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論文

IFMIF/EVEDA事業におけるリチウムターゲット施設開発の現状

若井 栄一; 近藤 浩夫; 金村 卓治; 平川 康; 古川 智弘; 帆足 英二*; 深田 智*; 鈴木 晶大*; 八木 重郎*; 辻 義之*; et al.

Proceedings of Plasma Conference 2014 (PLASMA 2014) (CD-ROM), 2 Pages, 2014/11

IFMF/EVEDA(国際核融合材料照射施設の工学実証・工学設計活動)において、世界最大流量率(3000リットル/分)を持つリチウム試験ループを用い、幅100mmで厚さ25mmの自由表面を持つ高速(15m/s)リチウム流を、IFMIFの運転条件(250$$^{circ}$$C、約10$$^{-3}$$Pa)で安定なリチウム流の形成を示す実証試験に成功した。また、リチウム施設開発におけるリチウム純化、リチウム安全や遠隔操作技術を含む最近の工学実証においても、いくつかの優れた結果が得られるとともに、リチウム施設に関する工学設計を併せて評価した。これらの研究開発で得られた成果は、核融合炉材料の開発に重要なキーテクノロジーとなる核融合炉の照射環境を模擬する加速器駆動型中性子源の開発を大きく進展させるものである。

口頭

Developments of a JT-60SA Thomson scattering diagnostic

東條 寛; 波多江 仰紀; 佐久間 猛; 濱野 隆; 伊丹 潔; 水藤 哲*; 荒木 高士*; 岩本 耕平*; 武田 裕也*

no journal, , 

JT-60SA Thomson scattering diagnostic will provide profiles of electron temperature and density. This presentation shows developments of a YAG laser system and calibration methods, and designs of collection optics and vacuum windows. For the collection optics to be used for the core measurements, refraction system with five lenses is employed. Dispersing focusing power over multiple lenses enable utilizing radiation resistant lenses. Because the entrance pupil is located inside the lenses, the incident light flux can be efficiently focused using compact lens (diameter 225 mm). The resolution for the image is about 0.6 mm, which is almost the same specification of a previous lens design using four lenses. More than 50% of total transmissivity can be achieved over 480-1064 nm wavelength range: thereby making measurements of high electron temperature ($$sim$$ 30 keV) possible.

口頭

ITERブランケット遠隔保守装置における除染評価

齋藤 真貴子; 丸山 孝仁; 上野 健一; 武田 信和; 角舘 聡

no journal, , 

ITERでは健全な運転を維持するために真空容器内機器である第1壁は遠隔保守装置(保守ロボット)により定期的に交換される。最大保守期間は第1壁440個の全交換作業で、2年以内の保守が要求されている。一方、この2年間の保守作業を故障なく信頼性高く進めるために、保守ロボット自体の保守保全が、ITERホットセル建屋内の補修エリアにおいて、ハンズオンにより行われる。このハンズオン作業のために、真空容器内保守作業時に保守ロボットに付着した粒径数$$mu$$m程度の放射化ダスト(タングステンやベリリウウム)を除染し、作業員の被爆量を下げることが極めて重要である。本研究では、MCNP5コードを用いて、機器の周り20点を評価点とする線量評価計算を行った。その結果、ITERでのハンズオン作業目標値(5$$mu$$Sv/h)を上回る箇所が存在することを明らかにした。この結果を受けて、保守ロボット設計ではホットセルエリアでの保守ロボットの保守保全作業手順の見直しや、除染困難箇所へのダスト侵入防止設計などのフィードバック設計を実施し、作業員の被爆量を下げる対策を講じた。

口頭

ITERポロイダル偏光計の予備詳細設計の進展

今澤 良太; 小野 武博; 河野 康則; 伊丹 潔

no journal, , 

ITER計画において日本が調達するポロイダル偏光計測装置は、プラズマ中における遠赤外レーザー光(波長119ミクロン)の偏光特性変化の測定に基づき電流分布の計測を行なう計測装置である。本講演では、2014年3月より開始した予備詳細設計作業の進展について発表する。具体的には、ITERの他設備(ブランケットモジュールや真空窓)の設計の進展に対応した測定視線及びミラー位置の最適化設計、原子力施設としての安全基準(特に換気, 放射線, 防火の基準)に適合する安全重要機器の配置設計、これらの設計に基づく熱・機械・光学解析の結果について報告する。また、本装置が採用しているレーザー光軸の配置(プラズマへ入射するレーザー光と計測室へ戻っていくレーザー光とを同軸に重ね合わせる配置)に適合する自動光軸調整装置の設計結果について報告する。

