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論文

Comparative study on prediction accuracy improvement methods with the use of integral experiments for neutronic characteristics of fast reactors

横山 賢治; 北田 孝典*

Proceedings of 2018 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2018) (CD-ROM), p.1221 - 1230, 2018/04

複数の積分実験データの情報を核データ(炉定数セット)に反映して設計予測精度向上を図る手法として、炉定数調整法(CA), 拡張炉定数調整法(EA), 最小分散不偏推定に基づく炉定数調整法(MRCA), 次元削減炉定数調整法(DRCA)がある。これらの手法をMARBLEシステムに実装し、実規模の問題に適用した。すなわち、原子力機構で整備してきた約500種類に及ぶ高速炉核設計用の積分実験データベースを使って、代表的な次世代高速炉の核設計予測精度を評価した。この結果、いずれの手法も実規模の問題に適用可能であることを確認した。EAを適用する際には、設計対象炉心の詳細な仕様を決定しておく必要があるので、設計段階に応じてCAとEAを使い分けることを推奨する。また、正規分布に従わないようなデータを利用する場合には、MRCAを使うべきである。一方で、DRCAは、実規模の問題に対しても、理論の示す通りCAとMRCAの両方の結果を再現できることを確認した。したがって、結論としては、CAを使う段階においては、DRCAを使えばよいことになる。また、DRCAにはいくつかオプションがあり、炉定数調整手法や結果を検討する目的にも利用することが可能である。

論文

Dimension-reduced cross-section adjustment method based on minimum variance unbiased estimation

横山 賢治; 山本 章夫*; 北田 孝典*

Journal of Nuclear Science and Technology, 55(3), p.319 - 334, 2018/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:38.14(Nuclear Science & Technology)

次元削減に関する技術を応用して炉定数調整法の新しい理論式を導出した。この新しい理論式を次元削減炉定数調整法(DRCA)として提案する。DRCAの導出は最小分散不偏推定(MVUE)に基づいており、正規分布の仮定を必要としない。DRCAの結果は、ユーザが定義する行列で指定する次元削減後の特徴空間に依存する。このため、DRCA1, DRCA2, DRCA3という3種類の次元削減炉定数調整法を提案する。数式による検討及び数値計算による検証を行ったところ、DRCA2は、現在広く使われている炉定数調整法と等価になることが分かった。更に、DRCA3は、以前の研究で提案した最小分散不偏推定に基づく炉定数調整法と等価になることが分かった。

論文

Development of design technique for vacuum insulation in large size multi-aperture multi-grid accelerator for nuclear fusion

小島 有志; 花田 磨砂也; 戸張 博之; 錦織 良; 平塚 淳一; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 吉田 雅史; 市川 雅浩; 渡邊 和弘; et al.

Review of Scientific Instruments, 87(2), p.02B304_1 - 02B304_5, 2016/02

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.24(Instruments & Instrumentation)

原子力機構では、ITERやJT-60SAで利用する中性粒子入射装置の実現に向けて、大面積多孔多段負イオン加速器を開発中であり、1MVや500kVの直流超高電圧を真空中で安定して保持できる耐電圧性能が要求されている。そこで、真空放電の物理理解に基づく耐電圧設計手法を確立することを目的として、今回、これまでの耐電圧試験結果に基づいて、多段の入れ子構造である加速電極支持構造の形状を、耐電圧や境界条件から最適化する手法を開発した。本手法では、ビーム光学から要求される電圧及びギャップ長から、電極平板部の面積、つまり同軸の入れ子構造となる円筒型電極の半径を決定することにより、耐電圧を満たすための同軸間ギャップ長を求める。これにより一段分の対向する陰極・陽極の電極構造が決まるため、本手法を段数分くり返すことにより、耐電圧を満たした加速電極支持構造を境界条件の中で一意に設計することが可能となる。得られた加速器の耐電圧を予測するために、未解明であった多段による耐電圧の劣化を、5段電極を用いて実験的に調べた結果、5段の耐電圧は1段耐電圧の段数倍よりも25%程度耐電圧が減少し、段数の増加による影響が見られた。この効果を考慮した結果、本手法によるJT-60用負イオン加速器の耐電圧解析が10%以下の誤差の範囲で一致し、ITERやJT-60SAの耐電圧設計の精度を向上することができた。

