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報告書

JT-60中性粒子入射加熱装置の解体

秋野 昇; 遠藤 安栄; 花田 磨砂也; 河合 視己人*; 椛澤 稔; 菊池 勝美*; 小島 有志; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 根本 修司; et al.

JAEA-Technology 2014-042, 73 Pages, 2015/02

JAEA-Technology-2014-042.pdf:15.1MB

日欧の国際共同プロジェクトであるJT-60SA計画に従い、JT-60実験棟本体室・組立室及び周辺区域に設置されている中性粒子入射加熱装置(NBI加熱装置)の解体・撤去、及びその後の保管管理のための収納を、2009年11月に開始し計画通りに2012年1月に終了した。本報告は、NBI加熱装置の解体・収納について報告する。

論文

Technological development and progress of plasma performance on the JT-60U

山本 巧; JT-60チーム

Fusion Engineering and Design, 66-68, p.39 - 48, 2003/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:71.48

JT-60Uにおける技術開発の成果とそれによるプラズマ性能の進展を発表する。JT-60Uの主目的は、ITERや定常核融合炉における物理及び技術基盤の確立に寄与するプラズマや装置機器性能を実証することである。そのため、JT-60Uでは、プラズマ加熱・電流駆動装置として、500keVの負イオン源中性粒子ビーム入射装置と110GHzの電子サイクロトロン加熱装置を新たに開発した。さらに、効果的な燃料補給装置としての遠心型ペレット入射装置を開発・整備した。これらの装置を使用して、プラズマ実験研究を進め、プラズマ性能の向上を達成した。

論文

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

 被引用回数:4 パーセンタイル:64.96(Nuclear Science & Technology)

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。

論文

Heating and current drive by N-NBI in JT-60U and LHD

金子 修*; 山本 巧; 秋場 真人; 花田 磨砂也; 池田 勝則*; 井上 多加志; 永岡 賢一*; 岡 良秀*; 長壁 正樹*; 竹入 康彦*; et al.

Fusion Science and Technology, 44(2), p.503 - 507, 2003/09

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

負イオンNBI装置は、ITER 等の核融合プラズマを加熱・電流駆動するための効果的かつ信頼性ある装置として期待されている。負イオン生成やビーム発生の技術開発は、1980年代に世界的に開始され、現在までに、著しく進展してきた。特に、日本では、二つの大型核融合開発プロジェクトで核融合プラズマの実験研究のために負イオンNBI装置を実際に用いた計画を進めている。一つは、日本原子力研究所におけるJT-60Uトカマク計画であり、他の一つは核融合科学研究所のLHDヘリオトロン計画である。これらの計画は、負イオンNBI装置の開発を更に促進し、両研究所で順調に開発成果を上げてきた。JT-60Uでは、1996年に最初のビーム入射実験を行い、その後、1998年には、LHDでビーム入射実験が行われた。これらは、トカマク及びヘリオトロンでの最初の負イオンNBI装置を用いた加熱・電流駆動実験であり、将来有望な成果が得られた。

論文

Combined non-inductive current drive in a high confinement reversed magnetic shear plasma at high normalized density in JT-60U

井手 俊介; 藤田 隆明; 鈴木 隆博; 波多江 仰紀; 内藤 磨; 鎌田 裕; 関 正美

Plasma Physics and Controlled Fusion, 44(11), p.L63 - L69, 2002/11

 被引用回数:25 パーセンタイル:27.42(Physics, Fluids & Plasmas)

グリーンワルド密度の82%の高密度領域でHモードスケーリングの1.4倍の閉じ込めを持った負磁気シア放電の完全非誘導電流駆動に、初めて成功した。完全非誘導電流駆動は、低域混成波と中性粒子ビームによる電流駆動を62%のブートストラップ割合を持つプラズマに行って実現した。異なる非誘導電流駆動を組み合わせることにより、高ブートストラップ負磁気シア放電における中心と周辺同時の電流分布を変えることに成功した。

論文

Optimization of plasma grid material in cesium-seeded volume negative-ion sources

柏木 美恵子; 森下 卓俊; 奥村 義和; 谷口 正樹; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘; Krylov, A.*

Review of Scientific Instruments, 73(2), p.964 - 966, 2002/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:48.07(Instruments & Instrumentation)

