高エネルギー加速器科学研究奨励会
第7回特別講演会
平成29年10月12日

IFMIF原型加速器の現状と核融合用中性子源(A-FNS)計画
量子科学技術研究開発機構
核融合エネルギー研究開発部門
六ヶ所核融合研究所
池田 佳隆

内容
・はじめに
・加速器型中性子源・IFMIF原型加速器
・A-FNS計画

1

核融合エネルギーとは
核融合とは
 太陽（恒星）のエネルギー源
 軽い原子核が反応、莫大なエネルギーを発生
燃料（重水素・トリチウム）1グラム＝ 石油 8トン相当のエネルギー
重水素

トリチウム

+

核融合

α粒子(ヘリウム)

中性子+（提供：岡野邦彦氏）

なぜ核融合エネルギーか 燃料資源はほぼ無尽蔵

 温室効果ガスの排出がない
 トリチウム（放射性）のプラント内蔵量は限定的。安全性の確保が比較的易しい 核セキュリティに優れる（核拡散抵抗性）
 発生する放射性廃棄物はすべて地表近くに埋設（浅地中埋設）処分可能

 実現すれば、社会の低炭素化に貢献可能
2

地上で核融合を起こす
核融合を起こす方法

プラズマ 燃料を１億℃まで加熱
すべての物質は、「プラズマ」（第４の物質状態）へ

イオンと電子がバラバラの状態

 超高温プラズマを磁場で閉じ込める
トカマク方式による核融合

イオンと電子は磁力線に巻き付く性質

真空容器内に超高温プラズマ
強力な磁場で閉じ込め

トリチウム

重水素

核融合
+

磁力線

イオン

高温プラズマは電磁流体の乱流構造であり、1億℃の実
現に長い年月が必要であった。（JT-60では1996年
世界最高温度5.2億℃達成）

α粒子

中性子

(ヘリウム)+

スパコンの性能向上により、内部構造がシミュレーショ
ンできつつある。（左図）
3

核融合のエネルギーを取り出す
核融合反応のエネルギーは主に中性子が持っている プラズマの周りの壁に中性子が衝突し、冷却水を熱水
中性子は、磁場を感じないので壁に衝突

 発生した中性子を使って燃料のトリチウムを生成

中性子を増倍した後 (Be+n ⇒ 2He+2n)
リチウムー中性子反応でトリチウム生成 (6Li+n ⇒ T+He)

核融合発電

トリチウム（三重水素）
燃料として回収真空容器周囲にブランケット

発電に利用

冷却水

中性子

中性子

+
+
+

リチウム

+
+

ヘリウム
三重水素

+

冷却水

回収ガス

ブランケット

出口 325ºC

冷却水

入口 290ºC

 材料の中性子照射の特性（寿命）4発電実証までの道筋
試験装置

実験炉

現在

今世紀
中旬

核融合燃焼の実証

科学的実現性

原型炉
発電実証

ITER（国際熱核融合実験炉）

JT-60

50万kWの
熱出力
超高温プラズマの実現

フランス
サン・ポール・レ・デュランス市

世界最高イオン温度
5.2億度を達成

ITERを支援する【茨城那珂】

ITERでできないことを補う
【青森

六ヶ所】

炉設計・
R&D

材料
開発

プラズマ
高性能化

サテライト・トカマク
JT-60SA

国際核融合エネルギー IFMIF/EVEDA事業
研究センター
国際核融合材料照射施設の工学実証・工学設計

核融合エネルギー研究分野における幅広いアプローチ(BA)活動5

加速器型中性子源- 核融合炉用材料の中性子照射を評価-

6

加速器を用いた核融合用中性子源
核融合炉は、核分裂炉よりも発生する
中性子エネルギー（14MeV)が高く、材料中のヘリウム生成量が大きい。
IFMIF:International Fusion Materials Irradiation Facility

ﾍﾘｳﾑ生成量 (appm/年)

