Design study of a neutral beam injector for fusion DEMO plant at JAERI

井上 多加志; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 西尾 敏; 坂本 慶司; 佐藤 正泰; 谷口 正樹; 飛田 健次; 渡邊 和弘; 発電実証プラント検討チーム

Fusion Engineering and Design, 81(8-14), p.1291 - 1297, 2006/02

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2005.08.074

核融合発電実証プラント用中性粒子入射装置(NBI)について、発電実証炉で要求される性能を議論し、その実現への技術課題を検討した。大型プラズマの加熱・電流駆動を担う発電実証プラントのNBIは、これまで以上の高効率,高エネルギー,高信頼性・長寿命化が要求される。加速器には、高効率・高エネルギーの点から、静電加速方式の選択が現実的である。放射線環境での運転を考慮すると真空絶縁が不可欠であり、その設計ガイドラインから、ビームエネルギー1.52MeVが可能であることを示した。負イオン源の信頼性向上,長寿命化ためには、従来の大電流・高電流密度負イオン生成技術に立脚した、フィラメントレス・セシウムフリー負イオン源の開発が必要である。さらに、NBIシステムの効率を決める中性化方式については、従来のガス中性化(効率60%)では要求性能を満足し得ず、中性化効率80%以上のプラズマ中性化等が必要となる。最近、高効率・連続運転の可能な高出力半導体レーザーが製品化されており、これを用いて中性化効率90%以上を実現するレーザー中性化セルの概念を提案する。

R&D on a high energy accelerator and a large negative ion source for ITER

井上 多加志; 谷口 正樹; 森下 卓俊; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 今井 剛*; 柏木 美恵子; 坂本 慶司; 関 孝義*; 渡邊 和弘

Nuclear Fusion, 45(8), p.790 - 795, 2005/08

https://doi.org/10.1088/0029-5515/45/8/004

本論文では、ITER NBIシステムを実現するために原研が行ってきた、1MeV加速器と大型負イオン源の開発研究に関する以下の成果を報告する。(1)加速器開発:耐電圧性能の向上により、HイオンのMeV級加速試験が進展した。これまでに、1MeV, 100mA級Hイオンビームを実用規模である100A/m程度の電流密度で発生しており、イオン源運転条件の調整により、さらなる電流密度の増大が見込まれる。(2)大型負イオン源開発:従来、大面積引き出し面上に生成する負イオンの一様性が問題となっていたが、本研究により、磁気フィルターから局所的に漏れ出た高速電子が負イオン引き出し部に生成した訃音を破壊していることが明らかになった。本論文では、高速電子漏洩の遮断による一様性改善の結果を報告する。

中性粒子入射装置用高出力負イオン源と加速器の開発研究

井上 多加志

JAERI-Research 2005-006, 87 Pages, 2005/03

JAERI-Research-2005-006.pdf:10.53MB

国際熱核融合実験炉ITER用中性粒子入射装置(NBI)実現の1ステップとして、高出力の負イオン源と加速器を開発した。負イオン表面生成の理論的検討から、体積/表面積比を最大化して高密度水素原子生成を実現するカマボコ型負イオン源を開発した。さらに、高速電子(Te1eV)による負イオン損失を抑制し、かつ水素原子の負イオン引き出し領域への拡散を妨げない「外部磁気フィルター」を装着し、低ガス圧力(0.3Pa)においてITERの要求性能を上回る高電流密度(300A/m)のHイオン生成を達成した。ITER加速器では放射線誘起伝導によりSF等の絶縁ガスを使用できないため、真空絶縁技術の開発を行った。加速器運転中の圧力は0.020.1Paとなることから、真空アーク放電並びにグロー放電の絶縁設計ガイドラインを策定し、真空絶縁加速器を設計した。加速管の沿面放電防止のために陰極接合点の電界を低減し、1MVを安定に保持できる真空絶縁のMeV級加速器を開発した。これまでに900keV, 80A/mのHイオン(全電流値:0.11A)を数百ショット加速することに成功し、ITER NBIの実現に向けた見通しを得た。

