In magnetic confinement fusion experiments, ion temperature is one of the key parameters affecting the fulfillment of Lawson’s criterion, the rate of reaction generation and the quality of confinement. Currently, the commonly used methods to diagnose ion temperature in magnetic confinement fusion devices include Langmuir probe, charge exchange recombination spectroscopy (CXRS) method, laser-induced fluorescence method, neutron yield and energy spectrum method, etc. However, these methods are generally characterized by the shortcomings of not being able to measure the ion temperature of the core, or needing to occupy the optical diagnostic window, or not being able to measure the temperature in real time, or only being able to measure the temperature of the plasma in the thermally-equilibrium state. How to diagnose the ion temperature of the core in future closed fusion reactors without optical diagnostic windows has become an important issue in Tokamak operation. By utilizing the characteristics of neutral beams mainly deposited in the plasma core and strong penetration ability of fusion neutrons, we establish a method for diagnosing core ion temperature using fusion neutron yield coupling under neutral beam injection conditions. This method can self consistently distinguish the contributions of thermonuclear neutrons and beam target neutrons, thereby achieving real-time measurement of ion temperature. First, the evaluated nuclear data file (ENDF) database is used as the baseline to perform fine velocity-group calculations. A temperature-dependent correction is then applied to the D–D fusion reaction cross section. This process yields a multi-temperature differential cross section database. Then, the ionization and slowing down process of deuterium atoms is calculated, which leads to the formation of a database of the neutron yields for the thermonuclear and the beam-target reaction. Finally, an iterative algorithm is designed to calculate the respective yields of the two types of neutrons and the ion temperatures in real time. The effects of yield and density input parameters on the applicability of the method were evaluated. Their influence on uncertainty amplification was also assessed. This method provides data support for the operation and parameter optimization of the Tokamak device. The method is demonstrated and validated using experimental data from the HL-3 tokamak.
磁場閉じ込め核融合実験において、イオン温度はローソン条件の達成、反応生成率、閉じ込めの質に影響を与える重要なパラメータの一つである。現在、磁場閉じ込め核融合装置におけるイオン温度の診断に一般的に用いられている方法には、ラングミュアプローブ、荷電交換再結合分光法(CXRS)、レーザー誘起蛍光法、中性子生成率及びエネルギースペクトル法などがある。しかしながら、これらの方法は一般に、中心部のイオン温度を測定できない、光学診断窓を占有する必要がある、温度をリアルタイムで測定できない、あるいは熱平衡状態にあるプラズマの温度しか測定できない、といった欠点を特徴とする。光学診断窓を持たない将来の閉鎖型核融合炉において中心部のイオン温度を如何に診断するかは、トカマク運転における重要な課題となっている。プラズマ中心部に主に堆積する中性粒子ビームの特性と、核融合中性子の強い透過能力を利用することにより、我々は中性粒子ビーム入射条件下での核融合中性子生成率カップリングを用いた中心部イオン温度診断法を確立する。この方法は、熱核中性子とビーム標的中性子の寄与を自己無撞着に区別することができ、それによりイオン温度のリアルタイム測定を実現する。まず、評価済み核データファイル(ENDF)データベースを基準として、微細速度群計算を実行する。次に、D-D核融合反応断面積に温度依存補正を適用する。この過程により、多温度微分断面積データベースが得られる。その後、重水素原子の電離及び減速過程が計算され、熱核反応及びビーム標的反応に対する中性子生成率のデータベースの構築につながる。最後に、2種類の中性子の各生成率とイオン温度をリアルタイムで計算するための反復アルゴリズムが設計される。生成率及び密度の入力パラメータが本手法の適用性に及ぼす影響が評価された。また、不確かさの増幅に対するそれらの影響も評価された。本手法は、トカマク装置の運転及びパラメータ最適化のためのデータサポートを提供する。本手法は、HL-3トカマクの実験データを用いて実証及び検証される。