Design study of a neutral beam injector for fusion DEMO plant at JAERI

原研における核融合発電実証プラント用中性粒子入射装置の設計研究

井上 多加志; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 西尾 敏; 坂本 慶司; 佐藤 正泰; 谷口 正樹; 飛田 健次; 渡邊 和弘; 発電実証プラント検討チーム

Inoue, Takashi; Hanada, Masaya; Kashiwagi, Mieko; Nishio, Satoshi; Sakamoto, Keishi; Sato, Masayasu; Taniguchi, Masaki; Tobita, Kenji; Watanabe, Kazuhiro; DEMO Plant Design Team

核融合発電実証プラント用中性粒子入射装置(NBI)について、発電実証炉で要求される性能を議論し、その実現への技術課題を検討した。大型プラズマの加熱・電流駆動を担う発電実証プラントのNBIは、これまで以上の高効率,高エネルギー,高信頼性・長寿命化が要求される。加速器には、高効率・高エネルギーの点から、静電加速方式の選択が現実的である。放射線環境での運転を考慮すると真空絶縁が不可欠であり、その設計ガイドラインから、ビームエネルギー1.52MeVが可能であることを示した。負イオン源の信頼性向上,長寿命化ためには、従来の大電流・高電流密度負イオン生成技術に立脚した、フィラメントレス・セシウムフリー負イオン源の開発が必要である。さらに、NBIシステムの効率を決める中性化方式については、従来のガス中性化(効率60%)では要求性能を満足し得ず、中性化効率80%以上のプラズマ中性化等が必要となる。最近、高効率・連続運転の可能な高出力半導体レーザーが製品化されており、これを用いて中性化効率90%以上を実現するレーザー中性化セルの概念を提案する。

Requirement and technical issues of the neutral beam inejctor (NBI) is discussed for fusion DEMO plant. The NBI for the fusion DEMO plant should be high efficiency, high energy and high reliability with long life. From the view point of high efficiency, use of conventional electrostatic accelerator is realistic. Due to operation under radiation environment, vacuum insulation is essential in the accelerator. According to the insulation design guideline, it was clarified that the beam energy of 1.52 MeV is possible in the accelerator. Development of filamentless, and cesium free ion source is required, based on the existing high current/high current density negative ion production technology. The gas neutralization is not applicable due to its low efficiency (60%). R&D on an advanced neutralization scheme such as plasma neutralization (efficiency: 80%) is required. Recently, development of cw high power semiconductor laser is in progress. The paper shows a conceptual design of a high efficiency laser neutralizer utilizing the new semiconductor laser array.