Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ

ΣΧΟΛΗ ΜΠΔ

Θέμα:

«Μελέτη παραγωγής δέσμης αρνητικών ιόντων μεγάλου ρεύματος – μεγάλης ενέργειας και φωτο-ουδετεροποίησή της για τη χρήση σε αντιδραστήρες Tokamak»

Title:

«Study on the production of a high current – high power negative ion beam and its photo-neutralization for use in Tokamaks»

Επιβλέπων:

Αν. Καθηγητής Σ. Μουσταϊζής

Εξεταστική επιτροπή:

1. Μουσταϊζής Σταύρος, Αναπληρωτής Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης

2. Δελής Ανάργυρος, Αναπληρωτής Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης

3. Σωτηρόπουλος Δημήτριος, Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης

4. Αντωνιάδης Αριστομένης, Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης

5. Σταυρουλάκης Γεώργιος, Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης

6. Κονσολάκης Μιχαήλ, Αναπληρωτής Καθηγητής Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης

7. Λουκάκος Παναγιώτης, Ερευνητής Β' του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας

Περίληψη:

Για την θέρμανση του πλάσματος σε μια μηχανής πυρηνικής σύντηξης για παραγωγή καθαρής ενέργειας όπως οι ITER και DEMO, απαιτείται συνεχής παροχή ενέργειας. Μία μέθοδος για να επιτευχθεί αυτό είναι η εισαγωγή στο πλάσμα μιας δέσμης ουδέτερων σωματίων ισοτόπων του υδρογόνου (Neutral Beam Heating). Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στην ανάπτυξη μιας μεθόδου παραγωγής δέσμης ουδέτερων σωματίων υδρογόνου μέσω παραγωγής, επιτάχυνσης και εξαγωγής αρνητικών ιόντων υδρογόνου ιόντων από μια μαγνητικά μονωμένη δίοδο.

Στην παρούσα εργασία γίνεται μοντελοποίηση της λειτουργίας της διόδου για την εκτέλεση αριθμητικών προσομοιώσεων για επιτάχυνση και εξαγωγή δέσμης αρνητικών ιόντων. Το πλάσμα της καθόδου από το οποίο εξάγονται τα ιόντα μπορεί να παραχθεί από αλληλεπίδραση λέιζερ με cluster ενώ η μαγνητική μόνωση χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό αρνητικών ιόντων και ηλεκτρονίων. Ένα αριθμητικό μοντέλο δύο ρευστών σε κυλινδρική γεωμετρία περιγράφει την χωροχρονική εξέλιξη των αρνητικών ιόντων και των ηλεκτρονίων μέσα στην δίοδο. Τα αποτελέσματα του κώδικα χρησιμοποιούνται για επιβεβαίωση πειραματικών δεδομένων που αφορούν παλμικές συσκευές υψηλής ενέργειας και υψηλού ρεύματος αρνητικών ιόντων από την διεθνή βιβλιογραφία, προκειμένου να διερευνηθούν οι φυσικές διαδικασίες της εξαγωγής και επιτάχυνσης της δέσμης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο κώδικας παράγει αποτελέσματα που βρίσκονται σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα στις αντίστοιχες φυσικές και γεωμετρικές παραμέτρους. Η χρήση λέιζερ προτείνεται επίσης ως μέσο ουδετεροποίησης της δέσμης των αρνητικών ιόντων προς παραγωγή ουδετέρων, με την μέθοδο της φωτο-απόσπασης, με σκοπό αφ' ενός την μεγαλύτερη απόδοση της διάταξης και αφ' ετέρου την επαναχρησιμοποίηση του ίδιου συστήματος λέιζερ τόσο για την παραγωγή του πλάσματος όσο και για την ουδετεροποίηση της δέσμης, με σκοπό την οικονομία κλίμακος.

Η πρωτοτυπία της παρούσης εργασίας συνίσταται στο ότι ενώ οι σχετικές επιστημονικές μέθοδοι είναι θεμελιωμένες εδώ και χρόνια, δεν έχουν προταθεί ξανά για εφαρμογή σε μηχανές Tokamak, ενώ γίνεται φανερό ότι  παρέχουν συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες για την θέρμανση πλάσματος. Η συμβολή στην επιστήμη συνίσταται στην απόδειξη με τη βοήθεια των προσομοιώσεων ότι η μαγνητικά μονωμένη δίοδος μπορεί να παράξει μεγάλης ενέργειας και μεγάλου ρεύματος δέσμη αρνητικών ιόντων.

Abstract:

In order to heat the plasma confined in a clean energy fusion reactor power plant, like ITER and DEMO, large amounts of energy are required. One method to achieve this is to inject a neutral beam into the plasma. This thesis contributes to the development of a method to create a neutral hydrogen beam through the formation, acceleration and extraction of a negative ion hydrogen beam from a magnetically insulated diode.

This work involves modeling the operation of the diode and performing numerical calculations for the acceleration and extraction of the negative ions. The cathode plasma from which the ions are extracted can be produced by laser-cluster interaction, while the concept of magnetic insulation is used to separate negative ions from electrons. A 2-fluid 1-D code in cylindrical geometry describes the spatio-temporal evolution of the ions and the electrons inside the diode. Results from the code are tested against available experimental data from the international literature concerning pulsed-power devices with high current and high energy negative ions, in order to investigate the natural processes of the formation and extraction of the beam. The numerical results of the code are in good agreement with the experimental data using the appropriate physical and the geometrical parameters of the devices. The use of a laser is also proposed as a means to neutralize the negative ion beam with photo-detachment, in order to achieve greater efficiency and cut down costs by reusing equipment.

The innovation of this work is that while the relative technologies are long-established, they have not been proposed for use in Tokamaks despite the fact that they offer significant advantages compared to others when it comes to plasma heating. The contribution to science is constituted by proving via simulations that the magnetically insulated diode is a device that can produce a high energy and high current negative ion beam.

Τόπος: Αίθουσα συνεδριάσεων σχολής ΜΠΔ, Δ5.015

Έναρξη: 30/10/2019 13:00

Λήξη: 30/10/2019 14:00