Development and design of the negative-ion-based NBI for JT-60 Super Advanced

花田 磨砂也; 秋野 昇; 遠藤 安栄; 井上 多加志; 河合 視己人; 椛澤 稔; 菊池 勝美; 小又 将夫; 小島 有志; 藻垣 和彦; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.9, p.208 - 213, 2010/08

http://www.jspf.or.jp/JPFRS/PDF/Vol9/jpfrs2010_09-207.pdf

原子力機構では、JT-60SAに向けた負イオンNBI装置の開発及び設計を進めている。特に、開発に関しては、500keV, 22Aの重水素負イオンビームの生成に向けて、既存のJT-60負イオン源を改良し、JT-60負イオンNBI装置に取り付けて、試験を行っている。現在、開発の最優先課題である負イオン源の高エネルギー化を精力的に進めている。負イオン源内の電極間のギャップ長を従来よりも伸張することによって、イオン源に印加可能な加速電圧を従来の400kVから要求性能である500kVまで改善した。加えて、イオン引き出し領域の1/5を用いて、世界に先駆けて、500keV, 3Aの高エネルギー水素負イオンビームの生成に成功した。負イオン源の高エネルギー化と並行して、JT-60SAにおける100秒入射に向けて、既設のJT-60負イオンNBI装置の長パルス化を図った。負イオン源内の電極熱負荷を従来より20%低減し、同装置の限界である30秒入射を実現した。その結果、入射時間とパワーの積である入射エネルギーは世界最大値80MJに到達し、プラズマの高性能化に大きく貢献した。

JT-60負イオンNBI加熱装置電源設備の長パルス化改造検討

薄井 勝富; 能登 勝也; 河合 視己人; 大賀 徳道*; 池田 佳隆

JAEA-Technology 2008-053, 35 Pages, 2008/08

JAEA-Technology-2008-053.pdf:10.56MB

JT-60の超伝導化装置であるJT-60SAでは、負イオンNBI装置(以下N-NBI装置)のビームパルス幅を現行の30秒から100秒に延ばすことが要求されている。N-NBI装置は1ユニットで2つのイオン源を有しており、1イオン源あたりの中性粒子ビーム入射パワーは5.0MW、ビームエネルギーは-500keVである。長パルス化においては、既存の短パルス用電源設備を最小限の改造で100秒の長パルス運転を可能とすることが求められている。今回、N-NBI装置の電源設備の100秒化に向けて、保護協調の観点及び主要機器の熱設計を中心に、改造が必要な箇所の抽出を行った。2003年に実施した30秒化改造とその後の運転実績をもとに検討を進めた。その結果、加速電源については、既設GTO(Gate Turn-off thyristor)と新設・追加するIEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)との組合せによる出力電圧制御方式に変更することで100秒化への対応が可能であることを明らかにした。5種類の負イオン生成部電源については、ダミー抵抗器等の容量の増強や冷却能力強化により、100秒運転についてのおおよその目途がたった。

長パルス入射に向けたJT-60正イオンNBI加熱装置の加速電源ブリーダ抵抗器の検討

能登 勝也; 薄井 勝富; 河合 視己人; 池田 佳隆

JAEA-Technology 2008-049, 23 Pages, 2008/06

JAEA-Technology-2008-049.pdf:8.49MB

超伝導化するJT-60SAでは、1ユニットあたり85kV, 2MWの入射が要求される正イオンNBI装置(以下、P-NBI装置)を12ユニット用いて、合計24MWのDビームを入射することが要求されている。1ユニットあたりのパワーは現行通りであるが、ビームパルス幅は現行の30秒から100秒まで大幅に延ばす必要がある。JT-60SAの実現に向けて、P-NBI装置の主要機器である加速電源の水冷ブリーダ抵抗器の設計及び開発を行った。設計では、既存機器を最大限利用することを考慮し、検討を進めた。その結果、抵抗器を構成している冷却水筒内の抵抗素子のみを交換し、抵抗値を現行より4倍増大することによって、100秒入射できる見通しを得た。さらに、高抵抗ブリーダ抵抗器の問題点であるブリーダ電流不足による加速電源の動作について、実際にビーム加速試験を行い評価した。ビーム電圧,ビーム電流、及び電圧比などを広範囲に変えて評価した結果、中間電極の電流が大きい悪条件下においても、加速電源は安定に動作した。これらの結果、P-NBI装置の電源設備の主要機器である水冷ブリーダ抵抗器に関しては、抵抗素子のみの交換で、100秒化に対応できることがわかった。

Technical design of NBI system for JT-60SA

池田 佳隆; 秋野 昇; 海老沢 昇; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 本田 敦; 鎌田 正輝; 河合 視己人; 椛澤 稔; 菊池 勝美; et al.

