Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych uczestniczą w pracach nad rozwojem zaawansowanego modelu numerycznego źródła jonów ujemnych wykorzystywanego w eksperymencie SPIDER. Stanowisko SPIDER jest pełnowymiarowym prototypem źródła jonów dla systemu Neutral Beam Injection (NBI), który będzie odpowiadał za dogrzewanie plazmy w eksperymentalnym reaktorze termojądrowym ITER. Wyniki najnowszych badań zostały opublikowane w czasopiśmie Plasma Physics and Controlled Fusion.

Artykuł stanowi rezultat badań prowadzonych w ramach projektu „Wkład NCBJ w Porozumienie w sprawie budowy prototypowego urządzenia do dogrzewania plazmy wiązką atomów (NBTF) pomiędzy organizacją ITER (IO) a Consorzio RFX”. Jednym z kluczowych zadań realizowanych przez zespół NCBJ jest rozwój dwuwymiarowego modelu płynowego FSFS2D, opisującego procesy zachodzące w źródle jonów ujemnych eksperymentu SPIDER.

Badania te mają istotne znaczenie dla rozwoju technologii syntezy termojądrowej, ponieważ umożliwiają dokładniejsze modelowanie oraz optymalizację procesów zachodzących w wielkoskalowych źródłach jonów ujemnych stosowanych w systemach neutralnych wiązek atomowych (Neutral Beam Injection, NBI). Systemy NBI należą do podstawowych metod dogrzewania plazmy w eksperymentach fuzyjnych, takich jak ITER, i będą odgrywać równie ważną rolę w przyszłych elektrowniach termojądrowych.

– Opracowanie wiarygodnego modelu numerycznego pozwala lepiej zrozumieć transport cząstek i energii w źródle jonów oraz przewidywać wpływ parametrów pracy na wydajność produkcji i ekstrakcji jonów ujemnych. Takie narzędzie umożliwia optymalizację konstrukcji i warunków pracy systemów NBI bez konieczności wykonywania kosztownych badań eksperymentalnych – wyjaśnia prof. dr hab. Roman Zagórski z Zakładu Fizyki Detektorów i Diagnostyki Plazmy w Departamencie Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ, pierwszy autor publikacji.

W przedstawionej pracy rozszerzono możliwości modelu FSFS2D poprzez uwzględnienie równań energii dla wszystkich składników plazmy. Pozwoliło to na wyznaczenie rozkładów temperatur elektronów, jonów dodatnich i ujemnych oraz atomowego i cząsteczkowego wodoru, a także na ilościową analizę wymiany energii pomiędzy poszczególnymi składnikami plazmy. Model został zweryfikowany poprzez porównanie wyników obliczeń z dostępnymi danymi eksperymentalnymi uzyskanymi na urządzeniu SPIDER.

Przedstawione badania stanowią kolejny etap rozwoju modelu FSFS2D. W następnych pracach planowane jest uwzględnienie bardziej zaawansowanego opisu transportu ciężkich składników plazmy oraz udoskonalenie modelu powierzchniowej produkcji jonów H⁻ na siatce plazmowej. Rozwijane narzędzie będzie wspierać interpretację wyników eksperymentów prowadzonych na stanowisku SPIDER oraz optymalizację systemów NBI projektowanych dla ITER i przyszłych reaktorów termojądrowych.

Badania opisano w publikacji: Roman Zagorski et al., Effect of Neutral and Ion Temperatures in the 2D Fluid Model of the RF-Heated SPIDER Ion Source, Plasma Phys. Control. Fusion 68 075033, DOI: 10.1088/1361-6587/ae7f4f.