The neutral beam injection generate ultra-high temperature energy in the tokamak of nuclear fusion. The neutral beam injection make up arc power supply, filament power supply and acceleration & deceleration power supply. The arc power supply has characteristics of low voltage and high current. Arc power supply generate arc through constant output of voltage and current. So this paper proposed suitable buck converter for low voltage and high current. The proposed buck converter used parallel switch because it can be increased capacity and decrease conduction loss. When an arc generated, the neutral beam injection chamber occur high voltage. And it will break output capacitor of buck converter. Therefore the output capacitor was removed in the proposed converter. Thus the proposed converter should be designed for the characteristics of low voltage and high current. Also, the arc power supply should be guaranteed for system stability. The proposed parallel buck converter enables the system stability of the divided low output voltage and high current. The proposed converter with constant output be the most important design of the output inductor. In this paper, designed arc power supply verified operation of system and stability through simulation and prototype. After it is applied to the 288[kW] arc power supply for neutral beam injection.
The analysis on heat fluxed on and transmission efficiencies by the collimators of neutral beam injection lines in KSTAR tokamak device has been carried out. And a mathematical model describing non-Gaussian beam distribution profile has been established. A neutral beam injection device is composed of 3 separate ion sources and corresponding beam transport lines, which deal with 7.8 MW of beam power, respectively. The divergence angles of ion beam are $1.2^{\circ}$and $0.5^{\circ}$, in vertical and horizontal directions, respectively. The maximum normal heat load on source exit scraper is 9.1 kW/$\textrm{cm}^2$ and net beam transmission efficiency is ~28%. The effect of misalignment of ion source and scrapers on the scraper heat load and beam transmission also has been analyzed.
Two dimensional electrostatic model was used to investigate the interactions between beam electron and neutral plasma. It was found that results heavily depend on the beam density. When the beam electron density is lower than the ambient plasma beam density, many beam electrons exhibit vortex structure through beam-plasma interactions and can propagate into the ambient plasma easily from the injection area. On the other hand, when the beam density larget than that of the neutral ambient plasma, it was found that most of the beam electrons constitute return current and ion with much larger mass than that of the electron can be accelerated according to the magnetic field strength. Furthermore, as external field strength varies, it was found that propagation and interaction of the beam can show large dependence on it.
As an effective methods of plasma heating, neutral beam injection (NBI) systems based on negative hydrogen ion sources will be utilized in future magnetic-confinement nuclear fusion experiments. Because of the collisions between the fast negative ions and the neutral background gas, the positive ions are inevitable created in the acceleration region in the negative NBI system. These positive ions are accelerated back into the ion source and become high energy backstreaming ions. In order to explore the characters of backstreaming ions, the track and power deposition of backstreaming H+ beam is estimated using the experimental and simulation methods at NNBI test facility. Results show that the flux of backstreaming positive ions is 1.93 % of that of negative ion extraction from ion source, and the magnet filed in the beam source has an effect on the backstreaming positive ions propagation.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.27
no.6
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pp.50-58
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2013
The Neutral Beam Injection(NBI) generates ultra-high temperature energy in the tokamak of nuclear fusion. The NBI consists of filament power supply acceleration and deceleration power supply and arc power supply(APS). The APS has characteristics of low voltage and high current. APS generate arc through constant output of voltage and current. So this paper proposed suitable buck converter for low voltage and high current. The case of proposed buck converter used parallel switch because it can increase capacity and decrease conduction loss. When an arc is generated, the NBI chamber occur high voltage. And it will break output capacitor of buck converter. Therefore the output capacitor was removed in the proposed converter. Thus buck converter with constant output is the most important design of the output inductor. In this paper, designed APS verified operation of system and stability through simulation and prototype.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.550-551
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2013
Large-area RF-driven ion source is being developed at Germany for the heating and current drive of ITER plasmas. Negative hydrogen (deuterium) ion sources are major components of neutral beam injection systems in future large-scale fusion experiments such as ITER and DEMO. RF ion sources for the production of positive hydrogen ions have been successfully developed at IPP (Max-Planck- Institute for Plasma Physics, Garching) for ASDEX-U and W7-AS neutral beam injection (NBI) systems. In recent, the first NBI system (NBI-1) has been developed successfully for the KSTAR. The first and second long-pulse ion sources (LPIS-1 and LPIS-2) of NBI-1 system consist of a magnetic bucket plasma generator with multi-pole cusp fields, filament heating structure, and a set of tetrode accelerators with circular apertures. There is a development plan of large-area RF ion source at KAERI to extract the positive ions, which can be used for the second NBI (NBI-2) system of KSTAR, and to extract the negative ions for future fusion devices such as ITER and K-DEMO. The large-area RF ion source consists of a driver region, including a helical antenna (6-turn copper tube with an outer diameter of 6 mm) and a discharge chamber (ceramic and/or quartz tubes with an inner diameter of 200 mm, a height of 150 mm, and a thickness of 8 mm), and an expansion region (magnetic bucket of prototype LPIS in the KAERI). RF power can be transferred up to 10 kW with a fixed frequency of 2 MHz through a matching circuit (auto- and manual-matching apparatus). Argon gas is commonly injected to the initial ignition of RF plasma discharge, and then hydrogen gas instead of argon gas is finally injected for the RF plasma sustainment. The uniformities of plasma density and electron temperature at the lowest area of expansion region (a distance of 300 mm from the driver region) are measured by using two electrostatic probes in the directions of short- and long-dimension of expansion region.
