Helium enrichment in the exhaust gas stream flowing from a hydrogen-helium plasma is studied using an analytical theory and Monte Carlo simulations. To provide a sensitive experimental test in a tokamak, an unusual configuration, inverted from traditional designs, is proposed for a pump limiter. The principle can be tested in other plasma devices as well. The theory suggests that for typical plasma edge conditions i n a confinement device, namely n = 1013cm−3 and Ti = Te ≅ 5–30 eV, helium enrichment in the neutral gas exhaust stream can be very high, in the range 5–7, relative to the helium-hydrogen ratio in the plasma. Such high enrichment factors are achieved by exploiting the difference between the ionization rates of hydrogen and helium and the negligible helium charge-exchange rate at these plasma conditions. A limiter arrangement is proposed in which the natural curvature of the toroidal magnetic field is used to isolate, using the plasma itself, the point of plasma neutralization from the location of the gas exhaust. The plasma region then acts to preferentially screen the recycling hydrogen by the processes of ionization and of charge-exchange-induced losses at open boundaries. Theory and analysis suggest that an experiment can provide a sensitive test of models used to describe the plasma edge and of the atomic and surface physics data used in these models.
水素-ヘリウムプラズマから流出する排気ガス流中のヘリウム濃縮を、解析理論とモンテカルロシミュレーションを用いて研究する。トカマクにおける高感度な実験的検証を提供するため、従来の設計から逆転した特異な構成のポンプリミターが提案される。この原理は他のプラズマ装置でも検証可能である。理論は、閉じ込め装置における典型的なプラズマ端部条件、すなわちn = 10¹³cm⁻³およびTi = Te ≅ 5–30 eVにおいて、中性ガス排気流中のヘリウム濃縮が、プラズマ中のヘリウム-水素比に対して5–7の範囲の非常に高い値になり得ることを示唆する。このような高い濃縮係数は、水素とヘリウムの電離率の差と、これらのプラズマ条件下でのヘリウムの無視できる電荷交換率を利用することによって達成される。プラズマ領域が、電離過程と開放境界における電荷交換誘起損失によって、リサイクリング水素を優先的に遮蔽するように機能する、トロイダル磁場の自然な曲率を用いて、プラズマ中性化点をガス排気位置から分離するリミター構成が提案される。理論と解析は、実験がプラズマ端部を記述するために用いられるモデルと、これらのモデルで使用される原子・表面物理データの高感度な検証を提供し得ることを示唆する。