中性粒子入射装置の負イオン源において、セシウム(Cs)を添加することで負イオン電流密度が増加する。そのときプラズマ電極表面の仕事関数が下がり、電極表面での負イオン生成が促進されることがわかっている。負イオン生成効率をあげるためには、より低仕事関数電極を用いることが重要である。そこで、フィラメントフリーのマイクロ波水素プラズマ源を用い、Cs添加時における9種類の金属の表面状態を調べた。表面状態の観察にはAr$$^{+}$$レーザー(488nm)を用い、これを電極表面に照射したときの光電子電流を測定した。仕事関数が低いとき、より高い光電子電流が得られる。その結果、金、銀、ニッケルで光電子電流が最も高く、仕事関数が低いことがわかった。フィラメント材料であるタングステンはその67%、従来の電極材料であるモリブデンはその17%となった。この結果から、従来よりもさらに負イオン電流の増加が期待できる低仕事関数の電極の見通しを得た。

論文

Reactor relevant current drive and heating by N-NBI on JT-60U

及川 聡洋; 鎌田 裕; 諫山 明彦; 藤田 隆明; 鈴木 隆博; 梅田 尚孝; 河合 視己人; 栗山 正明; Grisham, L. R.*; 池田 佳隆; et al.

Nuclear Fusion, 41(11), p.1575 - 1583, 2001/11

 被引用回数:40 パーセンタイル:20.68(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマク炉における加熱・電流駆動方式として有力な負イオン中性粒子ビーム(N-NB)の加熱・電流駆動特性のJT-60Uにおける研究成果を報告する。従来、MSE計測から同定されたN-NB駆動電流分布は理論予測と一致することを電子温度5keV程度において実証してきた。電子温度が10keV以上となるITERにおいても理論予測に従った電流駆動性能が得られることを実証するために、電子サイクロトロン波入射により生成した高電子温度、低密度プラズマにおいてNNB駆動電流分布を精度よく計測して、電子温度10keVの領域においても理論予測通りの電流駆動特性を持つことを明らかにした。このとき、駆動電流1MA、電流駆動効率1E19 A/m2/Wを同時達成し、N-NBの高い電流駆動性能を実証した。また、電子温度が13keVに達した高$$beta_{p}$$ Hモードプラズマにおいては、中性粒子ビームとしては世界最高の電流駆動効率1.55E19 A/m2/Wを実現した。またプラズマ中に不安定性が存在する場合のN-NB電流駆動への影響についても明らかにした。高いビーム圧力により駆動される間欠的不安定性がプラズマ中心部において発生したときには、中性子発生率の減少及び中心部におけるN-NB駆動電流の減少を観測した。但し、損失した駆動電流量は全駆動電流量の7%程度であり大きな影響ではない。低モード数のテアリング不安定性が発生しているプラズマにおいては不安定性の強度とともに、また、不安定性発生位置がN-NB高速イオンの分布と一致しているときに中性子発生率の計算値と実測値のずれが大きくなることを明らかにした。中性子発生率はビームイオン損失の指標であることから、テアリング不安定性がビームイオン損失を引き起こし駆動電流分布及び加熱分布に影響を与えていることを意味する。

報告書

直流アーク放電型プラズマ中性化セルの開発

柏木 美恵子; 奥村 義和; 花田 磨砂也; 森下 卓俊; 渡邊 和弘; 折田 善崇*; 堀池 寛*; 井門 俊治*

JAERI-Tech 2001-046, 19 Pages, 2001/06

JAERI-Tech-2001-046.pdf:1.79MB

負イオンビームを用いた中性粒子入射装置の高効率化にために、中性化効率が60%である現在のガス中性化セルに対し80%以上となるプラズマ中性化セルの開発が重要である。本研究ではプラズマ中性化セルの実現に向けて、アーク放電型の円筒形多極磁場型大容量プラズマ源(長さ2000mm$$times$$直径600mm)を設計製作し、プラズマ生成実験を行った。プラズマの閉じ込め性能比較のために小型の円筒形プラズマ源での試験も実施した。その結果、閉じ込め性能の高いプラズマ源では低ガス圧で電離度の高いプラズマが得られることが確認され数値解析による傾向と一致した。さらに高電離プラズマ生成を目指してアルゴンプラズマ生成実験を行い、中性化実験に必要な電離度(10%)とプラズマ線密度(4.5$$times$$10$$^{15}$$cm$$^{-2}$$)を得た。また、アークパワー30kW,0.027Paにおいて17%の電離度を得た。