論文

Long pulse acceleration of MeV class high power density negative H$$^{-}$$ ion beam for ITER

梅田 尚孝; 小島 有志; 柏木 美恵子; 戸張 博之; 平塚 淳一; 渡邊 和弘; 大楽 正幸; 山中 晴彦; 花田 磨砂也

AIP Conference Proceedings 1655, p.050001_1 - 050001_10, 2015/04

ITER中性粒子入射装置では、1MeV, 40A(電流密度200A/m$$^{2}$$)の大電流の重水素負イオンビームを3600秒間にわたって加速することが要求されている。この負イオンビーム加速を実証するため、原子力機構のMeV級試験装置で長パルスのビーム加速試験を行っている。今回、冷却性能を上げるため磁石と冷却管位置を変更した長パルス用の引出電極を開発した。さらに、負イオンの衝突と2次電子の発生を抑制するため電子抑制電極の孔径を14mmから16mmに大きくし、電極へのビーム衝突を減らすため孔軸変位量も修正した。これにより負イオンの透過率が上がり、電極全体の熱負荷は14%から11%に低下した。そして、加速電圧700kV、ビーム電流密度100A/m$$^{2}$$の負イオンビームを装置の限界である60秒間安定に加速することができた。

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

国際熱核融合実験炉・ITERに用いられる大電流加速器用FRP絶縁管

井上 多加志

強化プラスチックス, 60(7), p.269 - 270, 2014/07

国際熱核融合炉(ITER)のNBI加熱装置に用いられる加速器では、1MV, 40Aの大電力でイオンビームを加速するために直径約1.8mの大口径絶縁管が必要である。しかしながらセラミック、冬季などの無機材料でこのような大口径絶縁管を製作した例はなく、大口径セラミック絶縁管の開発を進めるとともに、ガラス繊維強化エポキシ(FRP)製大口径絶縁管を用いて1MeV水素負イオンビームの開発研究を推進してきた。開発当初はFRPからの脱ガスに続く絶縁破壊が頻発したが、真空,金属, FRPの接点である三重点近傍FRPにエポキシ溶融を見出し、大型金属構造物による三重点の電界強度低減を図った結果、1MV高電圧の長時間保持に成功し、ITER要求性能:ビームエネルギー1MeV、負イオン電流密度200A/m$$^{2}$$のところ、短パルスながら0.98MeV、185A/m$$^{2}$$の水素負イオン加速を達成している。

論文

Progress of neutral beam injection system on JT-60U for long pulse operation

池田 佳隆; 粒子ビーム加熱システム開発グループ; トカマク国内重点化装置設計チーム

Journal of the Korean Physical Society, 49, p.S43 - S47, 2006/12

JT-60Uでは2種類のNBI装置があり、1つは正イオンを用いて80-85keVのビームエネルギーの粒子入射を行うP-NBI、もう1つは負イオンを用いて350keV以上のビームエネルギーの粒子入射を行うN-NBIである。最近、長パルスのプラズマ研究のため、NBI装置のパルス幅を30秒にすることが求められた。4つの接線入射P-NBIユニットは85keV, 2MWで30秒化改造を行った。残りの7つの垂直入射P-NBIユニットは10秒入射を繋ぐことで30秒入射を実現した。N-NBIに関しては、イオン源電極の熱負荷を軽減する改造を行い、350keV, 約1MWで25秒の入射を達成した。さらに次段階として、超電導コイルを導入するJT-60Uの改造(NCTと呼ぶ)では、NBI装置の100秒化が計画されている。本論文では、最近のJT-60UにおけるNBI装置の進展とNCTに向けたNBI改造設計について報告する。

論文

Present status of the negative ion based NBI system for long pulse operation on JT-60U

池田 佳隆; 梅田 尚孝; 秋野 昇; 海老沢 昇; Grisham, L. R.*; 花田 磨砂也; 本田 敦; 井上 多加志; 河合 視己人; 椛澤 稔; et al.