口頭

Progress of impurity influx monitor (divertor) for ITER

小川 宏明; 北澤 真一; 杉江 達夫; 勝沼 淳*; 北澤 大輔*; 大森 啓介*; 伊丹 潔

no journal, , 

ITERダイバータ不純物モニターは、ダイバータプラズマから放射される燃料粒子及び不純物の紫外から近赤外領域のスペクトル線の発光強度から、ダイバータプラズマ中の燃料粒子や不純物の密度、流入束等を評価し、ダイバータプラズマ制御に使用する計測装置である。原子力機構では、2013年7月に調達取り決めを締結した。今回、その場感度較正の波長領域を紫外領域まで測定範囲を広げるために新たにモリブデン製キャッツアイミラーを製作し、光学性能試験を実施した。その結果、3種類のレーザー(波長: 632.8, 543.5, 473.0nm)を用いた反射率測定ではモリブデンの鏡面の反射率から予想される値とほぼ等しい反射率が得られた。本講演では、予備設計レビューに向けて進めている詳細設計の進捗状況及びキャッツアイミラーの光学特性とこれを用いたその場感度較正法の原理実証試験について報告する。

口頭

Development of divertor IR thermography for ITER

杉江 達夫; 竹内 正樹; 石川 正男; 嶋田 恭彦; 勝沼 淳*; 北澤 大輔*; 大森 啓介*; 伊丹 潔

no journal, , 

ITERダイバータIRサーモグラフィーは、赤外線領域の光を分光測定することにより、ITERのダイバータ板表面及びバッフル表面の温度(200$$^{circ}$$C-3600$$^{circ}$$C)分布及び入熱分布を計測する装置であり、20$$mu$$sの高時間分解能及び3mmの高空間分解能を有し、主にプラズマ先進制御及び物理研究に用いることを目的とした装置である。本サーモグラフィーは、3$$mu$$m帯及び5$$mu$$mを使った2色系と1.5-5.0$$mu$$mを測定波長範囲とする分光系の2つの測定系から構成される。ITERの環境に対応するために、耐放射線性、放射線遮蔽、除熱対策、熱歪対策、粒子照射軽減対策等を考慮した設計を進めるとともに、遠隔光軸調整機構及び較正機構の設計開発を進めている。光学設計では、3mmの空間分解能を得られる見通しが得られた。また、ミラー等の光学素子からの放射がバックグラウンドとして測定すべきダイバータ板等からの放射に重畳する影響についての評価を行い、除熱を考慮した設計を進めている。また、較正機構に関しては、設計に取り入れることを目的にして、IRレーザーを使った較正手法の試験を進めている。発表では設計開発の現状及び解決すべき課題について述べる。

口頭

ITER/TBM遮蔽解析

佐藤 聡; 飯田 浩正*; 谷川 尚; 廣瀬 貴規; 落合 謙太郎; 今野 力; 榎枝 幹男

no journal, , 

ITERに設置し試験するための水冷却固体増殖材テストブランケットモジュール(ITER/TBM)及びそのポート構造の遮蔽解析を、モンテカルロ放射線輸送計算コードMCNP及び放射化計算コードACT-4を用いて行った。TBM及びその遮蔽体、配管、生体遮蔽体等のCADデータをCAD/MCNP変換コードを用いてMCNPデータに自動変換し、ITER40度モデルのMCNPデータに組み込み、TBMポート内の運転中の実効線量率、核発熱、トリチウム生成率、運転停止後の実効線量率、運転停止後の誘導放射能等を詳細に評価した。

口頭

Development of the in-situ calibration method for ITER divertor IR thermography

竹内 正樹; 杉江 達夫; 竹山 茂治; 伊丹 潔

no journal, , 

ダイバータIRサーモグラフィーはITERにおいてダイバータターゲットの表面温度分布を詳細に測定する計測装置の一つである。課題の一つは表面状態の変化のためにダイバータターゲットの放射率が変化することであり、2013年より赤外レーザー等を用いたその場較正手法の開発実験を進めている。実験では、表面粗さが0.05-10$$mu$$mの複数のタングステン試料を真空中で1000$$^{circ}$$C程度まで加熱し、波長3-5$$mu$$mにおける各種バンドパスフィルターを用いて赤外カメラで赤外光を分光計測した。表面粗さ、波長及び温度依存性のデータを取得し、表面粗さが高い試料ほど高い放射率を示した。また、3.2$$mu$$mの赤外レーザーを赤外カメラの軸に対して5度の角度で試料に照射し、試料を回転させることによって散乱光強度の角度分布を計測した。その結果、ITERダイバータターゲットの赤外カメラ軸に対する角度と同程度である70度までレーザーの散乱光が観測された。放射率と散乱光強度の関係及び較正手法の課題等についても発表する。

