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論文

Structural analyses of HV bushing for ITER heating NB system

戸張 博之; 井上 多加志; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 大楽 正幸; 山中 晴彦; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; 栗山 正明*; et al.

Fusion Engineering and Design, 88(6-8), p.975 - 979, 2013/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.57(Nuclear Science & Technology)

日本が調達するITER NB機器の1つであるHVブッシングは、コバールをロウ付け接合したセラミックリングとFRPリングからなる2重絶縁管を、5段積み重ねた多芯絶縁フィードスルーである。0.6MPaの絶縁ガス領域と真空の隔壁となるHVブッシングでは、差圧によって生じる圧力荷重や地震荷重並びに自重をFRPリングで支持することが求められる。また、セラミックロウ付け接合部が真空境界となり、ここでは外部に充填する0.6MPaの空気圧に耐える機械強度が求められる。これらの荷重に耐え、安全係数$$geq$$3.5となる設計案を構築するために、機械構造解析を実施した。FRPについては、発生するせん断力に対する機械強度を増すために繊維を直交させたガラスクロスを周方向に巻いた2次元等方性FRPリングを用いるべきことを明らかにし、またロウ付け接合部については、コバールの形状、固定方法を工夫して応力を低減した。その結果、ITERの要求を満たす構造案を構築できた。

論文

Compensations of beamlet deflections for 1 MeV accelerator of ITER NBI

柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; 大楽 正幸; 戸張 博之; 山中 晴彦; 渡邊 和弘; 井上 多加志; DeEsch, H. P. L.*; Grisham, L. R.*; et al.

AIP Conference Proceedings 1515, p.227 - 236, 2013/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:4.56

ITER中性粒子入射装置(NBI)用の5段多孔多段(MAMuG)加速器では、1MeV, 40Aの重水素(D$$^-$$)負イオンビームを1時間に渡り生成する。しかし、電子抑制用の磁場やビーム間に働く反発力でビームが大きく偏向して電極に衝突し、高い熱負荷を生じて運転を妨げることが問題となっていた。そこで3次元のビーム軌道解析を用いて、孔軸をずらしたり金属突起を付けることで、ビーム偏向と逆方向にビームを曲げる電界の歪みを形成してビーム偏向を補正する方法を検討した。磁場によるビーム偏向については、引出し部の直径17mmの孔をわずか0.6mm変位させて電界の歪みを形成することでビーム発散角を維持したまま補正できることを明らかにした。またビーム間の反発による偏向に対しては、引出部裏の多孔領域周辺に取り付けた金属板の厚みを3mmまで増やし、孔位置から徐々に遠ざけて30mmの位置に設置したとき、弱い電界の歪みで緩やかにビーム軌道を曲げて、発散角を維持したままビーム偏向を補正できることを示し、これらの結果をITERの設計に反映させた。

論文

Beam optics in a MeV-class multi-aperture multi-grid accelerator for the ITER neutral beam injector

柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; DeEsch, H. P. L.*; Grisham, L. R.*; Boilson, D.*; Hemsworth, R. S.*; 田中 政信*; 戸張 博之; 渡邊 和弘; et al.

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02B119_1 - 02B119_3, 2012/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:51.79(Instruments & Instrumentation)

ITER中性粒子入射装置(NBI)用の5段多孔多段(MAMuG)加速器では、1MeV, 40A, 3600秒の重水素(D$$^{-}$$)負イオンビームが要求されている。この高エネルギー,大電流加速器では、ビーム間/ビームグループ間の空間電荷反発,電子抑制用磁場、さらには電極支持枠が作る電界の歪みによりビームが大きく偏向する。加速器実現に向けては、このビーム偏向を補正して、電極へのビーム直接衝突による入熱を抑制することが必要不可欠である。そこで、3次元ビーム解析において、電極支持枠も考慮した大規模な解析モデルを構築して320本のビームレットを一斉に解き、これらのビームの偏向量を調べて、補正方法を検討した。その結果、厚さ1mmの電界補正板、1mmの孔ズレ付き電子抑制電極で偏向を補正できることを示した。

論文

1 MV vacuum insulation for the ITER neutral beam injectors

田中 政信*; Hemsworth, R. S.*; 栗山 正明*; Svensson, L.*; Boilson, D.*; 井上 多加志; 戸張 博之; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; et al.