論文

Formation of internal transport barriers and its impact on the JT-60U plasmas

井手 俊介; JT-60チーム

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.4, p.99 - 105, 2001/00

JT-60U負磁気シアプラズマにおける内部輸送障壁(ITB)の特性と、それの構造と電流分布や径電場との関連について報告する。詳細な内容は、(1)低域混成波による外部電流駆動(LHCD)により電流分布を変えることによりITBの位置を変え閉じ込めを改善することができた。さらにN-NBIを組み合わせることにより、完全電流駆動と高閉じ込め(H$$_{98.y2}simeq$$1.4)を高密度領域(0.82$$times$$n$$_{GW}$$)で実現した。(2)接線NBIの組み合わせをかえることにより、入射トロイダルトルクの分布をかえた時にITB領域での温度勾配がかわることを示した。またこの時に、径電場にも変化があり、ITBの外側境界付近の径電場の空間微分の大小がITBでの温度勾配と相関があることを示した。

論文

Fast particle experiments in JT-60U

Kramer, G. J.; 岩瀬 誠; 草間 義紀; 森岡 篤彦; 根本 正博; 西谷 健夫; 篠原 孝司; 竹治 智; 飛田 健次; 小関 隆久; et al.

Nuclear Fusion, 40(7), p.1383 - 1396, 2000/07

 被引用回数:43 パーセンタイル:19.81(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60UにおいてICRF加熱または、N-NBI加熱を用いて高速イオンの実験を行ってきた。両方の加熱手法でアルフヴェン固有(AE)モードの励起を観測した。ICRF加熱中のAEモードの解析から以下のことがわかった。(1)鋸歯状振動中にICRF加熱によって励起されたAEモードの情報からプラズマ中心領域の安全係数分布を評価をすることができた。これらの結果はMSE計測結果及び、鋸歯状振動の理論計算モデルと良く一致し、この解析手法の正当性を示した。(2)X-モード反射計を用いてTAEモードの径方向のモード構造がJT-60Uで初めて評価し、これらのモードがNOVA-Kコードで予測されたバルーニング構造を持つことを明らかにした。また、N-NBI加熱実験から以下の結果を得た。(1)N-NBI加熱によって鋸歯状振動周期が長期化できることがわかった。(2)N-NBI入射中にアルフヴェン周波数領域のモードを解析した結果、通常のTAEモード以外にバースト的な振る舞いをするモード、周波数捜引するモードが存在することを明らかにした。

論文

Study of plasma uniformity on JT-60 negative ion source

河合 視己人; Grisham, L. R.*; 伊藤 孝雄; 椛澤 稔; 栗山 正明; 藻垣 和彦; 奥村 義和; 渡邊 和弘

Review of Scientific Instruments, 71(2), p.755 - 757, 2000/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:53.02(Instruments & Instrumentation)

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ち、負イオン生成部、引出部、加速部から構成される。負イオン生成部はセシウム添加型体積生成方式を採用しており、アークチャンバは半円筒形状で、その内径は64cm$$phi$$、内側の長さ122cmで、プラズマの一様性は10%以下を目標としている。可動プローブによるビームプロファイル測定や8系統のアーク放電電流比較の結果、不均一性の大きいことがわかった。この不均一性改良のため、(1)フィラメント加熱電力増大及びビーム引出前プリアーク時間の延長、(2)8系統のアーク電源限流抵抗値の調整を行った。(1)の結果、アンバランス量及び電流時間変化を抑制でき、かつ、ビーム電流の安定性も改善できた。(2)の結果、限流抵抗値調整により電流アンバランス補正に有効な初期データを得られた。

論文

JT-60U high performance regimes

石田 真一; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 39(9Y), p.1211 - 1226, 1999/09

 被引用回数:36 パーセンタイル:23.5(Physics, Fluids & Plasmas)

W型ダイバータへの改造後のJT-60Uにおける高性能化実験に関するレビュー論文である。プラズマ性能は、負磁気シアと高$$beta$$$$_{p}$$プラズマ領域にて大きく改善された。負磁気シアでは、等価核融合増倍率Q$$_{DTeq}$$が世界最高値1.25を記録した。定常化に向けてLHとNBを組合せ、負磁気シア配位を保ったまま、内部輸送障壁を6秒間維持した。輸送解析は、内部輸送障壁の近傍で熱・粒子拡散係数が顕著に低下し、強い径電場シアが形成されていることを示した。W型ダイバータの効果として、中性粒子逆流や化学スパッタリング効果の低減を予測通り観測した。N-NBI実験では、駆動電流分布を実験的に評価し、高エネルギービーム入射による電流駆動の理論的予測を実証した。N-NBIはTAEモードを励起したが、高速イオンの損失は顕著ではなかった。定常高性能化を進めた高$$beta$$$$_{p}$$Hモード実験では、高三角度配位にてQ$$_{DTeq}$$~0.16を4.5秒間維持することに成功した。

