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報告書

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

JAERI-Review-2005-011.pdf:11.95MB

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。

論文

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

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Physics, Fluids & Plasmas)

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。

論文

Accelerator R&D for JT-60U and ITER NB systems

井上 多加志; 花田 磨砂也; 伊賀 尚*; 今井 剛; 柏木 美恵子; 河合 視己人; 森下 卓俊; 谷口 正樹; 梅田 尚孝; 渡邊 和弘; et al.

Fusion Engineering and Design, 66-68, p.597 - 602, 2003/09

 被引用回数:21 パーセンタイル:80.27(Nuclear Science & Technology)

中性粒子ビーム(NB)入射は、トカマク型核融合装置において、最も有力なプラズマ加熱・電流駆動手段の一つである。原研ではJT-60UとITER用NB入射装置のために、大電流静電加速器の開発を進めてきた。この開発において最近、以下の進展があったので報告する; (1)JT-60U負イオンNB入射装置において、加速器内の電界の歪みによりビームの一部が偏向され、NB入射ポートにあるリミタに熱負荷を与えていた。不整電界の原因である電極下面の段差を埋めたところ熱負荷は従来の半分以下となって、2.6MWのH$$^{0}$$ ビームを355 keVで10秒間連続入射することに成功した。(2)加速器耐電圧性能の向上を目指して、3重点(FRP製絶縁管,金属フランジ,真空の接点)の電界を緩和する電界緩和リングを設計し、JT-60U負イオン源加速器とITER用R&Dで使用している1MeV加速器に取り付けた。ビーム加速無しでの耐電圧試験において、良好な耐電圧性能を確認した。

論文

ITER及びトカマク炉における中性粒子ビーム装置

井上 多加志

プラズマ・核融合学会誌, 78(5), p.398 - 404, 2002/05

核融合炉用加熱電流駆動装置に対する物理要求を満足するべく設計された、ITER NBシステムの工学設計の概要を紹介する。本稿では加熱・電流駆動にかかわる重要な設計項目であるITERプラズマに対するNB入射装置のレイアウトについて概説する。特にNB周辺電流駆動によって電流分布を制御し、高性能かつ定常化を目指す先進プラズマ運転について、ITER NB設計でどこまでフレキシビリティを確保できるか、という観点から筆者らが解析を行った結果を紹介する。またITERをターゲットとして進められている、負イオン源と加速器の開発の現状について報告し、将来のトカマク原型炉・実証炉設計において描かれているNBの実現性についても言及する。

論文

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

 被引用回数:59 パーセンタイル:96.52(Nuclear Science & Technology)

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$$^{0}$$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。

論文

Development of high power negative ion sources and accelerators for neutral beam heating and current drive systems

井上 多加志; 花田 磨砂也; 栗山 正明; 前野 修一*; 松岡 守; 宮本 賢治; 小原 祥裕; 奥村 義和; 渡邊 和弘

IAEA-CN-60/F-10, 0, p.687 - 693, 1995/00

原研における高出力の負イオン源と加速器の開発の現状を述べる。JT-60U負イオンNBI用の大型負イオン源は製作を完了し、試験に供されている。テストスタンド電源の制約から、ビームエネルギーは50keV以下に限られているものの、所定性能と同等のパービアンスにおいて、極めて収束性の良いビームが引き出されている。同等の構造をもつ小型加速器を用いてJT-60U負イオンNBIのビーム加速模擬試験では、所定の電流密度において0.18AのH$$^{-}$$ビームを収束良く400keVまで加速することに成功した。また、ITER等の実験炉で要求されるより高出力の負イオン源と加速器の開発のために、MeV級イオン源試験装置を建設した。現在、本装置において1MeV、1Aを目指したITER用原型加速器の試験を開始している。

論文

High power negative ion beam development for heating and current drive in fusion plasmas

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

Proc. of 14th Int. Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, p.371 - 378, 1993/00

核融合プラズマの加熱及び電流駆動の有力候補である高エネルギー中性粒子入射装置(NBI)を実現するために、負イオン源の大電流化、長パルス化・高エネルギー化の研究開発を進めている。大電流化に関しては、既に10AのH$$^{-}$$ビームを生成することに成功し見通しを得ている。次の長パルス化に関して、50keV,0.3AのH$$^{-}$$ビームを24時間連続生成することに成功した。また、50keV,0.5Aで1000秒の出力に成功した。この時の電流密度はJT-60U用負イオン源の設計値にほぼ等しい14mA/cm$$^{2}$$である。高エネルギー化に関しては、14mm$$phi$$単一孔加速電極系で300keV、17mAで発散角5.5mradの収束性の良いビーム生成に成功し、孔数9個の多孔電極系を用いて、300keV、100mAのH$$^{-}$$ビームを得た。これらによって、負イオンNBI実現に大きく近づいた。

論文

Anomalous ion transport of L-mode plasmas in JT-60

平山 俊雄; 白井 浩; 矢木 雅敏; 清水 勝宏; 小出 芳彦; 菊池 満; 安積 正史

Nuclear Fusion, 32(1), p.89 - 106, 1992/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:33.61(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマク・プラズマの追加熱時において、閉じ込め特性が劣化する原因を詳細に調べた結果、以下の点を明らかにした;1)追加熱パワーの増大に伴う閉じ込め時間の低下は、主にイオンの熱輸送特性の劣化に起因する。2)プラズマ電流の増加にほぼ比例した閉じ込め時間の改善は、イオン及び電子、両者の熱輸送特性の改善による。3)イオンの熱輸送係数は密度依存性を示す。4)イオンの異常輸送を担う物理機構として、イオン温度勾配不安定モードに起因した異常輸送理論と実験結果との比較を行い、広範な放電領域において両者の一致が確認できた。但し、1MAのリミター放電については、一致しない。

