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論文

Progress of the ITER NBI acceleration grid power supply reference design

Toigo, V.*; Zanotto, L.*; Bigi, M.*; Decamps, H.*; Ferro, A.*; Gaio, E.*; Guti$'e$rrez, D.*; 土田 一輝; 渡邊 和弘

Fusion Engineering and Design, 88(6-8), p.956 - 959, 2013/10

 被引用回数:15 パーセンタイル:78.31(Nuclear Science & Technology)

ITER NBIの加速電源の設計進捗を報告する。この電源は1MVで55MW、準定常の大パワー電源であり、挑戦的なシステムである。EU国内機関と日本国内機関とで分担して製作することから、特に共通のインターフェースとするために設計が複雑である。この二つのシステムの間での重要なインターフェースについての改訂について報告する。さらに、異なるパラメータの許容値を考慮した運転状態において要求を満足することを確認したことを報告する。

論文

Vacuum insulation and achievement of 980 keV, 185 A/m$$^{2}$$ H$$^{-}$$ ion beam acceleration at JAEA for the ITER neutral beam injector

戸張 博之; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 大楽 正幸; 梅田 尚孝; 山中 晴彦; 土田 一輝; 武本 純平; 渡邊 和弘; 井上 多加志; et al.

Plasma Science and Technology, 15(2), p.179 - 183, 2013/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:5.25(Physics, Fluids & Plasmas)

ITER NBI用負イオン加速器及びHVブッシング開発において1MV真空絶縁が共通課題である。HVブッシングでは、外径1.56mのセラミックリングとその外周にFRPリングを二重配置し、これを5段積み重ねて1MVを絶縁する。二重構造ゆえ絶縁体周辺に三重点が複数存在する。これら三重点の電界を同時に低減するために、電界解析により形状を選定した3つの電界緩和部品の組合せる電界緩和構造を考案した。これを1段分の実規模モックアップに適用し耐電圧試験を実施したところ、定格の120%の-240kVを安定に保持し、ITERで要求される絶縁性能を実証した。MeV級加速器では、加速器内に存在する段差や端部における局所的な電界集中により十分な耐電圧性能が得られていなかった。そこで、電極間距離の延伸,端部曲率の増大を図り、電界を低減させ、真空中で1MVの安定保持を達成した。また、加速器内の磁場及び空間電荷反発によりビーム偏向を補正する電極を用いることで、ビームの電極への衝突を抑制し、ITER要求値をほぼ満足する980keV, 185A/m$$^{2}$$の負イオンビーム加速に成功した。

論文

Voltage holding study of 1 MeV accelerator for ITER neutral beam injector

谷口 正樹; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 大楽 正幸; 武本 純平; 戸張 博之; 土田 一輝; 山中 晴彦; 渡邊 和弘; 小島 有志; et al.

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02B121_1 - 02B121_3, 2012/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:51.68(Instruments & Instrumentation)

原子力機構では、ITER NBIで要求される1MeV, 200A/m$$^{2}$$の負イオン加速実証のため、MeV級加速器の開発を行っている。このような高パワー加速実現のためには、加速器の耐電圧向上が一つの鍵となる。本研究では、MeV級加速器の耐電圧特性試験で得られた知見に基づき、電極間ギャップの延長や支持枠角部の曲率を増加させるなど、耐電圧改善のための改造を行った。その結果、真空中での1MV保持に成功した。さらに、磁場や空間電荷反発により偏向するビーム軌道を電子抑制電極の孔ずれにより補正した結果、ビームの電極への衝突が抑制され、ビーム電流が増加するとともにビーム加速時の耐電圧が向上した。これらの加速器改良により、負イオンビームのエネルギー,電流はITER要求値にほぼ相当する980keV, 185A/m$$^{2}$$まで増加した。

論文

Effect of non-uniform electron energy distribution function on plasma production in large arc driven negative ion source

柴田 崇統; 古賀 章二朗*; 寺崎 良*; 井上 多加志; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 戸張 博之; 土田 一輝; 梅田 尚孝; et al.