IFMIF

200

加速器を使って高エネルギー（>~14MeV）の中性子を発生して、材料の耐久性を調べる。
高エネルギー
重水素 +
（加速器）

400

中性子スペクトル

重陽子線形
加速器

剥ぎ取り/回析

14 MeV高エネルギー
中性子（材料照射）（Liターゲット）
IFMIF予想鳥瞰図

材料照射セル施設

核融合炉
ITER

核分裂炉

0
0
20
40
弾き出し損傷量 (dpa/年)
IFMIF:最大中性子発生率：約1.3×1017個/秒

液体Liターゲットループ
IFMIFの建設は国際的に未定

7大電流加速器の開発
世界の加速器の運転領域

IFMIFは、世界最大の電流ビームを加速する
強力な加速器（125ｍＡ×2ライン、40MeV）

核融合材料研究
IFMIF

平均電流値（mA）

IFMIF/EVEDA
加速器

IFMIF/EVEDA（プロトタイプ）原型加速器は、前段（9MeV）の大電流ビーム（1ライン）の加速技術を六ケ所研で日欧で検証する

材料・生命科学

液体Liターゲットループは、プロトタイプで1300
時間を超える定格流量を実証（H24～H27年度）。

原子核・素粒子物理

イオンビームエネルギー（GeV）

入射器
100keVRFQ 5MeV

9MeV

IFMIF/EVEDAプロトタイプ加速器（125mA、9MeV)

超伝導加速器14.5MeV

26MeV

40MeV

IFMIF加速器の1ライン（125mA、40MeV)

液体Ｌｉ
ターゲット
0

20m

40m

60m

8

IFMIF原型加速器- 日欧国際協力で進める大電力加速器開発 -9

IFMIF原型加速器（LIPAc）の構成
IFMIF原型加速器の開発

Linear IFMIF Prototype Accelerator
幅広いアプローチ（BA)活動として日欧共同事業でIFMIF加速器のR&Dを実施
・実施体制：日本（QST)、欧州（F4E）のもと、各国研究機関が機器調達し六ヶ所研で組立・試験。（SRF Linac組立・試験ではKEKも参画）
・目標：重陽子ビーム、125mA、CW、9MeV加速の技術的な見込みを得る
・期間：2007年5月～2020年3月（ただし延長を議論中）
Injector
CEA

RFQ
INFN
QST

MEBT
CIEMAT

SRF Linac
CEA/CIEMATHEBTCIEMAT

計測系

CEA
CIEMAT

クライオプラント

CEA

BD
CIEMAT

RF システムCIEMAT
CEA/SCK 建屋、空調、冷却水制御システム、許認可
据付・調整・運転
QST（KEK)

10技術課題
 大電流、CW運転 ⇒ 空間電荷によるビーム発散
ビームダンプ面での均一性
 重水素ビーム⇒ 高エネルギー重水素の衝突による加速器の損傷・放射化
構成機器

機能・特徴

課題

入射器

ECRイオン源
D+ を140mA、100keV加速
RFQ入口：0.30πmm.mrad

大電流
高いD +割合
長時間安定
ビーム収束

低エネルギービーム
輸送系（LEBT)

ビームをソレノイドで集束し、RFQへ適切にビーム導入。

クリプトンガス等で空間電荷効果を抑制

高周波4重極（RFQ）

ビームを強く集束/加速し、空間電荷力の影響が弱くなる5MeVまで加速
世界最長のRFQ

損失パワーの抑制
大電力高周波の注入

中エネルギービーム
輸送系（MEBT)SRF-Linacに正しくビームを入射させるために、ビームを四重極で横方向に、バンチャーキャビティで縦方向に集束

SRFと合わせた最適化

超伝導加速器（SRF)

5 MeVから9MeVに加速（IFMIF加速器では40 MeVまで加速）

損失は1W / m以下：損失がビームパワ
ーの10-6以下

高エネルギービーム
輸送系（HEBT)SRF Linacのビーム(1.1MW)をビームダンプで入力密度を300W / cm2以下に拡張
四重極によってビームを必要なサイズおよびビー
ムダンプ面プロファイルに拡大

ビームダンプ上での入力密度の均一化

ビームダンプ

1.1MW CW

高熱負荷（300W/cm2）1111入射器の設計（１） 設計方針・CEAのSILHI源（H+、95keV、125mA、ECR源、5枚電極）をベースに設計
・空間電荷効果の低減：「引出アパーチャ拡大」「強い加速電界」「加速ギャップ長の短縮」
・放電防止のため、電界は100kV / cm以下に制限（動作圧力～10-2Pa）