IEEE Transactions on Plasma Science, 39(6), p.1379 - 1385, 2011/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:67.92(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERのプラズマ加熱・電流駆動用中性粒子入射装置(NBI)では、1MeV, 40Aの重水素負イオンを5段の静電加速器で加速する。この加速器は真空中に設置されるため、真空中で-1MVを絶縁することが重要な課題の1つである。-1MV電位の加速器と接地電位の真空容器間での絶縁破壊を抑制するために十分な絶縁距離が必要であり、これまでの実験結果を整理して絶縁距離を900mm以上とする設計にした。また、ビーム源に電力や冷却水等を供給するための高電圧ブッシングは加速器構造に対応し5段の絶縁体で構成され、1段で-200kVを絶縁する設計となっている。この高電圧ブッシング1段分の実機サイズの試験体を製作して耐電圧試験を実施したところ、定格を上回る-203kVを5時間安定保持することができ、絶縁設計の妥当性が確認された。

論文

Development of full-size mockup bushing for 1 MeV ITER NB system

戸張 博之; 井上 多加志; 花田 磨砂也; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 梅田 尚孝; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 山中 晴彦; 武本 純平; et al.

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

ITER NBI用高電圧(HV)ブッシングは、ガス絶縁方式である-1MV高圧電源伝送系と真空中に設置する負イオン源及び静電加速器の間の圧力隔壁であり、かつ電力を絶縁導入する重要な機器である。原子力機構では、これまでに5段重ねのHVブッシングの絶縁材に用いる世界最大(外径1.56m)の大口径セラミックの開発に成功した。また、サンプル試験や強度解析を行い、セラミックと金属を一体化する接合技術の開発を進めてきた。そして今回、この大口径セラミックに適用可能な厚肉コバール材を用いたロウ付け接合技術の開発に成功した。さらに、大口径セラミック,金属フランジなどを一体に組み上げHVブッシングの1段分を実サイズで模擬したモックアップを試作し、耐電圧試験を実施した。その結果、1段あたりの定格電圧の20%上回る240kVを1時間以上に渡り安定に保持し、ITER NBIで要求される絶縁性能を実証した。

論文

1 MV holding and beam optics in a multi-aperture multi-grid accelerator for ITER NBI

柏木 美恵子; 谷口 正樹; 小島 有志; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; Hemsworth, R. S.*; 水野 貴敏*; 武本 純平; 田中 政信*; 田中 豊*; et al.

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

原子力機構の多孔多段加速器では、ITERの中性粒子入射装置に必要な1MeV, 200A/m$$^{2}$$の負イオンビーム加速を目指している。耐電圧試験では、加速器の耐電圧は理想的な電極の耐電圧の半分程度であることがわかった。複雑な構造を有する電極や電極支持部の局所的な電界集中が問題であると考え、電極間ギャップを延長し、電極支持部の端部の曲率を大きくして電界集中を抑えた。その結果、真空耐電圧が改善し、1MVで4000秒の電圧保持を達成した。ビーム加速でも、従来の796keV, 0.32A (140A/m$$^{2}$$)から879keV, 0.36A (157A/m$$^{2}$$)に大きく進展した。一方、ビーム加速試験では、磁場とビーム間の空間電荷反発によりビームが曲げられて電極に衝突し、ビームエネルギー・電流減少の原因となっていた。3次元ビーム解析において、このビームの偏向量を明らかにして孔ずれと電界補正板を用いたビーム偏向補正方法を設計し、加速器試験でこの補正法が有効に機能することを確認した。

論文

Progress on the heating and current drive systems for ITER

Jacquinot, J.*; Albajar, F.*; Beaumont, B.*; Becoulet, A.*; Bonicelli, T.*; Bora, D.*; Campbell, D.*; Chakraborty, A.*; Darbos, C.*; Decamps, H.*; et al.