口頭

ITER周辺トムソン散乱計測装置用高レーザー耐力ビームダンプの開発

谷塚 英一; 波多江 仰紀; 竹山 茂治; Bassan, M.*; Vayakis, G.*; Walsh, M.*; 伊丹 潔

no journal, , 

ITERでは、20年に渡る実験期間中に、5Jのレーザーを10$$^{9}$$パルス程度入射する。従来方式のビームダンプでは、単位面積当たりの入射レーザーエネルギーが高く、損傷が生じることが懸念されていた。損傷箇所にレーザーを入射し続けると、迷光の増加により測定精度が悪化し、最悪の場合、測定不能となる。原子力機構では、吸収率の低いS偏光のレーザービームを多数回反射させることによって徐々にビームエネルギーを吸収するビームダンプを考案し、形状の改良を重ねてきた。その結果、従来型では10$$^{4}$$回(100秒)程度のレーザーパルス入射で損傷が生じると見積もられるのに対し、「くの字」型に曲げた板を多数平行に並べる新方式では、10$$^{9}$$回程度の入射に耐えられる見通しを得た。このような大幅な長寿命化設計の妥当性を確認するため、ビームダンプの材料であるモリブデン試料に対するレーザー耐力試験を行った。損傷が生じるまでの入射パルス数は、入射角及び偏光に依存し、設計時の想定通り、ビームエネルギーの吸収密度でほぼ決まっていることを確認した。さらに、ビームダンプを形成する屈曲板とシムを交互に重ねて拡散接合することにより、設計通りの形状で製作できることも分かった。

口頭

ITER用周辺トムソン散乱計測装置の詳細設計のための核解析

嶋田 恭彦; 石川 正男; 谷塚 英一; 波多江 仰紀; 伊丹 潔

no journal, , 

ITER計画において、原子力機構が調達する周辺トムソン散乱計測装置(ETS)の詳細設計のための核解析を実施した。ETSはプラズマにレーザーを入射させ、プラズマ中の電子に散乱された光を集め分析することで、プラズマ周辺部の電子密度及び電子温度の分布測定を行う計測装置である。ETSの計測システムはレーザー入射系と集光光学系から構成される。このうち、集光光学系のミラーは、プラズマからの放射線を受けることで核発熱により変形し、計測精度が劣化する恐れがある。そこで、遮蔽性能を維持しつつ光学ミラーの核発熱を低減するため、ミラーの材質による影響を調べた。その結果、第一ミラーと呼ばれるプラズマ対向ミラーの材質をモリブデンからステンレスに変更することで、核発熱量を約25%低減できることが分かった。また、その他のミラーについては、材質をアルミニウムにすることで、ステンレスを使用した場合よりも核発熱量を約65%低減できることが分かった。このように、核解析を実施することで各々のミラーで使用する最適な材質を決定することができた。講演では、集光光学系の核解析の詳細と共にレーザー入射系に対して行った核解析の結果も報告する。

口頭

JT-60UのELMy Hモード境界層におけるトロイダルプラズマ流と径電場構造

神谷 健作; 本多 充; 浦野 創; 吉田 麻衣子; 鎌田 裕

no journal, , 

本研究では、プラズマの安定性向上や閉じ込め改善等に重要な役割を果たしているプラズマ回転について、数値計算によるプラズマ内部における分布形状の予測精度を向上するために、実験的に境界条件を精度良く決定することを目指した。セパラトリクスにおけるプラズマ回転速度は運動量の主プラズマからの拡散とSOLにおける磁力線に沿う損失とのバランスで決定されるが、零では無く有限の速度があり、外部からの運動量入射方向によって系統的に変化し、ELMによるペデスタル圧力の崩壊には大きく影響を受けないことが分かった。

口頭

JETにおけるX線帯スペクトルからのタングステン及びモリブデン密度の決定

仲野 友英; Shumack, A.*; Maggi, C. F.*; Reinke, M.*; Lawson, K.*; P$"u$tterich, T.*; Brezinsek, S.*; Lipschultz, B.*; Matthews, G. F.*; Chernyshova, M.*; et al.