 設計手法・OPERA2Dコードで磁場マップと電場マップを計算し、AXCELコードでビーム抽出と粒子軌道を計算
・電極開口径ならびに電極の数、形状および電圧を最適化

第1ステップ：引出アパーチャ依存
アパチャーは大きいほうが良いが、ERCプラズマ生成の限界⇒ φ= 12mmを選択

第2ステップ：電極数依存

電子リペラをプラズマ電極に近づけ、空間電荷の中性化領域に早く到達⇒ 少ない電極数が良いが、設計裕度から4枚電極12入射器の設計（２）
第3ステップ：電極形状の最適化（100 kV/cm以下）

標準種組成（80％D+ 、15％D2+ 、
5％D3+）とすると、最大抽出電流は175mA で あ り 、 対 応 す る 電 流 は140mA D+

第4ステップ：試作放電が頻発したため、4枚電極から実績のある5枚電極（SILHI源と同じ）に変更
13

入射器の設計（３）
第5ステップ：実機製作
SILHI源と同じ5枚電極に変更

2.45 GHz RF-25 kVビームシミュレーション(CEA)5-3.5 kV～600mmビームシミュレーション(QST)-3.5kV14

低エネルギービーム輸送（LEBT）の設計（１） 設計方針・CEAのSILHI源（2個のソレノイドコイル）をベースに設計
・空間電荷効果低減のため、「（残留）ガス導入」のイオン化による電子で電荷を補償

 設計手法・ SolMaxP（CEA製3D PICコード）で衝突及びイオン化
プロセスを考慮して、プラズマ中のMaxwell Equations
を解き、空間電荷ポテンシャルを計算
・ TraceWin（CEAのマルチ粒子輸送コード）は、荷電粒子を電気/磁気要素またはフィールドマップで輸送したり、さまざまな調整や最適化を実行。
・2つのコードで収束（SolMaxPは非常に時間がかかる）

15

低エネルギービーム輸送（LEBT）の設計（２）
最終的な2次元（r、z）空間電荷ポテンシャルマップLEBTに沿った均一なガス圧でのシミュレーション

ビームエンベロープ

正規化rmsエミッタンス

主な結果
・重水素 4×10-4 と4×10-5hPaでは、
4×10-4 でエミッタンスは45％減少。
・放電回避の点で、5×10-5hPaを選択
・重水素が1×10-5hPa、Krが 4×10-5hPaの混合ガスの場合、重水素のみの場合に比べ、エミッタンスは更に20％減少。
・D＋による電子捕獲により、ビームは2.4%損失・実際のガス圧は、排気系、ガス導入系に影響される。
RFQ入口のエミッタンス： 0.17 π mm.mrad
要求性能（0.3 π mm.mrad）を満足
16

高周波四重極線形加速器RFQの設計（１） 設計方針・大電流ビームを強く集束/加速し、空間電荷効果の影響が弱くなるエネルギー領域（5MeV）まで加速する世界最長のRFQ・ビーム損失は、衝突により中性子の生成で放射化を誘発（中性子発生：エネルギーの二乗に比例）・RFQの全長にわたり、高エネルギー部分の損失、最大表面電界および電力消費を可能な限り低減

 設計手法・RFQ構造：LANL chain of RFQ codes (Crandall & Wangler 1987)
・ビームシミュレーションはLANLコードPARMTEQM(Crandall et al.、1987)およびCEAコード
Toutatis(Duperrier、2000)
・106以上のマクロ粒子計算
主な設計パラメータ
・RFQは489個のセルから構成
Total length
9.81 m
・RFQ出口で125ｍA以上
Cell number for
4 / 153 / 147 / 185 /RMS/Shaper/GB/Accelerator 489/TotalShaper：バンチングプロセスを開始、
Gentle Buncher：バンチングプロセスを完了
Accelerator：粒子を5MeVに加速

Voltage [kV] MIN / MAX
Max surface field [MV/m](cell)
Min aperture “a” [mm] (cell)
Min longitudinal radius [cm](cell)
Ratio Rho/R0
Output energy from
Shaper/GB [MeV]
R0 initial/final [cm]79.3 / 132
25 [=1.76kp] (489)
3.48 (339)3.03 (158)0.75
0.11 / 0.32
0.548 / 0.710