Fusion Engineering and Design, 84(2-6), p.125 - 130, 2009/06

 被引用回数:22 パーセンタイル:14.94(Nuclear Science & Technology)

ITER用電子サイクロトロン波(EC),イオンサイクロトロン波(IC),中性ビーム(NB)、そして低域混成波(LH)について、その物理と工学の両面の進展を2007/2008年にレビューした。全体仕様の変更はないものの、以下のような設計変更があった。第一に、DTフェーズの前に全パワーである73MW入射をルーティンに入射可能となるように調整すべきこと。第二に、NBを水素フェーズにもフルパワー入射が可能となるように対向壁を用意する、IC用によりロバスト名アンテナ2式を用意する、またECには2MW容量の伝送系を用意して、増力を容易にする。さらにRF源と計測及び加熱用ポートプラグの試験施設となる付属建屋を用意する。第三に、LHのようにITERの長パルス運転時に適した電流駆動システムを開発するための計画の必要性が認識された。

論文

Status of the ITER heating neutral beam system

Hemsworth, R. S.*; Decamps, H.*; Graceffa, J.*; Schunke, B.*; 田中 政信*; Dremel, M.*; Tanga, A.*; DeEsch, H. P. L.*; Geli, F.*; Milnes, J.*; et al.

Nuclear Fusion, 49(4), p.045006_1 - 045006_15, 2009/04

 被引用回数:326 パーセンタイル:0.2(Physics, Fluids & Plasmas)

ITER中性粒子ビーム入射(NB)装置は、過酷な放射線環境中で運転され、かつITERからの中性子によって放射化する、核融合炉と同様の条件と制約のもとで稼動する最初のNB装置となる。ITER NB装置は単一の大型イオン源と加速器を用いて、1MeV, 40AのD$$^{-}$$イオンを3600秒間にわたり加速する。最近4年間で以下の設計変更がなされた。(1)天井クレーンによってビームライン機器の保守と交換を可能とした。(2)フィラメントを用いたイオン源に代えてRF駆動イオン源を参照設計に採用した。(3)イオン生成電源と引出し電源を、従来NB装置の上階に設置したSF6ガス絶縁HVデッキから、トカマク建屋外の大気絶縁HVデッキに移した。本論文は以上の設計変更を含む2008年12月時点での設計の現状を報告する。

論文

Positive and negative ion sources for magnetic fusion

Hemsworth, R. S.*; 井上 多加志

IEEE Transactions on Plasma Science, 33(6), p.1799 - 1813, 2005/12

 被引用回数:73 パーセンタイル:7.97(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文は、磁気核融合研究に用いられる中性粒子入射装置の主要機器である、正・負イオン源に関するレビュー論文である。高プロトン比($$>$$90%),大電流密度($$approx$$2kA/m$$^{2}$$),低ガス圧運転(0.4Pa),高効率、並びにイオンの大面積一様生成といった、高い性能を同時達成するために開発されてきた正イオン源の物理をレビューする。また核融合炉用の高エネルギー中性粒子ビーム生成に不可欠となる、負イオン源開発の現状についても報告する。負イオン源開発の進展により、核融合炉用中性粒子入射装置で求められる、低ガス圧($$<$$0.3Pa)での大電流密度($$>$$200A/m$$^{2}$$)負イオン(D$$^{-}$$)生成,低引き出し電子電流といった多くの要求性能がすでに達成されている。さらに、将来の中性粒子入射装置で求められる高い性能を満足するために必要な開発項目についても言及する。

論文

NBI用負イオン源開発における高密度負イオンビーム長パルス生成実験

柏木 美恵子; 雨宮 亨*; 伊賀 尚*; 井上 多加志; 今井 剛; 奥村 義和; 高柳 智弘; 花田 磨砂也; 藤原 幸雄; 森下 卓俊; et al.

