Способ термометрии термоядерной плазмы

Изобретение относится к ядерной физике и физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе для термометрии термоядерной плазмы, при разработке диагностических приборов для управляемого термоядерного синтеза. Предложен способ измерения температуры ионов в D-T плазме, который включает регистрацию нейтронов из D-T плазмы нейтронным детектором, использование сигналов детектора для формирования энергетического спектра нейтронов, измерение его ширины на полувысоте ΔЕ_n и вычисление по величине ΔЕ_n температуры ионов Т_P. При этом регистрацию нейтронов из D-T плазмы проводят газовым пропорциональным детектором, заполненным тормозным газом и спектрометрическим газом, для которого возможны реакции (n, α) на его изотопных составляющих под действием нейтронов с соответствующими энергиями из D-T плазмы. При этом для формирования энергетического спектра нейтронов используют доплеровское уширение нейтронного спектра из-за теплового движения центра масс дейтерия и трития в лабораторной системе координат, причем токовые сигналы детектора изменяются пропорционально изменениям энергетического хода сечения (n, α) - реакции при доплеровском уширении. Технический результат - повышение точности измерения температуры ионов в D-T плазме. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к ядерной физике и физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе для термометрии термоядерной плазмы, при разработке диагностических приборов для управляемого термоядерного синтеза. Контроль температуры Т_Р необходим для оперативного управления процессом подогрева плазмы от внешних источников энергии.

Для плазмы с ионной температурой в диапазоне 20-30 кэВ уширение энергетического распределения нейтронов ΔЕ_т определяется температурой ионов Т_Р соотношением [Brysk Н. Fusion neutron energies and spectra. Plasma Physics. 1973. V. 15. P. 611]:

где ΔEn и T_P выражены в кэВ. В работе [Krasilntkov A.V.. Amosov V.N., Van Belle P. et al. // Nucl. Instr. Meth. 2002. V. A476. P. 500-505] показано, что в случае Макссвеловской плазмы нейтронный спектр вблизи 14 МэВ имеет Гауссову форму. При этом ширина энергетического распределения нейтронного импульса ΔEn связана с температурой плазмы Т_р. Сечение ядерной реакции, результатом которой является образование инертного радиоактивного газа, зависит от энергии налетающих нейтронов.

Таким образом, измерив полуширину гауссового распределения нейтрального спектра, можно получить и величину температуры ионов плазмы.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ измерения ΔEn и температуры ионов T_P в D-T плазме с помощью детектора на основе эффекта Брегга [С.Г. Лебедев, В.O. Янц. Способ измерения температуры ионов в D-T плазме. Патент РФ 2673783 (2018)]. Принцип действия данного детектора основан на регистрации распадов продуктов термоядерного синтеза альфа-частицы и остаточного ядра. Указанные продукты производят ионизацию газовой смеси в пропорциональном счетчике, причем производится отбор треков полностью уложившихся в объеме счетчика до полной остановки за счет эффекта Брегга. Термический нагрев плазмы при реакции синтеза вызывает уширение линии нейтронного спектра, которое непосредственно определяется при анализе токовых сигналов пропорционального счетчика. Недостатком указанного метода детектирования является высокая фоновая загрузка счетчика вблизи активной зоны термоядерного реактора, а также сложная процедура отбора треков продуктов ядерных реакций.

Заявляемый в качестве изобретения, способ измерения температуры ионов в D-T плазме направлен на повышение достоверности результатов, удешевление, расширение возможностей и обеспечение повышения его эффективности за счет значительного удешевления используемого детектора нейтронов, возможности эффективного использования в условиях сильных электромагнитных помех, оптимизации эффективности за счет использования удаленного от области реакций счетчика и его защиты от фоновых излучений. Данный технический результат достигается благодаря использованию известного газового радиохимического метода детектирования нейтронов [Э.А. Коптелов, С.Г. Лебедев, В.Э. Янц Радиохимический способ мониторирования потока быстрых нейтронов. Патент РФ №2286586 (2006)]. Указанный метод практически свободен от влияния фоновых событий благодаря его «заточенности» на вполне определенную ядерную реакцию и определенный продукт - инертный радиоактивный газ.

Доплеровская добавка к энергии (1) изменяет сечение ядерной реакции. Если такое изменение величины сечение происходит достаточно резко, то оно отражается на скорости счета распадов инертного радиоактивного газа. Как известно, температура плазмы ИТЭР будет составлять в энергетическом эквиваленте 10-15 кэВ, что, согласно соотношению (1) создаст доплеровское уширение нейтронного импульса ΔEn в диапазоне 563-790 кэВ, которое существенно изменит сечение ядерной реакции.

Сущность заявленного способа поясняется прилагаемыми примерами и чертежами.