Nuclear Fusion, 46(6), p.S211 - S219, 2006/06

 被引用回数:45 パーセンタイル:12.81(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uの負イオンNBI装置では、準定常状態のプラズマ研究を行うため、パルス幅を10秒から30秒に拡張する試みに着手した。そのための最も重要な課題は、イオン源電極の熱負荷軽減であり、2つの改良を提案した。1つは、ビーム同士の相互作用によるビームの拡がりの抑制であり、そのために薄板を引出電極に取付け、局所的な電界を修正した。その厚みは、ビームの偏向を最適に制御するよう決めた。もう1つは、負イオンから電子が剥ぎ取られ、その電子がイオン源内で加速,電極に衝突するストリッピング損失の低減化である。このために加速部の真空排気速度を改善するようイオン源を改造した。これらの改造を行い、現在まで17秒,1.6MWあるいは25秒,約1MWの入射に成功した。

論文

Development of a dc 1MV power supply technology for NB injectors

渡邊 和弘; 柏木 美恵子; 川島 秀一*; 小野 要一*; 山下 泰郎*; 山崎 長治*; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 谷口 正樹; 奥村 義和; et al.

Nuclear Fusion, 46(6), p.S332 - S339, 2006/06

 被引用回数:20 パーセンタイル:36.23(Physics, Fluids & Plasmas)

1MeV級の中性粒子入射装置用電源における重要な技術は、超高電圧の高速制御,直流1MVの電送,イオン源で放電破壊の際のサージの抑制である。超高電圧の制御については、これまでのパワー半導体の進歩を反映させ、従来のGTOインバータをIEGT素子に変えたインバータについて検討した。その結果、インバータでの損失を従来の1/3に低減でき、大きさとしてもGTO方式の6割に小型化できることを示した。さらに、1MV電送については、重要な要素である超高圧のブッシングについての試作試験で十分な耐電圧を確認した。また、サージの抑制については、高磁束密度で周波応答の良いファインメットコアを用いることで、サージの吸収が可能である。これらの技術のこれまでの進展について述べる。

論文

Characterization of Type-I ELMs in tangential co-, balanced- and counter-plus perpendicular NBI heated plasmas on JT-60U

神谷 健作; 浦野 創; 小出 芳彦; 滝塚 知典; 大山 直幸; 鎌田 裕; JT-60チーム

Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(5A), p.A131 - A139, 2006/05

 被引用回数:20 パーセンタイル:36.23(Physics, Fluids & Plasmas)

Type-I ELMsの特性に対するプラズマ回転と高速イオンのリップルロスの影響に関して、JT-60Uにおける接線及び垂直NBIの組合せとプラズマ体積を系統的に変化させることで調べた。反電流方向NBIにてELMによるエネルギー損失割合が小さくなり、周波数は早くなることが確認された。さらに、ELMのパワーはプラズマ体積の増加とともに小さくなることが見いだされ、このことはELM間の輸送が高速イオンの損失の増大に伴い、増加することを示唆する。

論文

Acceleration of MeV-class energy, high-current-density H$$^{-}$$-ion beams for ITER neutral beam system

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

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A514_1 - 03A514_4, 2006/03

 被引用回数:9 パーセンタイル:49.43(Instruments & Instrumentation)

ITER用中性粒子入射装置では、放射線誘起伝導のため高電圧の絶縁にSF6等の絶縁ガスが使用できない。このため、原研では加速器全体を真空中に置く真空絶縁型加速器(VIBS)の開発を行っている。大型電界緩和リングの装着等の耐圧改善を行った結果、加速可能な負イオン電流密度は大きく増大し、900keVにおいて0.1Aレベルのビームを運転期間中175ショット安定に加速することに成功した。また、ITERで要求されるイオン源運転ガス圧条件($$<$$0.3Pa)を満たす領域で、電流密度146A/m$$^{2}$$(エネルギー836keV)の負イオンビーム加速に成功し、ITER NBIに向けて着実に性能が向上していることを示した。

論文

Beam deflection by plasma grid filter current in the negative-ion source for JT-60U neutral beam injection system

梅田 尚孝; 池田 佳隆; 花田 磨砂也; 井上 多加志; 河合 視己人; 椛澤 稔; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 大賀 徳道

Review of Scientific Instruments, 77(3), p.03A529_1 - 03A529_3, 2006/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:70.18(Instruments & Instrumentation)

