核融合発電実証プラントに向けた炉工学研究開発の展開

核融合工学部

JAERI-Review 2005-011, 139 Pages, 2005/03

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我が国の核融合工学研究開発は原子力委員会策定の「第三段階核融合研究開発本計画」に基づき、国際熱核融合実験炉(ITER)に必要な主要構成機器の開発・高性能化を図ること、及び核融合炉開発に必要な炉工学技術の基盤を構築すること、の2項目の実現を目標とする。原研は、これらにかかわる研究開発の中心的機関として、ITER工学技術開発及び建設・運転に向けた研究開発,ITERでの工学試験及び発電実証プラントに向けた研究開発、及び核融合工学基盤研究を実施している。本報告は、ITERでの工学試験及び発電実証プラントに向けた研究開発の現状と今後の展開を、核融合工学基盤研究を含めて取り纏めるものであり、これまでの核融合炉工学研究開発の進捗をレビューするとともに、発電実証プラントに向けた研究開発中核である発電ブランケット開発,材料開発,IFMIF計画について、その計画目標,技術課題及び研究開発計画について述べる。また各種炉工学機器の高度化及び核融合基盤研究に関する展開を紹介する。

Radiation induced conductivity and voltage holding characterisics of insulation gas for the ITER-NBI

藤原 幸雄; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 宮本 賢治; 宮本 直樹*; 小原 祥裕; 奥村 義和; 渡邊 和弘

Proc. of Joint Meeting of 8th Int. Symp. on the Production and Neutralization of Negative Ions & Beams, p.205 - 215, 1997/00

現在進められているITER工学設計では、装置のコンパクト化を図る目的でイオン源と加速器の周囲に絶縁ガスを充填することが検討されている。一方、核融合装置は強力な放射線発生源となるため、絶縁ガスの使用にあたっては放射線の影響を考慮しなければならない。本研究では、コバルト60線を用いた絶縁ガスへの照射実験を行い、高電圧環境下の各種絶縁ガス(SF,CF,CO,空気,SFと空気の混合ガス)に対する線の影響を調べた。絶縁ガス中を流れる電離電流は、ガスの体積、ガスの圧力、吸収線量、ガスの分子量に比例することが明らかとなった。また、線照射による絶縁破壊電圧の低下は高々10%程度であった。

Development of a 500 keV, 22A D ion source for the neutral beam injector for JT-60U

奥村 義和; 藤原 幸雄; 本田 敦; 井上 多加志; 栗山 正明; 宮本 賢治; 宮本 直樹*; 藻垣 和彦; 永瀬 昭仁*; 小原 祥裕; et al.

Review of Scientific Instruments, 67(3), p.1018 - 1020, 1996/03

https://doi.org/10.1063/1.1146743

JT-60U用負イオン中性粒子入射装置のために、500keV、22Aの重水素負イオンビームを10秒間発生できる大型負イオン源の開発を進めている。負イオンはセシウム添加体積生成型のプラズマ源で生成され、110cm45cmの引き出し領域に1080個の電極孔を持つ多孔型3段加速系で500keVまで加速される。全体のサイズは直径約2m、高さ1.7mである。テストスタンドでの負イオン生成試験と高電圧試験を済ませた後、負イオン源は中性粒子入射装置全体に装着され、500keVビーム生成試験に供されている。これまでに、340keV 3.6A(1.2MW)の重水素負イオンビームとしては世界最高の電流値とパワーを記録した。

Merging beam experiment of intense negative ions for advanced compact neutral beam injectors

井上 多加志; 宮本 賢治; 水野 誠; 奥村 義和; 小原 祥裕; G.D.Ackerman*; C.F.Chan*; W.S.Cooper*; J.W.Kwan*; M.C.Vella*

15th IEEE/NPSS Symp. on Fusion Engineering,Vol. 1, 0, p.474 - 477, 1994/00

強力負イオンビームを集束するイオン引出し系の開発を行っている。この引出し系は、球面状に湾曲した電極からマルチビームレットを生成し、加速しつつ集束して1本のビームを形成してさらに高エネルギーまで加速するものである。この集束技術を中性粒子入射装置に適用すると、1)コンパクトなビームライン,2)高効率加速,3)ビームエネルギーを上げ、高い電流駆動性能、が得られる可能性がある。原研における最近の実験では、7個の引出し孔から発生したマルチビームレットを集束し、100keV、60mAのシングルビームを生成、ビーム外縁径20mm、ビーム発散角30mradとすることに成功した。このビーム条件は静電四重極(ESQ)加速器の入射条件をほぼ満たしており、原研の負イオン源と集束引出し系を米国ローレンスバークレー研究所(LBL)に持ち込み、ESQ加速器との組合せ試験を行う予定である。

Negative ion based neutral beam injector for JT-60U

奥村 義和; 荒木 政則; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 国枝 俊介; 栗山 正明; 松岡 守; 水野 誠; 小原 祥裕; 田中 政信*; et al.