第12回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム(BEAMS 2001)報文集, p.37 - 40, 2001/11

核融合プラズマの燃焼,電流駆動に不可欠な中性粒子入射装置(NBI)における負イオン源では、電流の高密度化,長パルス化が重要な開発項目である。日本原子力研究所ではセシウム添加型高密度負イオン源を開発し、仏国・カダラッシュ研究所との共同実験にて負イオンビーム長パルス加速実験を行った。この目的は、ITER-NBIに要求されている高密度負イオン電流(重水素で$$>$$20mA/cm$$^{2}$$,水素負イオンで$$>$$28mA/cm$$^{2}$$)の1000秒間加速を実証することである。セシウム効果を十分に得るため、フィルター磁場を最適化し、プラズマ電極温度を一定に保つことが可能な強制冷却型プラズマ電極を用いた。その結果、高密度水素負イオン電流30mA/cm$$^{2}$$(80秒間)を得た。また水素負イオン18mA/cm$$^{2}$$、重水素負イオン12mA/cm$$^{2}$$で1000秒間の連続加速を達成した。

論文

Design of neutral beam system for ITER-FEAT

井上 多加志; Di Pietro, E.*; 花田 磨砂也; Hemsworth, R. S.*; Krylov, A.*; Kulygin, V.*; Massmann, P.*; Mondino, P. L.*; 奥村 義和; Panasenkov, A.*; et al.

Fusion Engineering and Design, 56-57, p.517 - 521, 2001/10

 被引用回数:55 パーセンタイル:3.54(Nuclear Science & Technology)

ITER-FEAT用中性粒子ビームシステムは2基の入射装置から成り、1MeV,33MWのD$$^{0}$$ビームを入射することによってITER-FEATプラズマを加熱するとともに、3600秒までの入射によりプラズマ電流を駆動して定常運転に貢献する。JT-60ほかにおけるプラズマ物理研究では、周辺部電流駆動による性能向上とその定常化が注目されているが、ITER-FEATでは空間的制約の厳しい水平面内で入射接線半径を最大とし、さらに垂直方向にもビーム軸をプラズマ磁気軸から0.35-0.95mの範囲で可変となることにより、電流駆動位置の最適化が可能な配置・設計となっている。またビームライン機器の構造を最適化した結果、ビームの幾何学的輸送効率が改善され、発散角7mrad以下のビームに対して入射効率40%以上を達成する設計となっている。

論文

ITER R&D: Auxiliary systems; Neutral beam heating and current drive system

井上 多加志; Hemsworth, R. S.*; Kulygin, V.*; 奥村 義和

Fusion Engineering and Design, 55(2-3), p.291 - 301, 2001/07

 被引用回数:20 パーセンタイル:18.63(Nuclear Science & Technology)

本論文はITER EDA期間中に行われた中性粒子ビーム入射(NBI)システムのためのR&Dの成果をレビューしたものである。ITER NBI実現のために不可欠なR&Dとして、本R&D計画では大電流負イオン源と高エネルギー加速器の開発が精力的に行われた。(1)小型カマボコ型負イオン源において、短パルスながら負イオン生成の目標値である280A/m$$^{2}$$ (D $$^{-}$$)を十分低いガス圧力(0.3Pa)で達成した。1,000秒までの長パルス試験は最終段階にある。(2)加速器開発は高電圧放電の対策に手間取って遅れをきたしたが、EU,JA両国内チームとも、~0.1Pa,長ギャップでのMeV級耐電圧試験を行い、1MV真空絶縁技術を確立した。(3)負イオン加速では、700-850 keVまでの負イオンビーム加速に成功している。ビーム加速に伴う耐電圧性能の劣化はEU,JA,両国内チームとも観測していない。加速器R&Dは、1MeV負イオンビーム加速の達成に向けて、現在も続けられている。

論文

Neutral beams for the International Thermonuclear Experimental Reactor

井上 多加志; Di Pietro, E.*; Mondino, P. L.*; Bayetti, P.*; Hemsworth, R. S.*; Massmann, P.*; 藤原 幸雄; 花田 磨砂也; 宮本 賢治; 奥村 義和; et al.