no journal, , 

欧州のトカマク型装置JETでは、タングステン材ダイバータの導入に伴い、プラズマ中のタングステン量をモニターするため、既設のX線分光器を改造した。この分光器で観測されたスペクトルを原子構造計算プログラムで計算したスペクトルと比較することによって、W$$^{46+}$$, W$$^{45+}$$、およびMo$$^{32+}$$からのスペクトル線を同定することに成功した。さらに、これらのスペクトル線の強度からタングステンおよびモリブデンイオンの密度を導出し、電子密度に対して、それぞれ$$10^{-5}$$および$$10^{-7}$$と決定した。このタングステンイオン密度を真空紫外分光器から決定されたタングステンイオン密度と比較すると、非常に良い一致を示した。さらに、本X線分光器による連続光強度から決定したプラズマ実効電荷数と可視分光器による連続光強度から決定されたプラズマ実効電荷数を比較し、3倍の範囲で一致することを確かめた。これらから本X線分光器から導出したタングステンおよびモリブデンイオン密度は妥当であると考えられる。一方で、軟X線アレイから決定されたタングステンイオン密度と比較すると、本X線分光器から決定したタングステンイオン密度は1/7であった。軟X線アレイとの不一致の理由を今後の課題として調べる予定である。

口頭

拡張された運動論的MHDモデルによるJT-60U実験解析

白石 淳也; 宮戸 直亮; 松永 剛

no journal, , 

トカマクプラズマにおける電磁流体力学(MHD: Magnetohydrodynamics)モードに対するトロイダル回転シア効果及び運動論効果の解明を目指して、運動論的MHDモデルの拡張を行った。E$$times$$B回転の効果を含む案内中心ラグランジアンを用いることにより、案内中心の運動がコリオリ力と遠心力の影響を受け、それに伴い、MHDモードと粒子運動の共鳴に起因するエネルギー項が拡張されることを示した。この拡張された運動論的MHDモデルをトカマク配位における回転効果を含む抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)解析コードMINERVA/RWMaCに実装した。当コードをJT-60UにおけるRWM実験解析へ応用した結果について報告する。

口頭

モデル妥当性確認と検証を伴ったJT-60SAプラズマ運転シナリオの統合モデリングの進展

林 伸彦; Jeronimo, G.*; 本多 充; 清水 勝宏; 星野 一生; 井手 俊介; Gerardo, G.*; 坂本 宜照; 鈴木 隆博; 浦野 創

no journal, , 

JT-60SAプラズマ運転シナリオの統合モデリングの進展を報告する。予測に最適なモデルを得るため、JT-60UとJETの実験データでモデルの妥当性を確認し、統合コードTOPICSとCRONOSで検証を行った。シミュレーションで運転シナリオ毎のプラズマ性能を調べ、最適なシナリオを開発している。その時、様々な物理を様々なタイプの統合モデリングで調べた。統合ダイバータコードSONICでAr入射によりダイバータ板への熱負荷を許容値以下にできた。不純物輸送コードをTOPICSに結合し、コアのAr蓄積量とその影響を調べている。その他の統合モデリングの現状についても報告する。

口頭

JT-60U解析と予測シミュレーションのための3次元非局所ドリフト運動論コードと境界条件モデルを用いたトロイダル回転モデリング

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.

no journal, , 

トカマクの性能予測に向け、新古典トロイダル粘性(NTV), 径電場,トロイダル回転を自己無撞着に計算でき、スクレイプオフ層プラズマの物理も踏まえた境界条件モデルを組み合わせた、トロイダル運動量輸送のための統合フレームワークを構築した。1.5次元輸送・平衡コードTOPICS, 3次元平衡コードVMEC, 新古典輸送コードFORTEC-3Dを組み合わせることで現実的な非軸対称磁場によるNTVを計算できる。NTVは径電場に敏感であり、径電場に大きな影響を与えるトロイダル回転の境界条件モデリングが必須であるため、JT-60Uの径電場観測結果を踏まえた境界条件モデルを構築した。この統合フレームワークによってJT-60Uのトロイダル回転分布をよく再現することができた。またJT-60SAのトロイダル回転分布予測計算を行った。

口頭

Development of control and data processing system for ITER plasma diagnostic systems

山本 剛史; 波多江 仰紀; 谷塚 英一; 杉江 達夫; 小川 宏明; 竹内 正樹; 北澤 真一; 太田 和也*; 橋本 慰登*; 中村 来*; et al.

no journal, , 

原子力機構は、ITER計画において、周辺トムソン散乱計測装置、ダイバータ不純物モニター及びIRサーモグラフィ装置の詳細設計を進めている。各計測装置の運転及び機能分析を行い、検出器や計測に必要なレーザーなどの周辺機器をトカマクの放電シーケンスに従って動作させる統括制御システムを設計している。計測装置の運転シーケンス管理と進行監視を容易に行えるように、ITERで採用された制御ライブラリであるEPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)のレコードを用いて個々の制御プログラムの起動と終了を管理する機能を新たに開発した。また、インターロック信号の定義データから、EPICSレコードのソースコードを自動生成する機能を設計した結果、ロバストな制御システムを効率的に開発できる見込みを得た。