Review of Scientific Instruments, 83(2), p.02A719_1 - 02A719_3, 2012/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:13.93(Instruments & Instrumentation)

次世代大型核融合実験炉におけるNBI加熱用負イオン源では、一様性の高い大面積からのH$$^-$$ビームの引き出しが課題となっている。非一様性発現機構理解のための物理モデルとして、ビーム強度非一様性が(1)電子エネルギー分布関数(EEDF)非一様性、(2)(1)による水素原子(H$$^0$$),正イオン(H$$^+$$)生成分布非一様性、(3)PG表面へのH$$^0$$/H$$^+$$粒子束非一様性、(4)表面生成を介した水素負イオン生成分布非一様性によって生じることが提案された。しかし従来研究ではEEDFがプローブ測定から得られる2温度Maxwell分布で仮定されていたため、フィラメントから生成されるような高エネルギー電子の寄与を正確に取り入れていない。本研究では、実際の負イオン源形状,磁場配位を3次元的に模擬したMonte-Carloモデルを電子に適用し、局所的なEEDFを数値計算により求め、H$$^0$$/H$$^+$$生成分布を計算する。水素分子,原子密度($$n_{rm H2}=2.80times10^{19}$$m$$^{-3}$$,解離度0.1)を仮定した結果から定量的な生成分布が求められ、高エネルギー電子成分がH$$^0$$/H$$^+$$生成分布非一様性を強調する結果が示される。

論文

Improvement of voltage holding and high current beam acceleration by MeV accelerator for ITER NB

谷口 正樹; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; 戸張 博之; 大楽 正幸; 山中 晴彦; 土田 一輝; 小島 有志; et al.

AIP Conference Proceedings 1390, p.449 - 456, 2011/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:54.73

原子力機構では、ITER中性粒子入射加熱装置(NBI)用として多孔多段型負イオン加速器(MeV級加速器)の開発を行っている。現在までに、MeV級加速器では796keV, 140A/m$$^{2}$$の負イオン加速に成功したが、ITER要求値である1MeV, 200A/m$$^{2}$$の負イオン加速達成には加速器の耐電圧性能改善が不可欠である。JT-60用加速器やMeV級加速器においてさまざまな加速器体系で実施した耐電圧試験の結果、実機の保持電圧は電極支持枠部の段差や角部における電界集中により、加速器の設計に用いた理想的電極での試験結果より50%低下することが明らかとなった。これらの知見に基づき、電極間ギャップの延長や支持枠角部の曲率を増加させるなど、電界集中を抑制するための改造を行った。その結果、真空下での保持可能電圧は835kVから1MVに向上し、加速された負イオンの電圧,電流は879keV, 157A/m$$^{2}$$に増加した。

論文

Study of beamlet deflection and its compensations in a MeV accelerator

柏木 美恵子; 井上 多加志; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; Grisham, L. R.*; 大楽 正幸; 武本 純平; 戸張 博之; 土田 一輝; 渡邊 和弘; et al.

AIP Conference Proceedings 1390, p.457 - 465, 2011/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:88.45

原子力機構では、5段の多孔多段電極(MAMuG)加速器を用いて、ITERの設計値である1MeV, 200A/m$$^{2}$$の水素負イオンビーム加速を目指している。最近の耐電圧試験で加速器内の局所的な電界集中を低減するために金属間ギャップを延長した結果、真空耐電圧が大幅に改善し、1MVで4000秒の電圧保持に成功した。これに伴い、ビームエネルギーも800keVから900keVレベルに増加したが、ギャップ長を長くしたために磁場と空間電荷反発で生じるビーム偏向が加速器内で顕著になり、ビームが電極に衝突し、絶縁破壊を誘発していることが明らかとなった。そこで、3次元マルチビームレット解析で、ビーム偏向量を明らかにし、その補正方法を検討した。この結果、磁場による偏向補正のために電子抑制電極の各孔に0.8mmの孔軸変位を、さらに空間電荷反発の補正のために孔部周辺に厚み1mmの電界補正板を設けることで、1MeVのビームを補正できる見込みを得た。この偏向補正法を加速器に組み込み、偏向試験を進めており、これらの結果を報告する。

論文

ITER中性粒子ビーム入射装置用超高圧電源システムの開発

土田 一輝; 渡邊 和弘; 戸張 博之; 武本 純平; 山中 晴彦; 井上 多加志

電気学会研究会資料,原子力研究会(NE-11-001$$sim$$004・006$$sim$$010), p.17 - 22, 2011/09

ITERプラズマの加熱と電流駆動のために大電力の中性粒子ビーム入射装置(NBI)が計画されており、日本は1MVの発生,伝送,サージ抑制にかかわる主要な機器(超高圧直流発生器,高電圧ブッシングなど)の技術開発と調達を担当している。講演では、NB電源システム開発の全貌と、1MV絶縁のための冷却水用絶縁配管,世界最大径の大型セラミックを用いたブッシングなどの要素技術開発の進展を報告する。

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。

口頭

ITER中性粒子入射装置電源の開発と調達

渡邊 和弘; 武本 純平; 山中 晴彦; 土田 一輝; 大楽 正幸; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 戸張 博之; 梅田 尚孝; 井上 多加志; et al.