高速中性原子・分子ビーム装置の製作とそのビーム特性評価

鉢上 隼介; 寺岡 有殿

JAERI-Tech 2004-066, 69 Pages, 2004/11

JAERI-Tech-2004-066.pdf:7.44MB

広い範囲の速度を持ち、化学的に活性な原子や分子のイオン及び中性粒子ビームを利用することによって、さまざまな材料表面での化学反応の研究を進展させることを目的として、高速中性原子・分子ビーム装置を製作した。本報告書では装置の詳細と、実際に発生させた酸素原子・分子のイオンビーム及び中性粒子ビームの特性について解説する。本装置はプラズマイオン源,静電レンズ系,質量選別器,電荷交換室から構成された超高真空装置である。加速エネルギーが8keVのとき全酸素イオン電流値は52マイクロアンペア、20eVのときでも17マイクロアンペアが得られている。また、質量分離も良好で、20eVのとき酸素分子イオンビームの電流値は11マイクロアンペア、酸素原子イオンビームでは5.5マイクロアンペアが得られた。イオンビームと酸素ガスとの電荷交換反応によって1平方センチメートルあたり毎秒10の12乗個程度のフラックス密度の中性原子・分子ビームが得られることがわかった。

Formation of a charge-exchange target for fast ions in the plasma of large-scale toroidal devices under NBI conditions

Mironov, M. I.*; Khudoleev, A. V.*; 草間 義紀

Plasma Physics Reports, 30(2), p.164 - 168, 2004/02

https://doi.org/10.1134/1.1648943

高エネルギー荷電交換計測により、水素様不純物イオンによる水素イオンの中性化によって生成される高速原子の分布関数を決定することができる。分布関数を得るためには、プラズマ中でのターゲットイオンの成分と空間分布を知る必要がある。荷電交換標的粒子は、不純物原子核と加熱用中性粒子ビームとの相互作用で生成される。中性粒子ビームと計測装置との位置関係に基づき、ターゲット粒子の軌跡を計算する必要がある。実際のトカマク配位での不純物イオンのバランスを構築する原子の基礎過程を考慮するモデルが提案されている。JT-60Uプラズマへこのモデルを適用する。荷電交換原子束の形成機構を調べた。荷電交換束への異なったビーム入射装置の相対的な寄与を評価した。計算結果に基づき、固定した分析器を用いたイオン分布関数の局所的な測定の方法を提案する。

ITER NBI保守用セシウム除去装置の概念設計

岡 潔; 柴沼 清

JAERI-Tech 2003-004, 57 Pages, 2003/03

JAERI-Tech-2003-004.pdf:2.36MB

ITERプラズマ加熱装置の1つである中性子入射装置(NBI装置)において、負イオンを安定に発生させるためにセシウムが必要となる。しかし、NBI装置を長時間運転したあと、セシウムは電極の支持部分を絶縁する部分(碍子)に付着するため、碍子の絶縁抵抗値が低下し、運転の継続が困難となる。このため、一定期間ごとに碍子部分のセシウムを除去及び清掃する必要がある。NBI装置は、プラズマからの中性子照射によって放射化されるため、遠隔操作によるセシウム除去及び清掃を実施するためのシナリオとセシウム除去装置の検討が必要である。このような背景の下、本報告では、レーザーアブレーション法をセシウム除去に適用した場合の除去手順と、遠隔によるセシウム除去装置の概念設計について、その検討結果を報告するものである。

Operation and develoment on the positive-ion based neutral beam injection system for JT-60 and JT-60U

栗山 正明; 秋野 昇; 海老沢 昇; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 藻垣 和彦; 大賀 徳道; 大原 比呂志; 梅田 尚孝; et al.