Fusion Engineering and Design, 82(5-14), p.791 - 797, 2007/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2007.05.077

ITERや原型炉に向けた研究を強化するため、JT-60Uを超伝導化するJT-60SA計画が進められている。この計画におけるNBI加熱装置は、入射パワーは1基あたりの入射パワー2MW(85keV)の正イオンNBI加熱装置が12基、入射パワー10MW(500keV)の負イオンNBI加熱装置が1基から構成され、総計34MW,100秒のビーム入射を行う予定である。一方、これまでにJT-60Uにおいては、正イオンNBIで2MW(85keV),30秒、負イオンNBIで3.2MW(320keV),20秒入射を既に達成している。これらの運転において両イオン源の加速電極の冷却水温度上昇は約20秒以内で飽和していることから、改修計画に向けては、電源の容量強化や負イオンNBIの加速エネルギー向上が鍵となると考えられる。本論文では、JT-60SA計画における、NBI加熱装置の増力に関する工学設計を報告する。

JT-60U負イオン源加速部の高電圧印加時の発光現象と耐電圧特性

菊池 勝美; 秋野 昇; 花田 磨砂也; 池田 佳隆; 鎌田 正輝; 河合 視己人; 藻垣 和彦; 能登 勝也; 薄井 勝富

JAEA-Technology 2007-027, 17 Pages, 2007/03

JAEA-Technology-2007-027.pdf:2.3MB

JT-60負イオン源の長パルス化及び高出力化を図るうえで問題となっている500keV加速部の耐電圧性能について調べた。設計加速電圧500kVに対してビーム加速を伴わない(無負荷)場合、最大455kVであった。この低い耐電圧性能の原因を調べるために、電圧印加時に負イオン源の内部(真空側)で発生する光の強度を光電子増倍管で測定した結果、耐電圧と真空側の光強度との間に強い相関関係があることがわかった。さらに分光器で光の波長を測定した結果、光の波長は420nmのピークを中心とした広い領域に分布した。この際、水素,炭素等のガス放電で発生する輝線スペクトルは観察されなかったことから、発光は負イオン源の絶縁管で使用しているFRPへの電子衝突が起因していると類推できる。この結果に加えて、時間応答性の高い高速データ収集系で内部発光及び外部の球ギャップスイッチ放電光の発生タイミングを詳細に測定した結果、内部で放電破壊が発生すると球ギャップが放電破壊を起こすこと、一度球ギャップが動作すると高電圧の再印加時に、設定破壊電圧より低い電圧で球ギャップが絶縁破壊を起こし、耐電圧を制限してしまうことがわかった。

Present status of the negative ion based NBI system for long pulse operation on JT-60U

池田 佳隆; 梅田 尚孝; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 花田 磨砂也; 本田 敦; 井上 多加志; 河合 視己人; 椛澤 稔; et al.

Nuclear Fusion, 46(6), p.S211 - S219, 2006/06

https://doi.org/10.1088/0029-5515/46/6/S02

JT-60Uの負イオンNBI装置では、準定常状態のプラズマ研究を行うため、パルス幅を10秒から30秒に拡張する試みに着手した。そのための最も重要な課題は、イオン源電極の熱負荷軽減であり、2つの改良を提案した。1つは、ビーム同士の相互作用によるビームの拡がりの抑制であり、そのために薄板を引出電極に取付け、局所的な電界を修正した。その厚みは、ビームの偏向を最適に制御するよう決めた。もう1つは、負イオンから電子が剥ぎ取られ、その電子がイオン源内で加速,電極に衝突するストリッピング損失の低減化である。このために加速部の真空排気速度を改善するようイオン源を改造した。これらの改造を行い、現在まで17秒,1.6MWあるいは25秒,約1MWの入射に成功した。

Progress of negative ion source improvement in N-NBI for JT-60U

河合 視己人; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 花田 磨砂也; 本田 敦; 井上 多加志; 椛澤 稔; 菊池 勝美*; 栗山 正明; et al.

Fusion Science and Technology, 44(2), p.508 - 512, 2003/09

https://doi.org/10.13182/FST03-A387

JT-60U N-NBI用負イオン源は、500keV,22A,10秒間のビーム加速性能を持つ。このような大型負イオン源の運転実績はこれまでになく、1996年より本格的な特性試験を開始したが、この間、多くの改良に努力が費やされた。(1)ソースプラズマの不均一性による加速部電極の熱負荷過大の対策として、上下端部からの発散性ビームをカットするマスク板を設置した。不均一性の改良のために、アーク限流抵抗やグループ毎フィラメントパワーの最適化を行った。(2)その他改良として、ビーム引出し時のフィラメントパワー低減制御の導入やビーム発散抑制のための引出電極形状の最適化を行った。これら改良の積み重ねの結果、現在までに最大入射パワー6.2MW,最長パルス幅10秒を達成することができた。

JT-60SA NBI加熱装置の電源系改造の予備検討

能登 勝也; 薄井 勝富; 河合 視己人; 池田 佳隆

no journal, , 

JT-60Uの超伝導改修計画であるJT-60SAに向けて、P-NBI装置(12基)を24MW、N-NBI装置(1基)を10MW、各々100秒入射することが求められている。P-NBI装置については、平成15年に実施した30秒化改造とその後の運転実績を元に100秒化改造検討を行った。その結果、加速電源の水冷抵抗器等の一部の容量増加及び冷却能力の強化を行うことにより、100秒入射が可能であることが明らかとなった。N-NBI装置については、P-NBI装置と同様に100秒化改造検討を行ったが、30秒化改造後の実績値の3倍強のパワーアップが必要であるため、加速電源のインバータ増力等が不可欠である。今後の30秒入射時の主要機器の温度監視を行い、より正確な熱的裕度の検討を行うことで、合理的な電源増力化を目指す予定である。