no journal, , 

ITERではプラズマ加熱・電流駆動装置として、エネルギーが1MeVで1基あたりの入射パワーが16.5MWの中性粒子入射装置(NB)2基が設置される。また、実機建設に先立ち、実機と同一仕様のNB試験装置(NBTF)をイタリア・パドバに建設し、性能試験を実施することが合意されている。これらの装置の直流1MV高圧電源の主要部を日本国内機関(JADA)が分担する。これまでに、日本が分担する機器である直流-1MV高圧発生器, -1MV絶縁変圧器, -1MV伝送系などを中心とする機器についての主要機器仕様を確定し、調達協定の準備を進めている。さらに、EU側の機器との電気的及び機械的取合いについて議論し、大筋で合意を得ている。

口頭

ITER中性粒子ビーム入射装置高電圧デッキ用ウオーターチョークの開発

土田 一輝; 渡邊 和弘; 山中 晴彦; 武本 純平; 井上 多加志; 田中 滋*; 山下 泰郎*

no journal, , 

ITER中性粒子ビーム加熱装置において大電力ビームを長時間発生するために負イオン源や加速器の冷却は不可欠である。これらの機器は、-1MVの高電位にあるため、冷却水供給系に絶縁性確保のためのウォーターチョークを設置する必要がある。特に、ITER用ウオーターチョークでは、冷却水圧が高く(2MPa)、冷却水戻り温度が高温(65$$^{circ}$$C)で電気伝導度が高く純水冷却水中のリーク電流が大きい(数十mA)、など厳しい条件が果される。これらの条件においても十分な耐電圧性能を確保するため、「高耐水圧」「高耐電圧」「高耐食性」の特徴を持つウォーターチョーク用セラミック絶縁管を開発した。開発したセラミック絶縁管を用いて機械試験及び耐電圧試験に供し、当該品がITER用ウオーターチョークで必要とされる絶縁性能(110kV/本)を持っており、冷却水中に150mAのリーク電流が流れてもフランジやロー付け水シール部における金属材料の腐食や溶解が小さい見通しを得た。

口頭

ITER用負イオン中性粒子ビーム入射装置の開発

渡邊 和弘; 梅田 尚孝; 柏木 美恵子; 大楽 正幸; 武本 純平; 谷口 正樹; 土田 一輝; 戸張 博之; 山中 晴彦; 井上 多加志; et al.

no journal, , 

ITERでは、核融合プラズマの加熱と電流駆動のために一基あたり1MeVで16.5MWの大パワーを入射する負イオンを用いた中性粒子ビーム入射装置(NBI)の建設が計画されている。ITER NBIとそれに先だって建設されるNBI試験装置(NBTF)について、特に日本が分担する主要な機器を中心にそれらの開発の課題や開発の状況について報告する。

口頭

ITER中性粒子入射装置用超高圧電源調達の進展

山中 晴彦; 渡邊 和弘; 土田 一輝; 戸張 博之; 武本 純平; 井上 多加志

no journal, , 

原子力機構は国際熱核融合実験炉ITERのための日本国内機関(JADA)として、欧州国内機関(EUDA)との協力のもと、ITERプラズマの加熱・電流駆動のための高エネルギー中性粒子ビーム入射装置の研究開発を進めている。原子力機構は中性粒子ビームのもととなる負イオンを1MeVまで加速するために、直流-1MVを発生させることができる超高圧直流電源を供給する。この超高圧電源の設計と開発の現状を、JADAのITERへの貢献として報告する。中でもウォータチョークのためのセラミック絶縁管及び-1MV絶縁変圧器のR&Dの状況をトピックスとして報告する。

口頭

ITER 1MeV加速器開発; 0.98MeV, 185A/m$$^2$$負イオンビームの達成

柏木 美恵子; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; 大楽 正幸; 武本 純平; 土田 一輝; 戸張 博之; 山中 晴彦; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; et al.

no journal, , 

ITER中性粒子入射装置(NBI)の要求値である、1MeV, 200A/m$$^2$$の負イオン加速実証を目指すMeV級加速器では、ビームエネルギーが0.8MeV程度に留まっていたが、今回、ITERの要求値をほぼ満足する0.98MeV,電流密度185A/m$$^2$$を達成した。この大幅な性能向上は、加速器内の局所的な電界集中を緩和したことによる絶縁破壊の抑制、及び磁場や空間電荷反発により偏向するビーム軌道を補正して加速器電極へのビームの直接衝突を抑制した結果得られたもので、これら成果のITER設計への適用を進めている。

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