報告書

Local transport analysis of L-mode plasmas in JT-60 tokamak

平山 俊雄; 菊池 満; 白井 浩; 清水 勝宏; 矢木 雅敏; 小出 芳彦; 石田 真一; 安積 正史

JAERI-M 91-026, 28 Pages, 1991/03

JAERI-M-91-026.pdf:1.01MB

Lモードプラズマの閉じ込めの劣化の原因を調べる目的で、JT-60の追加熱プラズマについて、局所輸送解析を行った。CXR測定によるイオン温度分布、及び輸送解析に必要な分布計測を、ダイバータ/リミター放電に関して系統的に行い、JT-60の広範なパラメータ領域の輸送特性を明らかにした。パワー則と呼ばれる、加熱パワーの増加に伴う閉じ込め特性の劣化は、主にイオンのエネルギー輸送の増大による。一方、プラズマ電流の増加に比例して改善する閉じ込め時間は、イオン及び電子、両者の輸送特性の改善に帰因する。イオンの熱拡散係数は密度依存性を有する。高ポロイダル・ベータ(≦3.5)プラズマで得られた。高イオン温度モードは、イオンの輸送特性の改善による。

論文

JT-60中性粒子入射加熱装置

白形 弘文; 秋場 真人

日本原子力学会誌, 28(5), p.376 - 383, 1986/00

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02(Nuclear Science & Technology)

現在建設中のJT-60中性粒子入射加熱装置について、開発研究の経緯,装置の概要と特徴,建設の現状について解説する。特にNBI制御系の内容についてくわしく説明した。

論文

Plasma heating by multiple-short-pulse neutral beams

山本 新; 伊藤 公孝; 福山 淳*; 伊藤 早苗*

Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research 1984, Vol.l, p.665 - 672, 1985/00

中性粒子入射加熱において、入力パワーの最大値および平均値を独立に制御でき、また同時に、入射高速イオンの速度空間を外部から変調できる単パルス反復入射法を開発した。その手法を用いて、JFT-2Mトカマクにおいて、中性粒子入射加熱のプラズマの閉込め特性に与える影響を調べた。また、その手法を用いて、ビームとプラズマとの相互作用に起因する波を励起させ、その波の性質およびその波が、プラズマ特性に与える影響を調べた。

論文

Tokamak research at the Japan Atomic Energy Research Institute

田中 正俊

Comments Plasma Phys.Controll.Fus., 26(1A), p.117 - 122, 1984/00

抄録なし

論文

Plasma shapes for achieving high heating efficiency during neutral beam injection in doublet III

横溝 英明; 木島 滋; 相川 裕史; 笠井 雅夫*; 二宮 博正; 小林 朋文*; 松田 俊明; 宮 直之; 永見 正幸; 嶋田 道也; et al.

Japanese Journal of Applied Physics, 23(5), p.L316 - L318, 1984/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:32.67(Physics, Applied)

中性子粒子入射時に改善された加熱効率(H-モード)を得る為に、三つのプラズマ形状を比較検討した。Hモードプラズマは、ダイバータ形状だけでのみ観測された。最も良い加熱効率は高非円形ダイバータ形状の時得られた。Hモードプラズマを得るのに必要となるビームパワーは、プラズマ電流が360KAから740KAに増加するにつれ、~1MWから~4MWに増加する。貯えられたプラズマエネルギーは、プラズマ電流が増加するにつれて上昇し、最高時には悪い加熱状態より50%改善された。

論文

Tapered tungsten filament for a long life cathode

田中 茂; 小原 祥裕

Review of Scientific Instruments, 55(10), p.1625 - 1631, 1984/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:60.16(Instruments & Instrumentation)

中性粒子入射装置用イオン源の長寿命用陰極として、直熱テーパー型タングステンフィラメントを提案した。本フィラメントは、正端子から負端子に向かい断面積が次第に増大していく形状を有する。フィラメントに沿う温度分布の時間変化を数値計算し、放電電流がフィラメント電流に重畳することにより、長パルス又は定常放電の際に起る負端子側でのフィラメント加熱を防止できることを示した。

報告書

JFT-2 Tokamak Neutral Injector and Preliminary Results of Additional Heating Experiment

菅原 亨*; 秋葉 光徳*; 荒川 義博; 藤沢 登; 船橋 昭昌; 平山 俊雄; 堀池 寛; 伊藤 孝雄; 近藤 梅夫*; 木島 滋; et al.

JAERI-M 7043, 27 Pages, 1977/04

JAERI-M-7043.pdf:0.58MB

中性粒子入射装置が建設され、JFT-2トカマクに取付けられた。入射装置は二つのビーム・ラインから成り、ビームはプラズマ電流にほぼ垂直に打込まれた。本装置を用いて、約15%のイオン温度上昇を達成した。この温度上昇は経験側に合致しており、古典論に基づいて説明し得ることが示された。

論文

Effect of the finite size electrode on the beam divergence of an intense ion source for the thermonuclear fusion research

松田 慎三郎

Japanese Journal of Applied Physics, 13(10), p.1630 - 1635, 1974/10

 被引用回数:3

核融合研究におけるトーラスプラズマでの中性粒子入射加熱用大容量イオン源についてビームの広がりを議論する。他の場合と異なりこの分野でのイオン源は引出し電極の面積は一般に極めて大きく、多孔型であり全体としてのビームの広がりは各ビーム要素のもっているビームの広がりと電極の幾何学的大きさとの2つから決まる。磁気又は静電レンズを用いないで有限のターゲットへより多くの中性ビームを打込むためにはこの2つの特性のどちらを改良すれば良いかを述べ、将来の入射源改良の目安を示した。

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