JT-60NBI用の負イオン源では、大面積で一様に負イオンを生成するためにプラズマ電極に数kAの電流を流してフィルター磁場を形成している。この電流によって、イオン源加速部とその下流で負イオンビームと電子ビームの軌道が曲げられる。この負イオンビーム及び電子ビームの軌道を実験及び計算で評価した。3.5mの位置で負イオンの単一ビームを計測したところ、PGフィルター電流を1kA増加させると7mmビームが変位することが明らかになった。また、2004年の長パルスの実験で、イオン源から$$sim$$1mの位置のビームラインが一部が溶融したが、これは100keV以上のエネルギーの電子が偏向され熱負荷となったことが明らかになった。

論文

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

 被引用回数:10 パーセンタイル:35.61(Nuclear Science & Technology)

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1.5$$sim$$2MeV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。

論文

Heating, current drive, and advanced plasma control in JFT-2M

星野 克道; 山本 巧; 玉井 広史; 大麻 和美; 川島 寿人; 三浦 幸俊; 小川 俊英; 荘司 昭朗*; 柴田 孝俊; 菊池 一夫; et al.

Fusion Science and Technology, 49(2), p.139 - 167, 2006/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.58(Nuclear Science & Technology)

JFT-2Mで開発されたさまざまな加熱電流駆動装置や外部コイルやダイバーターバイアス装置により得られた成果を先進能動的トカマクプラズマ制御の観点からレビューする。各装置の設計などについても特徴を述べる。この分野でのJFT-2Mの貢献についてまとめる。

論文

Deuterium depth profiling in JT-60U W-shaped divertor tiles by nuclear reaction analysis

林 孝夫; 落合 謙太郎; 正木 圭; 後藤 純孝*; 沓掛 忠三; 新井 貴; 西谷 健夫; 宮 直之

Journal of Nuclear Materials, 349(1-2), p.6 - 16, 2006/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:35.61(Materials Science, Multidisciplinary)

核反応分析法(NRA)を用いてJT-60Uダイバータ部のプラズマ対向壁に用いられている炭素タイル中の重水素保持量深さ分布を測定した。最も重水素濃度が高かったのは外側ドームウィングタイルでD/$$^{12}$$Cの値は0.053であり、その重水素蓄積過程は炭素-重水素の共堆積によるものと推定された。また外側及び内側のダイバータターゲットタイルにおいてはD/$$^{12}$$Cは0.006以下であった。軽水素を含めた水素同位体の濃度については、NRA及びSIMS分析結果からドーム頂部タイルの(H+D)/$$^{12}$$Cを0.023と推定した。一方OFMC計算を用いてNBIで入射した高エネルギー重水素がドーム領域に打ち込まれることを示した。また重水素の打ち込みや炭素との共堆積などによる重水素蓄積は、タイルの表面温度や損耗・堆積などの表面状態の影響を受けることを示した。重水素保持量深さ分布,SEM分析及びOFMC計算により、重水素分布はおもに重水素-炭素の共堆積,重水素イオンの打ち込み及びバルクへの拡散の複合したプロセスにより決まることを明らかにした。

論文

Positive and negative ion sources for magnetic fusion

Hemsworth, R. S.*; 井上 多加志

IEEE Transactions on Plasma Science, 33(6), p.1799 - 1813, 2005/12

 被引用回数:65 パーセンタイル:8.19(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文は、磁気核融合研究に用いられる中性粒子入射装置の主要機器である、正・負イオン源に関するレビュー論文である。高プロトン比($$>$$90%),大電流密度($$approx$$2kA/m$$^{2}$$),低ガス圧運転(0.4Pa),高効率、並びにイオンの大面積一様生成といった、高い性能を同時達成するために開発されてきた正イオン源の物理をレビューする。また核融合炉用の高エネルギー中性粒子ビーム生成に不可欠となる、負イオン源開発の現状についても報告する。負イオン源開発の進展により、核融合炉用中性粒子入射装置で求められる、低ガス圧($$<$$0.3Pa)での大電流密度($$>$$200A/m$$^{2}$$)負イオン(D$$^{-}$$)生成,低引き出し電子電流といった多くの要求性能がすでに達成されている。さらに、将来の中性粒子入射装置で求められる高い性能を満足するために必要な開発項目についても言及する。

