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竹田 武司; 柴田 大受
JAEA-Review 2024-040, 29 Pages, 2024/09
JAEA-Review-2024-040.pdf:1.33MB
日本の第6次エネルギー基本計画では、2050年までのカーボンニュートラルを目指したエネルギー政策の道筋を示すことが重要なテーマとなっている。2030年に向けた日本の原子力研究開発(R&D)への政策対応には、国際連携による2030年までの小型モジュール炉(SMR)技術の実証が盛り込まれている。これを踏まえ、脱炭素化と経済成長を同時に達成するGreen Transformation (GX)の実現に向けて、今後10年を見据えた取組の基本方針が取りまとめられた。海外に目を向けると、米国、カナダ、欧州、中国、ロシアを中心に、重工メーカーやR&D機関のみならずベンチャー企業も含めて、国際的にSMRのR&D活動が活発である。このような状況下で、原子力機関(NEA)の原子力施設安全委員会(CSNI)は、SMRの安全性への影響評価を支援するために、SMRに関する専門家グループ(EGSMR)を招集した。EGSMRの取組として、SMRの導入や研究活動に関する最新情報の収集を主目的とした数回にわたるアンケートへの回答の提出が求められた。これに対して、筆頭著者から、JAEAに加えて日立GEニュークリア・エナジー株式会社、三菱重工業株式会社からの情報に基づき回答した。アンケートに対する日本の回答の多くは、CSNI Technical Opinion Paper No.21 (TOP-21)のベースとなる情報である。本報告書では、整理した公開可能な日本のアンケート回答と付加情報を示し、TOP-21の記載内容の一部を補完した。これにより、EGSMRの活動(2022-2023年)を中心とした日本におけるSMRに関するR&Dの調査結果をまとめた。本報告書は、SMRに関する今後の国際協力の議論や国内外の原子力分野の人材育成に役立てることを目的としている。この中で、日本の革新炉のR&Dの主なトピックスとして、高温ガス炉(HTGR)とナトリウム冷却高速炉(SFR)に関して、実用化に必要な技術と現状のギャップを同定している。また、HTGRと水素製造施設の相互接続に関連して、水素製造施設からの可燃性ガスの漏洩と異常発生が安全性に与える影響等について整理している。
井上 多加志; 柏木 美恵子; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘; 坂本 慶司
Nuclear Fusion, 46(6), p.S379 - S385, 2006/06
被引用回数：36 パーセンタイル：73.86(Physics, Fluids & Plasmas)ITERに向けた静電加速器R&Dの目的は、大電流密度の負イオンを1MeVまで加速することである。原研MeV級加速器は、従来のクランプ理論やパッシェンの法則をMV級高電圧,長真空ギャップ領域に外挿して設計されている。さらに、絶縁物表面の沿面放電防止には、大型電界緩和リングによる陰極接合点の電界低減が効果的であった。これら真空絶縁技術により、真空絶縁型加速器で1MVを8,500秒間安定保持することに成功した。バイトンOリングのSF
ガス透過、並びに逆流電子によるポート損傷と真空リークを止めることにより、負イオンの表面生成が持続・促進され、カマボコ型負イオン源の高出力(
40kW)運転時に電流密度が飽和することなく増加した。この結果、電流密度146A/m
(全負イオン電流:0.206A)の負イオンビームを836keVまで加速することに成功した(パルス幅:0.2秒)。これは、ITERで必要とされる高出力密度負イオンビーム(1MeV, 200A/m)を世界で初めて実現したものである。さらに本論文では、EGS4コードを用いて制動X線の発生量を見積もり、光電効果による放電破壊の可能性を議論する。
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：12 パーセンタイル：61.76(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
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。
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。
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
被引用回数：23 パーセンタイル：57.93(Physics, Fluids & Plasmas)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。
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。
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(Te
1eV)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。
久保 博孝; 竹永 秀信; 澤田 圭司*; 仲野 友英; 小林 進二*; 東島 智; 朝倉 伸幸; 清水 勝宏
Journal of Nuclear Materials, 337-339, p.161 - 165, 2005/03
被引用回数：16 パーセンタイル：70.72(Materials Science, Multidisciplinary)核融合研究では、ダイバータプラズマ中の水素粒子(水素分子,原子,イオン)の挙動の理解がダイバータを用いた粒子熱制御を確立するうえで必要である。JT-60Uでは、接触及び非接触ダイバータプラズマにおける水素粒子挙動を理解するために、水素原子のバルマー線及び水素分子のFulcher線を観測し、水素分子を考慮した衝突放射モデルと中性粒子輸送コードを用いて解析した。H
線の強度測定から、MARFE発生時の非接触ダイバータプラズマでは、水素イオン-電子再結合によって失われるイオン束は、内側ダイバータではダイバータ板に到達するイオン束の約1倍、外側ダイバータでは約0.5倍であると評価された。また、水素分子線強度は接触ダイバータプラズマではダイバータ板から離れるにつれて約1cmの減衰長で小さくなるが、非接触ダイバータプラズマでは減衰長は約4cmであり、非接触ダイバータプラズマでは水素分子がダイバータ領域に深く侵入することが観測された。接触ダイバータプラズマに対しては、観測された水素分子線強度分布は水素分子の衝突放射モデルを用いた中性粒子輸送コードによって再現できた。
beam with Nd:YAG laser in J-PARC富澤 哲男; 秋川 藤志; 佐藤 進; 上野 彰; 近藤 恭弘; 大井川 宏之; 佐々 敏信; 長谷川 和男; Lee, S.*; 五十嵐 前衛*; et al.
