На стенде инжектора нейтралов высокой энергии Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) впервые получен пучок отрицательных ионов с энергией более 240 кэВ. В инжекторе пучок высокоэнергетичных атомов образуется за счет нейтрализации ускоренного пучка отрицательных ионов водорода. В институте построен и исследуется прототип инжектора, с помощью которого отрабатывается технологию получения пучка атомов высокой энергии для нагрева плазмы в установках УТС и подтвердить его высокую надежность и эффективность работы. Результаты проведенных работ по созданию и исследованию прототипа многократно докладывались на международных конференциях по источникам ионов и мощным пучкам и опубликованы в рецензируемых журналах AIP Conference Proceedings и Review of Scientific Instruments.

Высоковольтный инжектор. Автор фото А. Санин

Стенд инжектора нейтралов высокой энергии. Фото А. Санин. 

Одна из задач в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу – это эффективный нагрев плазмы. Например, в строящемся международном экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР требуется нагреть плазму до 150 миллионов градусов. Наиболее эффективным методом нагрева является инжекция пучка быстрых атомов, который получают ускорением ионов водорода до высокой энергии с их последующей нейтрализацией и превращением в пучок быстрых атомов. В настоящее время подобная технология нагрева быстрыми пучками испытывается на нескольких крупных термоядерных установках в Европе и Японии, и является наиболее перспективной для применения в термоядерной энергетике будущего.

В ИЯФ СО РАН разработан прототип мощного высоковольтного инжектора нейтрального пучка, основанный на ускорении отрицательных ионов водорода и его эффективной нейтрализации в обдирочной мишени. Пучок отрицательных ионов создается в источнике отрицательных ионов оригинальной конструкции и ускоряется в его ионно-оптической системе до энергии 120 кэВ. После прохождения вакуумной линии транспортировки пучок поступает на вход высоковольтного ускорителя.

Как пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН к.ф.-м.н. Андрей Санин, между ионным источником и ускорительной трубкой расположена линия транспортировки пучка низкой энергии (LEBT). «Эта линия, – отметил он, – является отличительной чертой нашего проекта. Проходя через нее, пучок ионов из источника очищается от сопутствующих частиц и потока газа перед входом в ускорительную трубку. Это снижает нагрузку на высоковольтный выпрямитель, уменьшает тепловыделение и увеличивает надёжность работы ускорительной трубки».

В 2020 г. были успешно проведены эксперименты по транспортировке через LEBT пучка с током 0.65 А и энергией 85 кэВ и его доускорению в ускорительной трубке до энергии 242 кэВ.

«Увеличение энергии ускоренного пучка, – прокомментировал Андрей Санин, – проходит по мере ввода в эксплуатацию секций высоковольтного выпрямителя, питающего ускорительную трубку. В этом году мы включили первую секцию выпрямителя с выходным напряжением до 180 кВ. При этом типичная длительность пучка в первых тестовых экспериментах составляла 2.5 секунд. В следующем году мы планируем увеличить энергию ускоренного пучка до 330 кэВ, повысить длительность импульса и ток ускоренных отрицательных ионов».