Production and Neutralization of Negative Ions and Beams; AIP Conference Proceedings 287, p.839 - 848, 1994/00

https://doi.org/10.1063/1.44830

JT-60Uのための、負イオンを用いた中性粒子入射装置(NBI)の設計と開発の現状について解説する。このNBIは500keV、22Aの重水素負イオンビームを発生できる負イオン源2台を用いて、10MWの中性粒子ビームを入射するものであり、世界で初めての負イオンNBIである。負イオン源は、セシウム添加型体積生成方式であり、広い範囲に一様に負イオンを生成するため、原研で開発したPGフィルターを用いている。また、3段の静電加速系を用いて、負イオンのみを収束性良く加速する設計となっている。加速された負イオンは、ガス中性化された後、長いビームラインを通して入射される。システムの全体効率は、40%である。

Development of an amorphous surge blocker for a high voltage acceleration power supply of the neutral beam injectors

水野 誠; 小原 祥裕; 渡邊 和弘; 尾崎 章*

JAERI-M 93-214, 13 Pages, 1993/10

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中性粒子入射装置高電圧加速電源用のアモルファスサージブロッカーの開発を行った。アモルファスコアの飽和磁束密度がフェライトコアに比較して高いため、アモルファスコアを用いて構成したサージブロッカーは従来のフェライトコアを用いたサージブロッカーに比べ大幅に小型化が可能である。そこで、350kV、0.05Volt-secondのサージブロッカーの設計、製作、試験を行った。アモルファスコアはアモルファスの薄帯を層間絶縁用のフィルムとともに巻き上げることにより成形し、磁気特性を回復させるための熱処理を施した。コアは電気絶縁のためエポキシ樹脂でモールドし、SFガスを充填したFRP管に収納した。試験の結果、設計値以上のVolt-second値を有することが確認された。また、コアでの絶縁破壊は観測されなかった。これより、アモルファスサージブロッカーが中性粒子入射装置高電圧加速電源に適用可能なことが明らかとなった。

中性粒子入射装置用の500keV、22A重水素負イオン源の開発

奥村 義和; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 前野 修一*; 宮本 賢治; 水野 誠; 小原 祥裕; 田中 政信*; 渡邊 和弘

第4回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム, p.51 - 54, 1993/00

JT-60U用の負イオンNBIのためには、500keV,22Aの重水素負イオンビームを10秒間発生できる負イオン源が必要である。これは、世界で初めての負イオンNBI用のイオン源であり、その性能は従来のイオン源を遙かに凌ぐものである。負イオン源の設計と、設計に関連した最近の研究開発の結果について述べる。

Long pulse operation of a cesium-seeded multicusp H ion source

奥村 義和; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 水野 誠; 小原 祥裕; 鈴木 靖生*; 田中 秀樹*; Tanaka, M.*; 渡邊 和弘

Review of Scientific Instruments, 63(4), p.2708 - 2710, 1992/04

https://doi.org/10.1063/1.1142830

冷却構造を改良した大型の負イオン源を用いて、最大24時間の長パルスの負イオンビームを生成した。用いた負イオン源はセシウム添加された体積生成型負イオン源であり、10cm9cmの領域に11.3mmの引き出し孔38個をもつ。各電極の熱負荷を測定し、最適化された状態で50keV、0.52A(14mA/cm)、1000秒の運転を行った。その間、負イオンビーム電流は一定であり、ビーム光学の悪化もなかった。更にセシウムの消費量を調べるため、約100mgのセシウムを注入した状態で24時間の長パルス運転を行い、セシウムの効果がわずかに減少しながらも持続すること(即ち、セシウムの消費量は極めて少いこと)を確認した。

Maintenance of neutral beam injectors for ITER; Japanese proposal

田中 茂; 小原 祥裕; 秋場 真人; 荒木 政則; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 水野 誠; 奥村 義和; 関 昌弘; 渡邊 和弘; et al.

Fusion Engineering and Design, 18, p.507 - 515, 1991/00

https://doi.org/10.1016/0920-3796(91)90170-U

ITER用粒子入射装置の保守、修理に関する概念およびシナリオを提案した。本提案の主な特徴は、以下の通りである。1)1台当り数百トンになる粒子入射装置の重量を支持するため、コンクリート製支持構造を採用。2)天井クレーンの負荷を下げ、保守分解を容易にするために、各粒子入射装置をイオン源ユニットとビームラインユニットに分割可能とした。3)イオン源ユニットは、頻繁な保守を必要とするので、レールシステムにより個別移動が可能。4)放射化物の飛散による汚染を防止するため、二重ドアシステムを採用。5)レーザ溶接/切断や形状記憶合金を接合/分離に利用。6)故障発生時は、当該ユニットを別室のホットセルに移動し、遠隔操作で修理する。以上のような基本概念に基づき、イオン源ユニットの分解/組立、ビームラインユニットの分解/組立の4通りの場合について、シナリオを決定した。

Beam optics in a negative ion source with a 250keV electrostatic accelerator

井上 多加志; 花田 磨砂也; 水野 誠; 奥村 義和; 小原 祥裕; 鈴木 靖生*; 田中 秀樹*; 田中 政信*; 渡邊 和弘

Proc. of the 4th Symp. on Ion Sources and Ion-Assisted Technology, p.137 - 140, 1991/00

核融合実験炉用NBIのための強力加速管R&Dの一環として、単一ギャップ静電加速型負イオン源の高エネルギー加速実験を行った。(1)1.5mradという非常に小さな発散の負イオンビームが得られた。この値から負イオン温度と規格化エミッタンスはそれぞれ0.2eV、0.008cmmradと見積られた。このように収束性の良い負イオンビームを得る条件を検討した。(2)負イオン源にセシウムを添加した条件下で、230keV、5mA、発散角4.2mradのビーム生成に成功した。現在までのところ、セシウム導入に伴う加速管の耐電圧劣化は観測されていない。