報告書

JT-60U負イオン源用熱伝導型セシウム導入管の開発

山崎 晴幸*; 伊藤 孝雄; 薄井 勝富; 藻垣 和彦; 栗山 正明; 佐藤 藤雄*; 大島 克己*; 大森 憲一郎; 渡邊 和弘

JAERI-Tech 99-054, 49 Pages, 1999/07

JAERI-Tech-99-054.pdf:1.92MB

JT-60U用負イオン源では負イオン生成効率向上のため、アークチェンバ内にセシウム(Cs)蒸気を導入する。従来のCs導入装置は高電圧ノイズにより、しばしば真空側のヒータが断線・故障した。このCs導入装置を高電圧ノイズに強くするため、熱伝導型導入管の開発とヒータ回路の改良を行った。熱伝導型導入管は、ヒータの断線時に修理を簡単にするため、大気圧側の導入管の一部を加熱して真空側を熱伝導で昇温する構造とした。開発にあたり、計算機でシミュレーションしてモデルを設計・製作し、性能確認試験を行った後、これを負イオン源に採用した。また、ヒータの断線を防止するため、加速電圧の印加中はヒータの電源を遮断するように回路を改良した。以上の2点の改良により、Cs導入装置のヒータに関する故障はほとんどなくなり、現在、順調に運転中である。

論文

定常炉心試験装置(JT-60SU)の概念設計

牛草 健吉

プラズマ・核融合学会誌, 74(2), p.117 - 125, 1998/02

核融合実験炉・原型炉の定常運転の科学的基盤の構築を目指した実験装置、定常炉心試験装置JT-60SUの概念設計を解説した。装置はプラズマ電流5-6MAの長パルス運転(1000秒~1時間)が可能となるよう設計されている。装置の概要を示した後、物理設計における特長を示し、長パルス運転シナリオ、高密度運転、プラズマ形状制御、電流分布制御、ダイバータ設計など、JT-60の実験成果に基づいた検討内容を紹介した。また、工学的設計の特徴として超伝導コイル系、真空容器、加熱・電流駆動システム、遠隔操作システム、材料開発、放射線遮蔽、トリチウム処理設備を概説し、全システムの成立性を明らかにした。

論文

Present status of JT-60SU design

栗田 源一; 牛草 健吉; 菊池 満; 永島 圭介; 閨谷 譲; 宮 直之; 豊島 昇; 高橋 良和; 林 巧; 栗山 正明; et al.

Proc. of 17th IEEE/NPSS Symposium Fusion Engineering (SOFE'97), 1, p.233 - 236, 1998/00

SSTRのような定常トカマク炉を実現するためにはアルファ粒子の加熱に加えて、高q(5~6)と高$$beta$$$$_{p}$$(2~2.5)において、良好な粒子制御体での高いエネルギー閉込め(Hファクター$$>$$2)、安定な高規格化$$beta$$($$beta$$$$_{N}$$~3.5)、高いブートストラップ電流の割合と高効率電流駆動、ダイバータによる熱負荷の軽減とヘリウム排気等を同時に達成する必要がある。定常炉心試験装置は、ITERの先進的シナリオに貢献すると同時に、このような炉に適した運転モードを重水素を用いて確立するために、研究されている。18個のTFコイルは、R=4.8mにおいて6.25Tのトロイダル磁場を発生し、10組のPFコイルは、楕円度2まで、三角形度は、ダブルヌルで0.8までとれる設計となっている。電流駆動系は、広い範囲の電流分布制御ができるように、合計60MWの負イオンNBIとECHの組合せとなっている。

論文

Current drive by negative-ion-based neutral beam injector in JT-60U

内藤 磨; 及川 聡洋; 牛草 健吉; 根本 正博; 飛田 健次; 井手 俊介; 栗山 正明; 鎌田 裕; 草間 義紀

Proc. of 1998 ICPP & 25th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Physics, 22C, p.1182 - 1185, 1998/00

JT-60Uにおける負イオン源中性粒子ビーム入射装置(N-NBI)を用いた電流駆動実験の結果について報告する。N-NBIの入射パワーは350keVで5.1MWに達した。N-NBIのビーム吸収分布を支配する電離断面積についての検証を行い、多段階電離過程に従うことを示した。N-NBI電流駆動中の駆動電流分布を初めて同定し、古典的な理論予測と矛盾しないことを示した。駆動効率は従来のNBI(80keV)と比べて50%以上向上した。