Proceedings of 7th European Workshop on Beam Diagnostics and Instrumentation for Particle Accelerators (DIPAC 2005), p.275 - 277, 2005/00
負水素イオンにNd:YAGレーザーを当てると電子が一つはがれて水素イオンに変わる。これがレーザー荷電変換であるが、J-PARCにおけるビームプロファイルモニターや核変換実験施設への低出力陽子ビームの取り出しに応用できる技術である。これらの可能性を確認するために、実際に高周波四重極リニアック(RFQ)出力後のビーム輸送系(MEBT1)に実験装置を設置し、レーザーが当たった時の荷電変換効率を計測した。本稿ではこの実験装置の設置状況とレーザーが当たったすべてのビームが荷電変換した結果を報告する。
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。
神谷 健作; Bakhtiari, M.; 河西 敏; 川島 寿人; 草間 義紀; 三浦 幸俊; 小川 宏明; 大山 直幸; 佐藤 正泰; 篠原 孝司; et al.
Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(5A), p.A157 - A163, 2004/05
被引用回数：23 パーセンタイル：58.01(Physics, Fluids & Plasmas)JFT-2M装置において、第一壁のボロン化後に高リサイクリング定常(HRS)H-modeが得られる新しい運転領域を開拓した。このH-modeは定常性を有しており、大きなELMが無いのでダイバータ板への熱負荷を低減でき、高密度運転が可能である(閉じ込め改善度
1.6,規格化密度
/
0.7)。HRS H-mode遷移時にコヒーレント成分を有する特徴的な磁場及び浮遊電位揺動が10-100kHzの周波数帯に観測されている。この揺動は粒子輸送の増加に重要な役割を果たしていると考えられ、Alcator C-Modで観測されているEnhanced Da (EDA) H-modeと類似している。通常のダイバータ配位(三角度delta0.4)におけるHRS H-modeの運転領域は比較的高い中性粒子圧力でかつ高密度(/0.4)で観測され易いが、広い範囲の安全係数
(23付近の低安全係数でも)で得られている。最近の研究では、HRS H-mode運転領域はdelta0.75まで拡張可能であることがダブルヌル配位にて明らかとなっている。一方、delta
0.3以下では大きなELMsが発生し、高密度あるいは高リサイクリング状態にもかかわらずHRS H-modeは得られていない。このことはプラズマ形状もELMsの安定化に重要な役割を果たしていることを示唆する。
ion beams in a proof-of-principle accelerator for ITER井上 多加志; 谷口 正樹; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 森下 卓俊; 渡邊 和弘; 今井 剛
Review of Scientific Instruments, 75(5), p.1819 - 1821, 2004/05
被引用回数：11 パーセンタイル：50.47(Instruments & Instrumentation)ITER用負イオン加速器の原理実証試験を行っている。この加速器は、FRP絶縁管を真空境界として真空中に浸漬されるが、これまで絶縁管の耐電圧性能不足により、ビームエネルギーを制限されてきた。FRP,金属製フランジ及び真空の接点である三重点の電界強度を低減する大型の電界緩和リングを組み込んだところ、1MVの高電圧を2時間以上にわたって安定に保持することができるようになった。この結果を受けてビーム加速試験を行ったところ、900keV,100mAの水素負イオンビームを加速することに成功した。1MeVでは70mAと電流は低いものの、このレベルのビームを6日間にわたって130ショット(パルス幅1s)安定に加速することができた。
花田 磨砂也; 柏木 美恵子; 井上 多加志; 渡邊 和弘; 今井 剛
Review of Scientific Instruments, 75(5), p.1813 - 1815, 2004/05
被引用回数：27 パーセンタイル：75.11(Instruments & Instrumentation)将来の核融合用中性粒子入射装置のシステム効率を50%以上にすることが可能なプラズマ中性化セルの原理実証試験を実施した。実験では、長さが2mで、直径が0.6mの多極磁場配位の大型プラズマ源を用いた。さらに、同プラズマ源の両端のビーム通過用開口部(直径: 0.2m)からの高速1次電子の閉じ込めを改善するために、一対のダイポール磁石を中性化セルの両端にそれぞれ極性を反転して取り付けた。その結果、0.002Pa-0.03Paという低い運転ガス圧領域において、中性化実験を実施するうえで最低限必要となる10
-10
cm