Fusion Science and Technology (JT-60 Special Issue), 42(2-3), p.424 - 434, 2002/09

https://doi.org/10.13182/FST02-A238

JT-60用正イオンNBI装置は、水素ビームを使って1986年にプラズマ加熱のための運転を開始し、入射パワーとして75keV,27MWを達成した。1991年、JT-60の大電流化改造に対応するために重水素ビームを入射出来るようにした。重水素ビームでの開発研究を進め、1996年に世界最高のビーム入射パワーである95keV,40MWの重水素中性ビームをJT-60プラズマに入射した。このような大出力中性粒子ビームを安定にプラズマに入射することにより、JT-60における世界最高性能プラズマの達成に大きく寄与した。

Design of neutral beam system for ITER-FEAT

井上 多加志; Di Pietro, E.*; 花田 磨砂也; Hemsworth, R. S.*; Krylov, A.*; Kulygin, V.*; Massmann, P.*; Mondino, P. L.*; 奥村 義和; Panasenkov, A.*; et al.

Fusion Engineering and Design, 56-57, p.517 - 521, 2001/10

https://doi.org/10.1016/S0920-3796(01)00339-8

ITER-FEAT用中性粒子ビームシステムは2基の入射装置から成り、1MeV,33MWのDビームを入射することによってITER-FEATプラズマを加熱するとともに、3600秒までの入射によりプラズマ電流を駆動して定常運転に貢献する。JT-60ほかにおけるプラズマ物理研究では、周辺部電流駆動による性能向上とその定常化が注目されているが、ITER-FEATでは空間的制約の厳しい水平面内で入射接線半径を最大とし、さらに垂直方向にもビーム軸をプラズマ磁気軸から0.35-0.95mの範囲で可変となることにより、電流駆動位置の最適化が可能な配置・設計となっている。またビームライン機器の構造を最適化した結果、ビームの幾何学的輸送効率が改善され、発散角7mrad以下のビームに対して入射効率40%以上を達成する設計となっている。

Steering of H ion beamlet by aperture displacement

井上 多加志; 鈴木 靖生*; 宮本 賢治; 奥村 義和

JAERI-Tech 2000-051, 16 Pages, 2000/09

JAERI-Tech-2000-051.pdf:2.27MB

核融合実験炉用中性粒子入射装置(NBI)では、大面積から発生する負イオンビームを集束するとともに、引き出し部での電子抑制磁場によるビーム偏向を補正することが必要となる。本報告は、上記ビーム集束と磁場偏向の補正を孔変位によるビーム偏向で行うための基礎研究結果をまとめたものである。4枚の電極からなる引き出し部・加速器内の電極孔を意図的に変位させることにより、エネルギー50keVまでのHイオンビームを偏向した。電子抑制電極及び設置電極に孔変位を設けることにより良好な偏向特性が得られ、多孔大面積加速器から発生する負イオンビームの集束に適することが判明した。さらに孔変位によるビーム偏向が引き出し部内の磁場の方向に依存しないことを確認し、磁場によって偏向されたビームの軌道補正にも孔変位によるビーム偏向が適用可能であることを明らかにした。

Power flow in the negative-ion based neutral beam injection for JT-60

栗山 正明; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 疋田 繁紀*; 本田 敦; 伊藤 孝雄; 河合 視己人; 椛澤 稔; 日下 誠*; et al.

Review of Scientific Instruments, 71(2), p.751 - 754, 2000/02

https://doi.org/10.1063/1.1150283

500keVで10MW入射を目標とするJT-60用イオンNBIは、1996年以来約3年間運転している。このNBIでのイオン源当たりの出力としてこれまでは負イオン水素ビームで360kV,18.5Aの加速を行っており、またJT-60プラズマへの入射実験では、5.2MWの中性ビーム入射を果している。イオン源及びビームラインでのパワーフロー測定結果によると、加速ビームの30~40%が三段加速の電極で失われている。このロスの大部分はビーム自身の各電極への直接衝突によって生じている。アークチャンバー側壁のカスプ磁場による偏向の影響を最小にするため、引出し領域の両端(全引出し面積の約10%)をマスクしたところ、このロスは約30%減少した。このロスをさらに小さくするための原因究明の研究を続けている。