17高周波四重極線形加速器RFQの設計（２）
RFQに沿った主要物理パラメータ（LANL chain of RFQ codes）
・集束強度Bは、入射時に弱く（B0=4)、高い空間電荷力を補償するため漸進的に7まで増加
・Gentle Buncherの終わりでは、
アパーチャの急激な減少により、
高エネルギーに加速されない粒子
を衝突、消滅させる。
・逆に、RFQ（E> 3 MeV）の最後の3分の1では、高エネルギーでの損失を避けるために、すべてのパラメータを変更せず

18

高周波四重極線形加速器RFQの設計（３）ビームシミュレーション（PARMTEQMコードおよびToutatisコード)

ビーム密度と全横断サイズ（106マクロ粒子）

・RFQ出口のエミッタンス：0.20 πmm.mrad
・入力粒子の数に対する透過電流率：95.9％
・損失は最初の3番目に集中：集束できずに加速できない低エネルギーの粒子
・局所的な損失：12W程度。
正規化rmsエミッタンス

ビームパワー損失、粒子損失率

・高エネルギー部分での損失：6W程度。
・ 入 力 電 流 が 140mA の 場 合 、 出 力 電 流 は133mA
・125mAのIFMIF目標値と比較して、依然として5％のマージン

入力電流が140mAの場合、出力電流は133mA（125mAのIFMIF目標値に対し、5％のマージン）
19

中エネルギービーム輸送（MEBT）の設計
 設計方針・RFQから5MeVビームを輸送し、SRF-Linacへの最適入射・損失は1W / m以下、すなわちビーム損失は10 -6以下を目指す

 設計手法・強い空間電荷に起因するbeam blow-upを抑制するため短いセクション
・MEBTのビームシミュレーションと最適化は、SRF-Linacと一緒に実行： TraceWinコード
・マルチ粒子輸送コードで、106個以上のマクロ粒子で評価・最適化に非常に時間がかかる。
5つの四重極と2つの集束キャビティから構成
150

Scrapers

150

320

₋ ビーム形状の最適化（6次元）：
４つの四重極と２つの集束キャビティ
₋ 軌道補正：四重極内の位置補正
₋ ビーム測定：RFQ出口、SRF入口
及び四重極でのロスバンチャーの電界等を下げるため、
若干の変更
20

超伝導RFライナック（SRF-Linac）の設計（１） 設計方針・MEBTとSRF-Linacのビームシミュレーションを一度に実行・IFMIFプロトタイプ加速器では5MeVから9 MeV、IFMIF加速器で5MeVから40 MeVまで加速。
シミュレーションでは、40MeVまでを実行
・メンテナンスの制約から、損失は1W / m以下に抑制。これはビーム損失が10-6以下

 設計手法・SRF構造：GenLinWinコード。幾何学的キャビティのβ値、遷移エネルギー、長さあたりの共振器数の最適化を満たしながら、最小の空洞を有する最短の線形加速器を設計
・ビームシミュレーション： TraceWinコード-

第1クライオモジュール：1つのソレノイドと1つの半波共振器の8周期第2クライオモジュール：1つのソレノイドと2つの半波共振器の5周期
第3、4クライオモジュール：4つのソレノイド周期と3つの半波共振器
超伝導共振器：4.5MV / mおよびアパーチャー：40〜50mm
ソレノイド：６T(NbTi）

21

超伝導RFライナック（SRF-Linac）の設計（２）マルチパーティクルシミュレーション（TraceWinコード）
・40MeVまでのシミュレーションを行い、MEBTを含めた最適化を図る。
・損失が10-6レベルのため、エンベロープ評価は十分ではなく、106個以上のマクロ粒子（最終的には107個以上）のマルチパーティクルシミュレーション（ハローマッチング）が必要。
・エミッタンスマッチングとハローマッチングの最適化は同じでないかもしれない。
エミッタンスマッチング例

