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Development of the negative ion beams relevant to ITER and JT-60SA at Japan Atomic Energy Agency

原子力機構におけるITERおよびJT-60SAに向けた負イオンビームの開発

花田 磨砂也; 小島 有志; 戸張 博之; 錦織 良; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; 山納 康*; Grisham, L. R.*

Hanada, Masaya; Kojima, Atsushi; Tobari, Hiroyuki; Nishikiori, Ryo; Hiratsuka, Junichi; Kashiwagi, Mieko; Umeda, Naotaka; Yoshida, Masafumi; Ichikawa, Masahiro; Watanabe, Kazuhiro; Yamano, Yasushi*; Grisham, L. R.*

本論文は原子力機構(JAEA)で開発中の負イオンビームに関する最新結果を報告するものである。JAEAでは、国際熱核融合実験炉(ITER)およびJT-60SAの実現に向けて、それぞれ1MeV, 40A,3600秒および22A, 500keV, 100秒の重水素負イオンビームの開発を行っている。これらの負イオンビームを開発するために、ITERやJT-60SAの設計と同様、多段静電加速器とセシウム添加型負イオン源を開発している。静電加速器の開発においては、長時間加速をした開発を指向しており、その課題である加速電極の熱負荷を、イオンビームの軌道を制御することにより、許容値以下に低減した。その結果、負イオンの加速時間を、従来の1秒未満から試験装置の電源の限界である60秒まで進展させた。また、セシウム添加型負イオン源の開発においては、大電流負イオンビームの長パルス生成を指向しており、これまでに15A、100秒のビーム生成を達成している。今後、長パルス生成時に顕在化した、イオン源内のアーク放電プラズマの放電破壊(アーキング)の問題を解決し、JT-60SAで要求される22Aを超える電流値で100秒以上の負イオンビーム生成を目指す。

In International Thermo-nuclear Experimental Reactor (ITER) and JT-60 Super Advanced (JT-60 SA), the D$$^{-}$$ ion beams of 1 MeV, 40 A and 0.5 MeV, 22 A are required to produce 3600 s and 100 s for the neutral beam injection, respectively. In order to realize such as powerful D$$^{-}$$ ion beams for long duration time, Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has energetically developed cesium (Cs)-seeded negative ion sources (CsNIS) and electro-static multi-aperture and multi-stage accelerators (MAMuG accelerator) which are chosen as the reference design of ITER and JT-60 SA. In the development of the CsNIS, a 100s production of the H$$^{-}$$ ion beam has been demonstrated with a beam current of 15 A by modifying the JT-60 negative ion source. At the higher current, the long pulse production of the negative ions has been tried by the mitigation of the arcing in the plasma inside the ion source. As for the long pulse acceleration of the negative ions in the MAMuG accelerator, the beam steering angle has been controlled to reduce the power loading of the acceleration grids A pulse duration time has been significantly extended from 0.4 s to 60 s at reasonable beam power for ITER requirement. The achieved pulse duration time is limited by the capacity of the power supplies in the test stand. In the range of $$<$$ 60 s, there are no degradations of beam optics and voltage holding capability in the accelerator. It leads to the further extension of the pulse duration time at higher power density. This paper reports the latest results of development on the negative ion source and accelerator at JAEA.

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