程度のアルゴンプラズマを生成することが可能となった。中性化実験では、200keVの水素負イオンビームの中性化効率をアルゴンプラズマとアルゴンガスに対して測定した。ガスのみで中性化した場合に比べて、プラズマで中性化した場合、中性化効率は6%程度増加するとともに、中性化効率を最大にする線密度は30%程度減少した。この結果は、イオンや原子の中性化断面積から求めた解析結果と良く一致した。本実験により、解析で予想されるように、プラズマを用いることによって、低いガス線密度で高い中性化効率が得られることが確かめられた。
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：0.00(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。
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：77.46(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
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。
滝塚 知典; 荒川 和也*; 清水 勝宏; 林 伸彦; 朝倉 伸幸
JAERI-Research 2003-010, 57 Pages, 2003/05
JAERI-Research-2003-010.pdf:4.59MB
JT-60Uプラズマにおけるダイバータ・リサイクリングに関するデータベースを作成した。このデータベースにより、電子密度や加熱パワー等の主プラズマパラメータに対するプラズマ中の中性粒子フラックスやダイバータ板へのイオンフラックスの挙動を調べることができる。データベース解析の結果、リサイクリングで増幅されるダイバータ板イオンフラックスは、電子密度の増加に対し非線形的に増加する。この密度に対する平均的依存性からの広がりは非常に大きく、その主原因は、ダイバータ板・第一壁の状態を含むダイバータプラズマの複雑な物理特性に基づいているが、加熱パワーにはほとんど無関係である。低密度時の低リサイクリング・ダイバータプラズマから高密度時の高リサイクリング・ダイバータプラズマへの遷移が分岐的に生じることが確認できた。その遷移密度は加熱パワーのほぼ1/4乗に比例している。
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。
Chankin, A. V.; 朝倉 伸幸; 福田 武司; 諫山 明彦; 伊丹 潔; 鎌田 裕; 久保 博孝; 三浦 幸俊; 仲野 友英; 大山 直幸; et al.
Journal of Nuclear Materials, 313-316, p.828 - 833, 2003/03
被引用回数：21 パーセンタイル：77.46(Materials Science, Multidisciplinary)JT-60におけるタイプ1ELMでは、プラズマ中性粒子相互作用によりエッジプラズマ密度の過渡的上昇が起き、内側コードのプラズマ密度干渉計(FIR1)の数msのスパイクとして観測される。プラズマの密度上昇は、SOL及びセパラトリクスすぐ内側、ただしHモードのペデスタルより外側で起こる。中性粒子が即時にイオン化することによるエッジ密度の上昇はMHD安定性に影響を及ぼし、より低いペデスタル温度・圧力でトリガーされる2次的なELMあるいは、タイプ3ELMの連なり、あるいはLモード状態がもたらされる。これらの現象は壁のコンディションに依存することが観測された。
永谷 清信*; 八尾 誠*; 早川 鉄一郎*; 大政 義典*; 梶原 行夫*; 石井 真史*; 片山 芳則
Physical Review Letters, 89(24), p.243401_1 - 243401_4, 2002/12
被引用回数：16 パーセンタイル：64.67(Physics, Multidisciplinary)中性の自由クラスターのサイズ選択EXAFS(広域X線吸収微細構造)に関する新しい方法を提案した。そこでは、X線吸収過程のみならず、下方遷移過程もまた構造情報を得るために用いられる。この方法を実験的に実証するため、われわれはEXAFSと光電子光イオンコインシデンスを同時に測定する方法を開発し、第3世代強力X線源を用いることによってセレンクラスタービームに対する実験を行った。セレンの小さなクラスターに対するEXAFSスペクトルが得られ、理論的な予言と批判的に比較された。
Wang, S.*; 小関 隆久; Xie, J.*; 林 伸彦
Physics of Plasmas, 9(11), p.4654 - 4663, 2002/11
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Physics, Fluids & Plasmas)中性粒子ビーム接線入射により生ずるトロイダル周回高速イオンの減速過程を、高速イオン案内中心の有限径方向偏位を考慮し、3つの運動不変量(エネルギー,磁気モーメント,正準トロイダルモーメント)に関する簡約化ドリフト運動論的方程式で記述した。減速過程の方程式に対する、近似した解析解を得た。この解析解により、アスペクト比の大きいトカマクでの、有限の径方向偏位を含んだトロイダル周回高速イオンの減速分布関数を記述できる。