報告書

JT-60U分光計測装置のノイズ調査と対策

永谷 進; 鬼沢 正美*; 川井 勲*; 仲田 久夫*; 久保 博孝; 杉江 達夫

JAERI-Tech 97-062, 21 Pages, 1997/11

JAERI-Tech-97-062.pdf:0.89MB

臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、負イオンを用いた中性粒子入射装置(N-NBI)の運転を開始した。その加速電極間での放電破壊が発生すると、JT-60U周辺機器にノイズ障害が発生する。分光計測装置の一部もこのノイズによって、制御回路系が誤動作して正常にデータを取れなくなる状況が生じた。JT-60U運転でのダイバータ斜入射分光測定装置の制御回路系内部のノイズを、光ファイバー・アイソレーション・システムを使って測定した。振幅15~18V$$^{p-p}$$周波数15MHzのノイズが観測されたため、制御回路に出入りするすべてのケーブルにフェライトコアを取りつけた。その結果、電導ノイズをほぼゼロレベルまで減少させることができ、分光計測装置の誤動作を防止することができた。

報告書

Review of JT-60U experimental results from February to November, 1996

JT-60チーム

JAERI-Research 97-047, 151 Pages, 1997/07

JAERI-Research-97-047.pdf:6.27MB

1996年、JT-60Uのプロセス性能は、プロセス形状及び分布制御を最大限に生かすことによって、負磁気シア放電、高$$beta$$pHモード放電、高三角度放電という高閉じ込め領域において格段に改善した。負磁気シア放電において、Q$$_{DTeq}$$=1.05という等価核融合増倍率を得て、臨界プラズマ条件を達成した。高$$beta$$pHモード放電では、核融合積とイオン温度の世界記録を更新した。高三角度配位の高$$beta$$pHモード放電では安定性が改善し、ITERを模擬した高性能プラズマの維持に成功した。負イオン中性粒子入射(N-NBI)実験は、1996年3月より計画通り開始された。400keV及び2.3MWに達するN-NB入射によって、加熱・電流駆動特性の取得がITERを支援して実施された。負磁気シア放電のへのネオンガス入射によって、高性能プラズマと両立する放射冷却ダイバータの形成に成功した。

報告書

定常炉心試験装置の設計研究,第2編; 炉心プラズマ物理設計、計測装置

栗田 源一; 永島 圭介; 飛田 健次; 閨谷 譲; 牛草 健吉; 長島 章; 久保 博孝; 小関 隆久; 山本 巧; 細金 延幸; et al.

JAERI-Research 97-023, 68 Pages, 1997/03

JAERI-Research-97-023.pdf:2.67MB

定常炉心試験装置は、定常核融合炉とITERにおける先進トカマク運転の開発のためJT-60設備を最大限に利用するように設計されたトカマク装置である。主半径は4.8m、最大プラズマ電流は10MAで、5MAのプラズマ電流で最大8.8$$times$$10$$^{19}$$m$$^{-3}$$までの定常運転が可能である。MHD安定性とエネルギー閉じ込めを良くするために、大きな三角度のプラズマ配位が可能である。またプラズマの体積を最大にするために、小型のダイバータを設計した。計測システムは主プラズマ計測及び周辺プラズマ計測装置によって構成され、これらには基本的に既存設備が充てられる。ただし、YAGトムソン散乱システムは特別に強化され、また、新規計測器として、定常磁場測定プローブ、マイクロフィッションチェンバー、ペニングゲージが導入される予定である。

報告書

Stability of toroidal Alfven eigenmode in JT-60 super upgrade

小関 隆久; C.Z.Cheng*; 永島 圭介

JAERI-Research 95-065, 22 Pages, 1995/10

JAERI-Research-95-065.pdf:0.75MB

JT-60SUにおいて予想されるトロイダル・アルフベン固有モード(TAEモード)安定性を求めた。ACCOMEコードによって求められた自己矛盾のない平衡に対し、NOVA-Kコードを用いてTAEモード安定性を解析した。高電流プラズマ(10MA)の場合、圧力勾配$$nabla$$Phは高密度のため減少し、Vh/V$$_{A}$$は高磁場(6.25T)のため1より小さくなる。ここで、Vh/V$$_{A}$$は高エネルギ粒子の速度とアルフベン速度の比である。このため、TAEモードは安定性である。一方、低電流プラズマ(3MA/3T)の場合、密度の上昇により容易にVh/V$$_{A}$$$$>$$1になり、高い圧力勾配$$nabla$$Phと大きな〈$$beta$$h〉のためにTAEモードは不安定となる。しかし、密度・温度がさらに上昇すると、ブートストラップ電流は増加し、電流駆動NBパワーは減少する。この結果、$$nabla$$Phと〈$$beta$$h〉の両方が減少し、TAEモードは安定化される。

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