Le National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) a réussi à révéler le flux d'ions hydrogène négatifs en utilisant une combinaison de lasers infrarouges et de sondes électrostatiques dans le plasma source d'ions, qui génère un faisceau d'ions hydrogène négatifs. C'est la première fois dans le domaine de la recherche sur la fusion que le flux d'ions détaillé, qui change de direction et se déplace vers la direction du faisceau dans la source d'ions, a été démontré expérimentalement.

Contexte de la recherche

L'injection de faisceau neutre (NBI) est une méthode permettant d'augmenter la température du plasma et de piloter des courants dans des plasmas de fusion à confinement magnétique en injectant des faisceaux neutres d'hydrogène/deutérium. Lorsque la taille du plasma augmente, une énergie de faisceau plus élevée est nécessaire pour déposer des faisceaux neutres dans la région centrale du plasma confiné. L'efficacité de neutralisation du faisceau d'ions positifs hydrogène/deutérium accéléré avec le NBI conventionnel diminue fortement avec une énergie de plus de 100 keV. D'autre part, les faisceaux négatifs d'ions hydrogène/deutérium maintiennent l'efficacité de neutralisation indépendante de l'énergie d'environ 60 %. Par conséquent, Les INB à base d'ions négatifs sont indispensables pour les dispositifs récents de confinement de plasma à grande échelle. Afin de construire un NBI à base d'ions négatifs avec une énergie de 190 keV, Les chercheurs du NIFS ont lancé avec succès le développement des sources d'ions négatifs.

Deux améliorations significatives ont été apportées à la source d'ions négatifs NIFS. L'un est l'amélioration du courant d'ions négatifs en optimisant la configuration magnétique pour le confinement du plasma dans la source d'ions. La deuxième amélioration est le développement d'un accélérateur de faisceau original équipé de l'électrode fente-ouverture, dont la transparence du faisceau est deux fois supérieure à celle de l'électrode à ouverture circulaire classique. En combinant ces deux idées innovantes, les performances d'injection de faisceau les plus élevées au monde ont été obtenues avec une puissance de faisceau de 6,9 ​​MW à une énergie de faisceau de 190 keV, comme le montre la figure 1.

Complément d'enquête, cependant, est nécessaire pour obtenir des performances et une stabilité plus élevées pour la source d'ions négatifs avancée à adopter pour les futurs dispositifs de fusion. En outre, la taille de la source d'ions est trop grande pour appliquer une approche par essais et erreurs. L'approche d'échelle n'est pas applicable non plus, parce que le libre parcours moyen d'un électron est beaucoup plus court que la source d'ions réelle pour le NBI et qu'une source d'ions dont la taille est inférieure au libre parcours moyen a des caractéristiques différentes. Ces évolutions classiques deviennent difficiles pour réaliser des progrès significatifs de performance. Pour cette raison, le groupe NIFS NBI a lancé des recherches axées sur le comportement des ions hydrogène négatifs à l'intérieur du plasma source d'ions.

Dans le cas de la source d'ions négatifs, la petite quantité de césium est injectée dans la source d'ions et la surface adsorbée en césium de la soi-disant « électrode à plasma » s'active pour transférer l'électron aux atomes d'hydrogène et aux ions positifs hydrogénés qui entrent en collision sur la surface. Comme le montre la figure 2, ces particules sont converties en ions négatifs à la surface et sont reculées dans le sens opposé à la direction du faisceau. Le mécanisme par lequel les ions hydrogène négatifs changent la direction de leur vitesse et sont extraits sous forme de faisceau n'a pas été clarifié. De plus, il n'a pas non plus été clarifié à partir de quelle partie de la surface de l'électrode à plasma l'ion hydrogène négatif est extrait sous forme de faisceau. A ce point, concernant les procédés concernant la production de faisceaux par extraction d'ions hydrogène négatifs, bien que de nombreuses simulations aient été réalisées, parce que de nombreux processus physiques sont liés à cette question, nous n'avons toujours pas obtenu de résultats qui aideront à expliquer les résultats expérimentaux.

Résultats de recherche

Dans la grande source d'ions hydrogène négatifs du NIFS, différents types de diagnostics sont disponibles pour mesurer la densité d'ions hydrogène négatifs, Densité d'électron, et d'autres quantités. Ces grandeurs physiques peuvent être mesurées spatialement et temporellement en détail. Les comportements des ions hydrogène négatifs peuvent être clarifiés sous l'extraction du faisceau. Jusqu'ici, ces comportements avaient été difficiles à mesurer expérimentalement.

Accompagnant l'extraction du faisceau, la distribution spatiale du flux des ions hydrogène négatifs a été étudiée en mesurant le flux des ions hydrogène négatifs à l'aide d'une sonde électrostatique de type composé avec quatre électrodes de type aiguille irradiées par impulsion laser.

Ces opérations ont été menées à de nombreux endroits, et, lors de l'extraction du faisceau, nous avons étudié comment le flux d'ions hydrogène négatifs a changé. Dans les résultats de cette enquête, il a été clarifié expérimentalement que les ions hydrogène négatifs générés à l'électrode à plasma se déplacent loin de l'électrode, faire ensuite demi-tour, et s'écouler vers le trou d'extraction du faisceau où le champ d'extraction du faisceau est appliqué (voir la figure 3). Cette caractéristique des ions négatifs n'avait jamais été observée avant cette expérience. Clarifier la configuration détaillée du flux d'ions hydrogène négatifs est un résultat précieux pour la recherche en physique et en technologie.

Ce résultat de recherche a été présenté lors de la 26e Conférence sur l'énergie de fusion de l'Association internationale de l'énergie atomique (AIEA) qui s'est tenue à Kyoto, Japon du 17 au 22 octobre, 2016. En plus d'avoir réussi à améliorer les performances de la source d'ions hydrogène négatifs, nous avons clarifié les phénomènes physiques expérimentalement détaillés liés au plasma source d'ions négatifs en utilisant de nombreux diagnostics pour étudier le plasma source d'ions négatifs dans de nombreuses directions. Ces résultats ont été évalués de manière exhaustive, et a reçu le prix NIBS au 5e Symposium international sur les ions négatifs, Faisceaux et sources tenus à Oxford, Angleterre du 12 au 16 septembre, 2016.

Importance de la recherche

En appliquant la méthode développée dans cette recherche, la mesure du flux d'ions négatifs à des endroits encore plus proches de l'électrode à plasma est possible pour clarifier un mécanisme plus détaillé des ions négatifs extraits sous forme de faisceau. Le résultat fournit une ligne directrice pour améliorer les performances de la source d'ions négatifs ainsi qu'une contribution importante au domaine de la simulation liée au plasma source d'ions. Les faisceaux d'ions négatifs sont largement utilisés non seulement dans la recherche sur la fusion mais aussi dans les applications médicales, la physique des particules, et la propulsion des engins spatiaux. Les effets d'entraînement de ces résultats expérimentaux et les méthodes de diagnostic nouvellement développées dans cette recherche devraient contribuer à ces développements de recherche.