論文

Shielding design of the ITER NBI Duct for nuclear and bremsstrahlung radiation

佐藤 聡; 飯田 浩正; 山内 通則*; 西谷 健夫

Radiation Protection Dosimetry, 116(1-4), p.28 - 31, 2005/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.22(Environmental Sciences)

3次元モンテカルロ計算により、中性子及びブレームス輻射線源に対するITER NBIダクトの遮蔽解析を行った。核融合反応分布を線源とした中性子及び光子輸送計算により、プラズマに面しているダクト壁(FS)と隠れている壁(HS)の両者の核発熱率分布を、第一壁表面からの距離及びダクト表面からの距離を関数として、詳細に評価した。第一壁表面では、両者はほとんど同じ値であるが、第一壁表面からの距離が長くなるにしたがい、HS中の核発熱率は、FS中の値と比較して減衰が大きく、50cm以上離れた位置では、前者は後者に較べて約2$$sim$$3倍小さいことがわかった。また、ブレームス輻射分布を線源とした光子輸送計算により、ダクト壁の表面熱負荷分布を、第一壁表面からの距離を関数として、詳細に評価した。HSの表面熱負荷は、FSの値の約4分の1であリ、第一壁表面では、FSの表面熱負荷は約7$$sim$$8w/cm$$^{2}$$、HSの表面熱負荷は約2w/cm$$^{2}$$、第一壁表面から約1mの位置では、各々1w/cm$$^{2}$$, 0.2$$sim$$0.3w/cm$$^{2}$$であることを明らかにした。また、ダクト周囲の超伝導コイルの核的応答、崩壊$$gamma$$線線量率を評価した。前者は基準値を充分に満足し、後者は基準値とほぼ同じ値であることがわかった。

論文

JT-60UにおけるN-NBI加熱・電流駆動とトカマク定常化

池田 佳隆; 及川 聡洋; 井手 俊介

プラズマ・核融合学会誌, 81(10), p.773 - 778, 2005/10

トカマク定常核融合炉では、循環エネルギーが低い非誘導運転を行うために、高効率な電流駆動方式と高い自発電流の割合が必要である。NBIは電流駆動と加熱に対し強力かつ有効な手段である。JT-60Uでは350keV以上のエネルギー粒子を入射する負イオンNBIを有し、ITER級の領域でNBIの電流駆動と加熱を研究している。本解説は、ITERやトカマク核融合炉の連続運転に向けた最近の負イオンNBI実験と装置の進展について述べたものである。

論文

NBI技術の波及効果

渡邊 和弘; 安東 靖典*

プラズマ・核融合学会誌, 81(10), p.792 - 797, 2005/10

中性粒子入射装置(NBI)で開発された大出力イオン源や電源技術の波及効果について述べる。具体的には、高集積電子デバイス,ハードディスクの大容量化,大型液晶モニターなどのようなハイテク製品実現を支える製造装置への波及が上げられる。つまり、これらの技術の進展の裏には、それを製造する際に必要な道具、いわゆる製造装置の性能向上が不可欠であり、それを可能にしたのがNBIで培われた大面積大出力イオンビーム技術である。さらに、NBI電源技術についても、サージ抑制素子の高性能化技術などが、高エネルギー加速器の小型化高性能化に大きく貢献している。本稿では、NBI開発によって進展したイオンビーム技術が、今日のIT化時代を支える柱の一つとなっていること、さらに、加速器などの分野への貢献を含めて具体的な例を挙げながら紹介する。

論文

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

原研では、1MeV加速器と大型負イオン源の開発を推進してきた。本論文はITER NBシステムの実現に向けた1ステップである、以下の開発の進展を報告する。(1)加速器開発:耐電圧性能の向上により、H$$^{-}$$イオンの1MeV級エネルギー加速試験が進展している。1MeV, 100mA級H$$^{-}$$イオンビームを実用規模である100A/m$$^{2}$$程度の電流密度で発生しており、イオン源の調整により、電流密度のさらなる増大が見込まれる。(2)大型負イオン源開発:既存負イオンNBシステムにおいては、負イオンの空間一様生成がNB入射性能を左右する要因となっている。本研究では、磁気フィルターから局所的に洩れ出た高速電子が負イオン源引き出し領域に生成した負イオンを破壊していることを明らかにした。本論文では、幾つかの対応策とその試験結果についても報告する。

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