標準化エミッタンス

ハローマッチング例

標準化エミッタンス

1 マクロ粒子/106
マクロ粒子

MEBTおよびSRF-Linacに沿ったビーム包絡線（3 rms）。

マクロ粒子

22

高エネルギービーム輸送ライン（HEBT）の設計（１） 設計方針・1.1MWの高パワービームをビームダンプで電力密度を300W/cm2以下に拡張・ビームダンプの熱応力を避けるため、ビーム中心偏差と非対称ビームにも留意
・ビーム診断のため、全長2m以上の診断プレート（D-Plate）の実装を可能にする。
・ビームダンプ以外での損失は、1W / m未満（ビーム損失10 -6以下）に制限。

 設計手法・TraceWinコードで実行
440

2415

₋ 全長約9.6m。
₋ 第1、2、3の四重極：SRF Linacの出力ビームを制御し、診断プレートに沿って最適なビーム輸送条件にする
₋ 2.5mドリフト：診断プレート用
₋ 第4、5の四重極：四重極スキャンエ
ミッタンス時の焦点合わせ用
₋ 20°曲げ磁石：ビームダンプから加速器要素への中性子放射を減少
₋ 第6、7、8の四重極：ビームダンプ（300W/cm2）のためにビーム拡大
高速弁を入れるため若干の位置変更
23

高エネルギービーム輸送ライン（HEBT）の設計（２）マルチパーティクルシミュレーション（TraceWinコード）
正規化rmsエミッタンス

HEBTラインは、四重極/双極子およびドリフトのみで構成されているため、エネルギー分散によってビームが減衰
し、縦方向の集束サイズが増加

ビームダンプ入口：
最大入力密度は300W/cm2 以下

マクロ粒子

24

システム全体のビームシミュレーション
・製作誤差、設置誤差を仮定して計算 ⇒ 非常に大きな影響（損失増大）
理想条件

誤差を仮定

マクロ粒子（107個）

マクロ粒子（107個）

仮定した誤差

パワー損失

パワー損失

25

設計での結論・展望
・IFMIF（原型）加速器は前例のない加速器
・最高強度、最高出力、最高空間電荷効果および最長RFQの同時組合わせ・非常に高い強度と出力での動作を考慮して設計
・メガワット級加速器には、 10-6以下の小さい損失を管理する必要・このためビームマッチングのような通常の方法では不十分で、ビームマウンスのエッジを処理するためにハローマッチングが必要
・シミュレーション的には、要求性能を満足する設計が可能
・しかし現在のシミュレーションで、 10-6で予測するのは困難（機器精度等）

実際の実験において、ビーム診断を行いながら最適化が必要

26

IFMIF原型加速器の現状・入射器、LEBT、RFQ、MEBTが搬入・据付が完了
・RFQの大電力調整試験開始（2017年7月）：フェーズB
・装置完成は2019年末、9MeVビーム加速開始を2020年に予定
・現行BA計画は2020年3月まで。その後、BA協定を延長し、信頼性確認を予定
現在
2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2020

2018

実証タスクの設計・製作・R&D，工学設計
入射器試験(Saclay)
電源設備，二次冷却設備完成

入射器搬入
入射器初ビーム
引き出しに成功

RFQ搬入
重水素ビーム
施設検査

HEBT,BD

入射器

B
高周波四重極加速器（RFQ）

C,D

超伝導加速器
部品搬入

最終実証試験開始

A
入射器試験
高周波四重極加速器等据付
A

2019

RFQ（5MeV）調整＆加速試験

B

超伝導加速器組立＆据付
超伝導加速器（9MeV）の調整＆ビーム統合試験

C,D

超伝導加速器（SRF）

27

入射系（１）
原型加速器の最初のマイルストーンであるD+で、加速エネルギー100keV、イオン電流140mA、CW、
エミッタンス<0.3π mm mrad を個別に達成（2015年）。
エミッタンスメータ
2015年

エミッタンスメータ

エミッタンスメータ

LEBT

加速電極

ECRイオン源

RFQとの接続点

RFQとの接続点

電流値：135mA
3% duty
12月
Doppler

ε rms,n 0.247π mm mr
4GA

28

入射系（２）
クリプトンガスによるエミッタンスの改善
・LEBTだけのクリプトンガス導入では、エミッタンス改善が10％程度
・ビーム診断系にクリプトンガス導入により、エミッタンス改善（ただしビーム電流も若干減少）
エミッタンスエミッタンスの改善
0.32πmm mrad ⇒ 0.22 πmm mrad
（約30％減少）