Chang, Doo-Hee;Jeong, Seung Ho;Kim, Tae-Seong;Park, Min;Lee, Kwang Won;In, Sang Ryul
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.179.2-179.2
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2013
A large-area RF-driven ion source is being developed at Germany for the heating and current drive of ITER device. Negative hydrogen ion sources are major components of neutral beam injection (NBI) systems in future large-scale fusion experiments such as ITER and DEMO. The RF sources for the production of positive hydrogen ions have been successfully developed at IPP (Max-Planck-Institute for Plasma Physics), Garching, for the ASDEX-U and W7-AS neutral beam heating systems. Ion sources of the first NBI system (NBI-1) for the KSTAR tokamak have been developed successfully with a bucket plasma generator based on the filament arc discharge, which have contributed to achieve a good plasma performance such as 15 sec H-mode operation with an injection of 3.5 MW NB power. There is a development plan of RF ion source at the KAERI to extract the positive ions, which can be used for the second NBI system (NBI-2) of the KSTAR and to extract the negative ions for future fusion devices such as Fusion Neutron Source and Korea-DEMO. The development progresses of RF ion source at the KAERI are described in this presentation.
Filament power supply (FPS) for neutral beam injection (NBI) consists of an insulation type is a device that heats the interior of Tokamak. The input/output specifications of FPS are 3-phase AC 200[Vpeak] and DC16V/300A respectively. A conventional FPS is composed of a 3-phase diode rectifier with DC-link, a H-bridge DC/DC converter, a high frequency transformer, a secondary rectifier and a LC-filter. In this paper, to improve the efficiency of PSFB DC/DC converter it is substituted IGBT devices instead of diode rectifier in secondary side. The proposed method is verified by computer simulation and experiment result.
The NBI (Neutral BGeam Injection) System for the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) is composed of ion sources, neutralizers, bending magnets, ion dumps, and calorimeter. The vacuum chamber, in which all of the beam line components are enclosed, is composed of differential pumping system for the effective transfer of the neutral beams. The needed pumping speeds of each of the divided vacuum chamber and the optimized gas flow rate ot the neutralizer were calculated with the help of the particle balance equations. The minimum gas flow rate to the ion sources for producing needed beam current (120kV, 65A, 78MW), the pressure distributions in the vacuum chamber for minimizing re-ionization loss, and the beam loss rate on the beam line components were used as the input in the calculation. Also the scenario for short pulse operation was determined by analysing the time dependent equations. It showed that beam extraction during less than 0.5 sec could be made only with TMP.
Yalong Yang;Yong Wu;Lizhen Liang;Jianglong Wei;Rui Zhang;Yahong Xie;Wei Liu;Chundong Hu
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.4
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pp.1145-1152
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2024
To realize an initial objective of the negative ion-based neutral beam injection (N-NBI) at the Comprehensive Research Facility for Fusion Technology (CRAFT) test facility, which targets an H0 beam power of 2 MW at an energy of 200-400 keV and a pulse duration of 100 s, it is crucial to study the cesium dynamics of the negative ion source. Here a numerical simulation program CSFC3D is developed and applied to simulate the distribution and time dynamics of cesium during short pulses. The calculations show that most of the cesium on the plasma grid (PG) area originates from the release of cesium that is accumulated within the ion source in the plasma phase. Increasing the wall temperature reduces the loss of cesium on the wall of the ion source. Furthermore, the thickness of the cesium monolayer is directly influenced by the PG temperature. Both simulated and experimental results demonstrate that maintaining the PG temperature between 180 ℃ and 200 ℃ is essential for enhancing the performance of the ion source and optimizing the cesium behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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