В качестве примера рассмотрим ядерную реакцию 11 ⁴⁴Ca(n, α)⁴¹Ar из таблицы 1. Зависимость сечения указанной ядерной реакции от энергии изображено на фиг. 1. Как можно видеть интересующий диапазон энергий 13-15 МэВ соответствует восходящей ветви зависимости, а изменению энергии в диапазоне ΔEn=653-790 кэВ соответствует изменение сечения и скорости счета в 10-12% величины. Такое изменение скорости счета легко заметно. Таким образом, можно откалибровать счетчик по скорости счета, соответствующей величине температуры термоядерной плазмы. Вместо указанной реакции 11 из таблицы 1 можно использовать и другие указанные там реакции за исключением реакций со слишком коротким периодом полураспада итогового изотопа радиоактивного инертного газа, не позволяющим произвести измерения до распада соответствующего изотопа. К таковым относятся реакции 1-4 и, какой-то мере, 5-6 из таблицы 1. Интересно применить для термометрии термоядерной плазмы реакцию 9 ⁴⁰Са(n, α)³⁷Ar из таблицы 1. Здесь в интервале энергий 13-15 МэВ происходит спад сечения реакции 9, однако на интервале энергий ΔE_n изменение сечения более значительно по сравнению с реакцией 11 и составляет 15% (фиг. 2). Таким образом, с помощью реакции 9 можно проводить термометрию на спадающей ветви сечения. А для реакции 18 ¹³⁸Ва(n,α)¹³⁵Хе изменение сечения на интервале ΔEn составит и вовсе 25% (фиг. 3).

В качестве примера реализации заявленного способа может служить измерение спектра нейтронов из D-T реакции. Детектор облучают моноэнергетическими нейтронами D-T-генератора с энергией 14 МэВ. Пропорциональный детектор нейтронов представляет собой цельнокварцевую отпаянную конструкцию. Катодом детектора является слой пирографита, полученный разложением изобутана при температуре 950°С. Толщина слоя пирографита ~0.1 мкм. После получения слоя производят удаление пирографита (выжиганием в потоке кислорода) в тех местах, где он не нужен (изоляторы и т.п.). Контакт с катодом осуществляют через боковой капиллярный отвод с пирографитовым внутренним покрытием. С этим покрытием контактирует молибденовая фольга (толщина 10 мкм, ширина 1 мм), вваренная в кварцевое стекло. Аналогичная фольга является анодным выводом. Анодом является вольфрамовая проволока диаметром 20 мкм. Размеры детектора: длина - 250 мм; внутренний диаметр - 18 мм. Наполнение детектора: Хе (2 атм.) + CO² (2 атм).

Сигналы от детектора поступают на токовый предусилитель (Δf=800 МГц) и далее на цифровой осциллограф (с дискретизацией 2 нс). Оцифрованный сигнал записывается и интегрируется. Из интегралов таких сигналов формируют энергетическое распределение и каждые 50-100 миллисекунд определяются ΔEn и Ti.

Детектор содержит около 100 см³ СО² или 1.6×10²¹ атомов углерода. Сечение (n,α) - реакции при 14 МэВ составляет σ(n,α)~80 мб. Скорость счета нейтронов при единичном потоке составила N=(1.6×10²¹)×(8×10^-26)≈0.0001 отсчет/нейтр/см²с. При потоке нейтронов Ф~10⁶ нейтр/см² с скорость счета I~100 с^-1. При Q реакции ~6 МэВ остается 8 МэВ на ионизацию и при энергии создания пары ионов ~20 эВ образуется ~4×10⁵ пар. Тогда энергетическое разрешение составит ~10^-3.

Данный пример демонстрирует возможность использования газового пропорционального детектора нейтронов для измерения спектра нейтронов из D-T плазмы и температуры ее ионов.

Таким образом, использование настоящего изобретения обеспечивает повышение достоверности результатов, удешевление, расширение возможностей и повышение его эффективности за счет значительного удешевления детектора, возможности эффективного использования в условиях сильных электромагнитных помех, оптимизации эффективности за счет правильного выбора параметров детектора.

Способ измерения температуры ионов в D-T плазме, включающий регистрацию нейтронов из D-T плазмы нейтронным детектором, использование сигналов детектора для формирования энергетического спектра нейтронов, измерение его ширины на полувысоте ΔΕn и вычисление по величине ΔΕn температуры ионов Ti, отличающийся тем, что для формирования энергетического спектра нейтронов используют доплеровское уширение нейтронного спектра из-за теплового движения центра масс дейтерия и трития в лабораторной системе координат, при этом токовые сигналы детектора изменяются пропорционально изменениям энергетического хода сечения (n, α) - реакции при доплеровском уширении, причем для термометрии используются ядерные (n, α) - реакции с образованием инертных радиоактивных газов, которые обладают резким ростом сечения реакции на его восходящей ветви в диапазоне энергий нейтронов 0-14 МэВ, или ядерные (n, α) - реакции с образованием инертных радиоактивных газов, которые обладают резким спадом сечения реакции на его нисходящей ветви в диапазоне энергий нейтронов 0-14 МэВ.