ビーム電流

ビーム電流損失
140 mA ⇒ 127 mA（約10％減少）

今後の定常運転においては、クリプトン
ガスの空間的分布も含めたシミュレーシ
ョンとの比較が必要。

29

入射系（３）
CW運転で低エミッタンス調整試験後、入射器のリペラー電極などに損傷が観測⇒ 電子のバックストリームの可能性⇒ 接地電極及び電子リペラ電極のアパーチャーが設計通りでないことが判明⇒ 実測のデータを基に入射器の電界計算を行ったところ、リペラ電界が不十分となることが判明⇒ 欧州側（CEA)で、電極の再製作を行い、この10月から確認試験を開始
ECRチャンバーBN板

第一接地電極の損傷

30

RFQ（製作及び据付状況）
設計/製作：イタリア INFNレニャーロ研究所
特徴：世界最長のRFQ（9.8 m）
大電力（175MHz、1.6MW/CW）共振器
8系統の高周波導入（200ｋW/系統）
加工精度（10ミクロンレベル）＆ロー付け
アライメント（100ミクロン以下）
冷却水による共振周波数調整

31RFQ（チューニング）
チュー二ング方法

高周波分布測定・約100個の模擬チューナーで挿入距離の最適化
・それに基づく実機チューナーの製作、組込み
ダミーチューナー調整要求される共鳴周波数および電界分布が得られたことを確認。

模擬チューナー（調整用）

・ 共鳴周波数: 174.995 MHz
・ Q = 11500 > 9000
・ 不要モードの存在比 < 2%

摂動体

実機チューナー（冷却ポート付き）

ベーン先端のRF電圧分布 [a.u.]

2.572

3

● 計算
■ 計測
2.5

VVpq

vq0( zinterp)

1.521

2

1.5

0

2

0.51

4

6
zinterp

8

10
9.55

ビーム軸方向距離 [m]32高周波システムの据付状況
大電流加速器として大電力CW高周波システムが必要
RFQ用：220kW×8系統（最終段：4極管）
SRF用：105kW×8系統（最終段：4極管）
MEBT用：16kW×2系統
これらの複数高周波システムの電力/位相制御が必要 ⇒ 高度な制御システム
2017年7月、RFQ用高周波システムの据付、単体発振試験（200kW、CW、1.5時間）を終了

RFQ用高周波システム（高周波源室）

加速器室
高周波源室

高周波システム（四極管）（加速器室）

33

高周波システムの制御系

・8系統の大電力高周波の電力・位相を制御してRFQに入射。同期にはWhiteRabbit採用。
・RFコミッショニング時には、共振周波数に合わせて周波数変調
・最終的には共振周波数に合うようにRFQの温度制御
CCS(日本 QST)
TS
タイミング
信号発生器

～
RF 混

～
マスタクロック
10MHz

RFQ(イタリア INFN)

RF System (スペイン CIEMAT)

成器

周波数設定器
1系入射波
RFQ電圧
1系反射波

真空度
アーク

175MHz
設定値

位相差

第1系統（マスター）
周波数変調
on/off

電圧＆位相制御

復調

方結

サーキュレータ方結
方結インターロック
第2系統

混
成
器

温度モニター

大電力アンプ

1系入射波
2系入射波
2系反射波

補正

RFQ

on/off

電圧＆位相制御

復調

インターロック
第8系統

LLRF
RF

RFQ
電圧

RFQ
冷却系

真空度
設定値

アーク検出器EPICS

34

RFQの高周波試験準備が完了
入射器、RFQ、高周波伝送ライン、MEBT、ビーム診断系、低電力ビームダ
ンプをビームラインに設置し、RFQの高周波試験の準備が完了。
高周波伝送ライン