Review of Scientific Instruments, 71(2), p.744 - 746, 2000/02

 被引用回数:17 パーセンタイル:30.41(Instruments & Instrumentation)

トカマク型核融合実験炉では、プラズマ加熱と定常運転のために50MW以上の中性粒子ビーム入射が必要である。ITERでは3基の中性粒子入射装置(NBI)に各々1MeV,40Aの重水素負イオンビームを発生する大型イオン源・静電加速器を用いる設計となっている。ITER環境で1MVの高電圧絶縁にSF$$_{6}$$等の絶縁ガスを用いた場合、放射線誘起伝導(RIC)によってガス中に電流が流れ100kW以上のガス発熱が予測されている。そこでITER用NBIでは真空絶縁方式を検討している。本稿では1MeV静電加速器の開発途上で得られた真空絶縁の実験・解析結果及び設計指針と、それに基づく真空絶縁負イオン源と加速器の設計について報告する。

口頭

Physics assessment of the NBI capability in ITER plasmas

及川 聡洋; Polevoi, A. R.*; Mukhovatov, V.*; 坂本 宜照; 鎌田 裕; 嶋田 道也*; Campbell, D. J.*; Chuyanov, V.*; Schunke, B.*; Tanga, A.*; et al.

no journal, , 

現在行われているITERの設計評価では、MHD不安定性抑制に必要なプラズマ回転を増やすためにNBIのエネルギーを下げる提案がされている。そこでさまざまな設計の可能性に対してNB入射によるプラズマ性能を評価した。外部加熱電力によってHモードを得られる運転領域を評価したところ、重水素-三重水素運転ではHモード遷移境界を十分に超え良い閉じ込めが得られる領域に到達できる。軽水素運転ではNBIの突抜のためエネルギーを500keV以下にする必要がある。しかしながらビームエネルギーを500keVまで下げるとITERのミッション達成に必要な$$10^{20}/m^3$$程度の高密度で中心加熱ができないことから、DT運転ではより高いビームエネルギーが必要である。ビームエネルギーを750keVにすると回転は13%増えるが電流駆動は20%効率が落ち、定常運転シナリオを描くことが困難になる。したがってDT運転では1MeVのNBが必要である。ITERでは放電中にビームエネルギーの変化を通してNB入射パワーを変化させることができ、NBIを使ってプラズマ圧力をMHD安定性限界を超えないように実時間制御することが可能である。

口頭

Development of DC ultra-high voltage insulation technology for ITER NBI

戸張 博之; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘; 柏木 美恵子; 小島 有志; 大楽 正幸; 関 則和; 阿部 宏幸; 梅田 尚孝; 山中 晴彦; et al.

no journal, , 

ITERおよびJT-60SAの中性粒子入射装置(NBI)に向けた技術開発の進展を報告する。ITER NBIの高電圧電源用1MV絶縁変圧器開発では、1MVを変圧器から引き出すブッシング開発が課題であった。従来技術では製作不可能な巨大な碍子が必要となったため、新たに絶縁ガスを封入したFRP絶縁管の内部に碍子製の小型コンデンサーブッシングを装着する同軸構造の複合型ブッシングを考案した。これにより安価で入手製の高い1MV絶縁変圧器を実現した。また、直流1MV高電圧導体を真空中に導入するHVブッシング開発では、内部に設置される大面積の円筒電極間の耐電圧特性を詳細に調べ、面積の効果を考慮した絶縁特性をモックアップ試験で明らかにし、HVブッシングの絶縁設計指針を構築した。また、負イオンの長時間生成と加速に向けて、高沸点の流体を用いた負イオン源内のプラズマ電極の温度制御技術の開発、並びに負イオンの偏向を補正する電極を組み込んだ冷却性能強化型負イオン引出部を開発した。その結果、15Aの負イオンビームを100秒生成および従来の2ケタ増となるビームエネルギー密度40MJ/m$$^{2}$$を達成した。

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