Metody-nagreva-plazmy (1)

1.

Методы
нагрева
плазмы
Основные технологии для достижения температур, необходимых в
установках управляемого термоядерного синтеза
Петренко Владислав 0А32

2.

Обзор методов нагрева
Современные установки используют комплексный подход, объединяя несколько методов нагрева для достижения
необходимых параметров плазмы. Каждый метод обладает уникальными характеристиками энергопередачи и
эффективности, позволяя оптимизировать конфинмент и динамику плазмы в различных режимах работы реактора.
Нейтральные пучки
Инжекция высокоэнергетических
Омический нагрев
атомов в плазму
Прямое нагревание электрическим
током через сопротивление
плазмы
РФ нагрев
Резонансное поглощение
радиочастотного излучения
плазмой

3.

Омический нагрев
Принцип: Омический нагрев основан на законе Джоуля — преобразовании электрической энергии в тепло при прохождении тока
через сопротивляющуюся среду. Индукционная катушка генерирует переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в
плазме, вызывая её разогрев до температур миллионов градусов.
Достоинства
Ограничения
Надёжная, проверенная технология
Ограниченная максимальная температура
Относительно простая реализация
Требует частого переподключения
Эффективен на начальных стадиях
Недостаточен для синтеза один

4.

Омический нагрев:
параметры
1-10
~10-20
1-5
Температура
плазмы
Типичная
длительность
Эффективность
нагрева
Миллионы Кельвин
Секунды импульса
Процент от МВт
Омический нагрев способен разогревать плазму до 1-10 млн К. Однако для достижения
условий термоядерного синтеза необходимо дополнительное нагревание
дополнительными системами.

5.

Инжекция нейтральных пучков (NBI)
Нейтральные атомы ускоряются до энергий 50-500 кэВ и инжектируются в плазму. Атомы
ионизуются в магнитном поле и передают свой импульс и энергию заряженным частицам плазмы
через процесс торможения и рассеяния.
01
Ускорение атомов
Ионы разгоняются в ускорителе
02
Нейтрализация
Пучок восстанавливается для нейтральности
03
Инжекция
Атомы проникают в плазму
04
Нагрев
Ионизация и передача энергии

6.

NBI: преимущества и
применение
Основные преимущества
Технические
характеристики
Высокая энергия
Энергия пучка: 50-500 кэВ
инжектируемых частиц
Мощность: до 50+ МВт
Эффективная передача
КПД системы: 40-50%
Требует сложной вакуумной
энергии
Обеспечивает центральный
нагрев
Может работать долгое
время
системы

7.

Радиочастотный нагрев (RF)
РФ нагрев базируется на резонансном поглощении электромагнитного излучения плазмой. На частотах циклотронного резонанса или
гибридного резонанса волны эффективно передают энергию заряженным частицам, нагревая плазму и модифицируя её профиль
температуры.
ICRH нагрев
ECRH нагрев
LH волны
Циклотронное резонансное нагревание
Электронный циклотронный резонанс
Нижнегибридные волны для нагрева и
ионов на высоких частотах
на микроволновых частотах
тока

8.

РФ нагрев: характеристики
Радиочастотный нагрев обеспечивает локализованное, гибко
управляемое нагревание плазмы, позволяя достигать требуемых
параметров для стабильного конфинмента и синтеза.
Частотный диапазон
ICRH: 25-100 МГц, ECRH: 50-250 ГГц, LH: 1-10 ГГц
Мощность и эффективность
20-50 МВт с КПД 50-70%, зависит от типа и конфигурации
Особенности
Требует калибровки под резонансные условия, обеспечивает
селективный нагрев

9.

Сравнение методов нагрева

10.

Интегрированный подход к нагреву
Современные установки УТС (ITER, SPARC) используют комбинацию всех методов нагрева для достижения необходимых параметров
плазмы:
Инициализация
1
Омический нагрев для начального разогрева плазмы
Основной нагрев
2
NBI и RF системы для достижения температур синтеза
Оптимизация
3
Селективный РФ нагрев для управления профилем температуры
Стабилизация
4
Интегрированное управление для поддержания устойчивых
условий