JT-60SA superconducting magnet system

小出 芳彦; 吉田 清; Wanner, M.*; Barabaschi, P.*; Cucchiaro, A.*; Davis, S.*; Decool, P.*; Di Pietro, E.*; Disset, G.*; Genini, L.*; et al.

Nuclear Fusion, 55(8), p.086001_1 - 086001_7, 2015/08

https://doi.org/10.1088/0029-5515/55/8/086001

JT-60SAの超伝導マグネットシステムの最大の特徴は、スペース利用の観点から最適化されたコイル構造と高いコイル製作精度の実現をとおして、定常トカマク研究を先導する先進的な実験装置となっている。具体的には、新しい概念であるトロイダルコイルケーシングから分離した外側支持構造の採用により細身のトロイダルコイル形状を可能とした。これにより、詳細なプラズマ測定や柔軟な加熱分布を可能とする大口径ポートの確保を可能とした。また、平衡磁場コイルの製造誤差を最小にする方法を確立し、正確なプラズマ形状/位置制御も可能とした。更に、コンパクトバットジョイントを開発することで中心ソレノイドの占有領域を拡大し、長時間放電の実現に大きく貢献できる設計とした。

Development of the JT-60SA Neutral Beam Injectors

花田 磨砂也; 小島 有志; 井上 多加志; 渡邊 和弘; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 梅田 尚孝; 秋野 昇; 椛澤 稔; et al.

AIP Conference Proceedings 1390, p.536 - 544, 2011/09

https://doi.org/10.1063/1.3637425

JT-60SAにおいては、12基の正イオン中性粒子入射(NBI)装置と1基の負イオンNBI装置を用いて、合計30-34MWの重水素中性粒子ビームを100秒間プラズマへ入射することが要求されている。正イオンNBIに関しては、JT-60SAの設計値である1基あたり2MW, 85keVの重水素中性粒子ビームの入射を達成している。その際、イオン源やイオンダンプ等のビームライン機器は、100秒入射が要求されるJT-60SAで既存の装置を改造することなく再使用できる見通しを得ている。また、10MW, 500keV入射が要求されているJT-60SAの負イオンNBI装置のための開発においては、500keV, 2.8Aの水素負イオンビーム生成に成功している。これは、1A以上の負イオンビームを500keV以上のエネルギーまで加速した世界初の成果である。今後、実験装置を整備し、負イオンの100秒間生成のための開発研究を実施する予定である。

Demonstration of 500 keV beam acceleration on JT-60 negative-ion-based neutral beam injector

小島 有志; 花田 磨砂也; 田中 豊*; 河合 視己人*; 秋野 昇; 椛澤 稔; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 薄井 勝富; 佐々木 駿一; et al.

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

http://www-naweb.iaea.org/napc/physics/FEC/FEC2010/html/node294.htm#62473

JT-60N-NBIの負イオン源は今まで耐電圧性能が低く、入射パワーが制限されているのが問題であった。そこで、加速電極の間隔を拡げて、負イオン源内の最短の真空絶縁距離である支持枠角部の電界集中を低減した結果、単段の要求性能を超える200kVを保持することに成功し、設計指標となっていた大型の負イオン源では小型電極よりも6から7倍程度長い真空絶縁距離が必要であることが明らかになった。その理由として電極の面積が100倍異なることだけでなく、1080個もある電極孔や支持枠等の局所電界の電界分布が影響していることが小型電極の実験結果から予測される。そして、1/5のビーム引き出し領域からビーム加速試験を実施した結果、従来420keVが最高であったビームエネルギーを最高507keVまで上昇させることに成功した。ギャップ長を増加させたことによりビーム光学が劣化して電極熱負荷が増大することが懸念されたが、今回のギャップ長の範囲ではビーム光学の劣化がないことを確認した。これらの結果はJT-60SAやITERのNBIにおける耐電圧設計に大きく貢献するものである。

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。

Correlation between voltage holding capability and light emission in a 500 keV electrostatic accelerator utilized for fusion application

花田 磨砂也; 池田 佳隆; 鎌田 正輝; 菊池 勝美; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 梅田 尚孝; 薄井 勝富; Grisham, L. R.*; 小林 信一*

IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 14(3), p.572 - 576, 2007/06

https://doi.org/10.1109/TDEI.2007.369515

500keV, 22AのD-イオンビームを生成することを目的に開発されたJT-60U負イオン源の耐電圧特性を実験的に調べた。耐電圧は加速電圧印加直後に加速器内部で発生する発光強度と強く相関した。つまり、加速電圧印加直後の発光強度が十分に抑制された場合、加速電圧はパルス中に絶縁破壊することなく安定に維持された。さらに、発光強度と加速管に流れる電流との相関を調べるとともに、分光測定を実施することにより、発光の原因について調べた。加速管に流れる電流の向きは陰極電極から電子が放出する方向であり、大きさは発光強度と比例関係にあった。また、光の波長は420nmを中心に広く(20nm)分布しており、イオン源の動作ガスである重水素やFRP製絶縁管の成分である炭素,酸素,水素等の輝線スペクトラムは観察されなかった。これらの結果より、耐電圧と強い相関関係にある発光はFRP自身の電子励起によるものと考えられる。本研究により、イオン源の耐電圧を改善するためには、陰極電極からの電子放出を抑制する必要があることがわかった。

JT-60正イオン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 2007-024, 32 Pages, 2007/03

JAEA-Technology-2007-024.pdf:7.54MB

JT-60の超伝導化装置であるJT-60SAでは、正イオンNBI装置(以下、P-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。P-NBI装置は12ユニットからなり、1ユニットあたりの中性粒子ビーム入射パワーは2.0MW、ビームエネルギーは85keV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、P-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箇所の摘出を行った。検討では、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実施した。その結果、加速電源の水冷抵抗器等の一部の容量強化や冷却能力強化により、2MW/ユニット,100秒入射に対応が可能なことが明らかとなった。本報告書は、100秒化に向けての予備検討結果をまとめたものである。

N-NBI用イオン源加速部における絶縁耐力と内部放出ガス特性

菊池 勝美; 秋野 昇; 池田 佳隆; 薄井 勝富; 梅田 尚孝; 大賀 徳道; 河合 視己人; 藻垣 和彦

JAEA-Technology 2006-016, 25 Pages, 2006/03

JAEA-Technology-2006-016.pdf:2.54MB

500keV負イオンNBI加熱装置は1996年からJT-60のプラズマ加熱,電流駆動用に運転してきた。負イオン源は負イオンビームを500keVまで加速する設計であるが、過去10年間の運転では、加速部の絶縁破壊により負イオンビームの加速電圧は400kVに留まっている。今回、絶縁破壊の解明に向けて、ビーム引出のない場合のイオン源の絶縁耐力を調べた。この結果、絶縁破壊がない場合でも、高圧印加を行うとM/e=28を主成分とするガス放出があることが明らかとなった。また絶縁破壊時のガス放出も、同様なガス種成分であった。コンディショニングはガス放出を低減し、その結果、絶縁耐力を改善した。一方、イオン源内部では絶縁破壊がなくても、発光現象が起きる。イオン源の重水素ガス圧を10Paから0.5Paの範囲で制御したところ、発光強度は加速部のガス圧を上げると減少した。絶縁耐力も同様に、重水素ガス圧を上げると改善したことから、絶縁破壊と発光現象には相関があると考えられる。本報告は、ビーム引出がない場合の加速部高圧印加時におけるガス放出と発光現象挙動の初期的な測定結果に関するものである。

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。