口頭

Optimization of the magnetic configlation toward large current beam production in the JT-60SA negative ion source

吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 秋野 昇; 遠藤 安栄; 小又 将夫; 藻垣 和彦; et al.

no journal, , 

JT-60SA負イオン源では、JT-60SAにて要求される大電流負イオンビームの長時間生成を達成するための研究課題の一つであるビームの一様性改善を進めている。これまでに従来の磁場構造からテント型磁場構造を基にした新たな磁場構造を用いることで、一様な負イオンビーム生成が可能となった。それと同時に、負イオン生成効率が向上するとともに電子の引出抑制効率が劣化した。本研究ではこれらの原因を解明するために、磁場構造と負イオンの親粒子である水素イオン、原子および電子との関係を調べた。その結果、新たな磁場構造を用いることで生じたフィルター磁場強度の減少によって、水素イオンや原子のプラズマ電極への流入量が増大し、負イオン生成効率が向上したことが分かった。他方、この減少により、プラズマ電極近傍での電子密度が増大して、電子の引出抑制効率が劣化することも分かった。ただし、5枚すべての引出電極の電子による熱負荷は一様で、引出電極の設計の範囲内であった。以上の結果より、改良後の磁場構造が有用であることが分かった。今後この磁場構造を用いて22A、100秒負イオンビーム生成を目指す。

口頭

Assessment of accuracy of plasma shape reconstruction by Cauchy Condition Surface method in JT-60SA

宮田 良明; 鈴木 隆博; 井手 俊介; 浦野 創; 武智 学

no journal, , 

トカマク装置における安定したプラズマ平衡制御のためには正確にプラズマ境界を決定する必要がある。コーシー条件面(CCS)法はプラズマ外部に置かれた磁気計測器から、コーシー条件を持つ仮想面外部の磁束分布を計算し、プラズマ境界を再構築する数学的手法である。JT-60SAにおいて、プラズマ形状再構築誤差が最小となる最適なCCSの形状や未知数の数は、プラズマの大きさに比例することが分かり、この条件を用いることでプラズマ形状再構築精度が大幅に改善した。JT-60SAにおけるCCS法を用いたプラズマ形状再構築精度の評価を報告する。

口頭

JT-60SAクライオスタットの上蓋構造の設計

中村 誠俊; 芝間 祐介; 正木 圭; 逆井 章

no journal, , 

真空断熱容器であるJT-60SAのクライオスタットは、ベース部と胴部で構成され、胴部の上蓋で最終閉止する。上蓋は、曲率8mの欠球形状であり、冷媒配管の支持のため、18個のポートを持つ。上蓋は、2分割で輸送され、組立時に、分割部をボルト締結し、クライオスタット胴部との接続部をクランプ締結する。真空断熱のため、溶接で真空閉止する。通常運転時には、クライオスタット内を10$$^{-3}$$Paまで排気する。事故事象として、地震発生時と冷媒配管のHeリークによるクライオスタットの内圧上昇が想定される。通常運転時、及び内圧上昇時に対して真空シール溶接の健全性の担保に必要な上蓋の剛性を得るために、胴体接続部のフランジ構造、分割部のフランジ構造、フランジ周りの補強を検討した。製作性を考慮して、補強部材の削減を図り、真空シール溶接の補強に有効である径方向リブと強め輪の補強効果を調べた。地震発生時は、18個のクランプで上蓋の胴部からの落下を防止する。補強部材,フランジ,クランプの構造と上蓋の構造健全性について報告する。

口頭

統合ダイバータコードSONICにおけるMPMDシステムの開発

清水 勝宏; 星野 一生; 川島 寿人; 滝塚 知典*

no journal, , 

トカマクシミュレーションにおいて各モデル開発が進展するとともに、コードの統合化が進められている。こうしたコードの結合において、問題となるのは、各コードは複数の開発者(他研究機関)により同時に改良が進められていることである。したがって、各コードの独自性を保ちながら、いかに結合するかが、結合/統合化の際の要(かなめ)である。これを解決するため、独立の複数のプログラムがMassage Passing Interface(MPI)によりデータを必要に応じて交換し、協調して計算を進めるシステム(MPMD: Multiple Program Multiple Data)の開発を行った。このシステムをダイバータでの粒子、熱輸送を解析するため開発しているSONICコードシステムに適用し、並列処理に伴うシステムの計算性能の改善を得た。また、コアの輸送特性との結合にも成功した。

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