低いです（たとえば、JT-60Uの場合、N-NBI中和セルの長さは約15メートルですが、 ITER HNBではその長さは3メートルに制限されています）。 ${\displaystyle L}$

• ITER 中性粒子ビーム試験施設

• PPPL の中性粒子ビーム入射装置を備えた熱核融合試験炉^{[永久リンク切れ‍ ]}
• ITERの補助加熱
• NBI技術に関するIPPウェブサイト