入射器
RFQ

MEBT
ビーム診断系

2017年7月からRFQの大電力調整試験開始

低電力ビームダンプ

35

RFQの初期調整試験結果
・高周波システムの確認（2017年7月～）

1系統毎：低電力（数kW）、短パルス（数10μs）、低デューティ（数Hz)⇒ 約70％反射、約20％が他系統、約10％がRFQに蓄積
高周波応答は、設計通り
8系統の同時入射⇒ 電力、位相のフィードバック制御を確認。

・大電力コンディショニング：2017年10月から開始予定
・ビーム加速試験：2018年1月から開始予定

8系統入射

1系統入射

8系統の入射波の信号の変化
黄色：入力波青色：反射波
マゼンダ：RFQのピックアップ1kW

緑色：他系統からの反射波

1系統から他系統へのパワーの回り込みを確認

マスターパワー（黄色）をフィードバックさせ、他の系統のパワーが追従することを確認
黄色：マスター36

超伝導加速器（SRFライナック）
設計/製作：フランス CEAサクレー研究所～6m

特徴：半波長型超伝導空洞8基からなる
材料はニオブ空洞はプロトタイプで性能確認後、実機製作
超伝導ソレノイドコイルはCIEMATが担当
日本の高圧ガス保安法冷凍則による事前評価（取得済）
全体の組立ては、六ヶ所研のクリーンルームで実施予定
超伝導加速器の内部構造
半波長型超伝導空洞の内部構造～0.9m ＝ 1/2λ

空洞の試作機37

超伝導加速器の製作状況
・プロトタイプで大電力試験を実施、4.5MV/mの加速電界を確認（2017年4月）
・HWR実機空洞は順次製作中。8式全部製作が完了するのは2018年2月末の予定。
・クライオスタットや熱シールドなどの内部コンポーネントはほぼ調達完了。
・スペインCIEMAT担当のソレノイドコイルと電流リードが遅れている（2018年6月予定）
・2018年10月から六ヶ所核融合研究所に設置するクリーンルームにおいて、組立を開始予定。

超伝導空洞の大電力実証試験（CEAサクレー研）

超伝導加速器用クライオスタット
プロトタイプで超伝導空洞の大電力実証試験で以下の確認
最大電界：5.3MV/m
共振周波数可変域：175.0677~175.0137 MHz (要求値 50kHz)
Q値：1.2×109 (要求値 5×108)

チューナー

空洞

RFカプラ
38

@CEA/Irfu

クライオプラントの据付調整
設計/機器製作：フランス CEAサクレー研究所
機器製作・据付：エア・リキード社
特徴：冷凍能力（132ｋW)
日本の冷凍保安規則で許可
欧州分担機器として調達
2017年2月に据付完了。
2017年4月に性能確認試験で冷却性能を確認。
2017年9月、所有権をEUから日本に移転
2017年11月、完成検査予定

機械室

圧縮機

油分離器

電源室

加速器室

クライオモジュールとの取り合い点

バルブボックス、MCTL

冷凍機

液体ヘリウムデュワー（2000ℓ）39

今後の進め方
フェーズ
B

フェーズ
C,D

2017年7月：RFQの高周波入射試験を実施
2018年1月： RFQのビーム加速試験を開始予定（2018年後半まで実施）
2018年10月：超伝導加速器の組立を六ヶ所核融合研究所にて実施予定
2019年4月：クライオモジュールをビームラインへ組み込み
2019年8月：クライオモジュールの調整及びコンディショニングを開始
2020年1月：RFQ及び超伝導加速器を接続した状態でビーム統合試験の開始
2020年3月：現行BA計画の終了

フェーズA
入射器

フェーズB

フェーズC,D

高周波四重極加速器（RFQ）
超伝導加速器（SRF）

BA計画の2020年4月以降の延長を協議中
2020年4月：現行のBA計画を延長し、大電流ビーム加速と長時間安定運転の実証を目指す

40

A-FNS計画（Advanced Fusion Neutron Source)- 核融合用中性子源の国内計画 -41

我が国の核融合開発戦略（アクションプラン）●我が国の核融合開発戦略を定める「核融合原型炉研究開発の推進に向けて(原案)」によるアクションプランでは、ITERで50万kW出力の実証を行う2035年頃までに原型炉建設判断に必要な核融合炉材料の中性子照射試験を行う必要がある。
●このため2030年頃までに核融合中性子源の設計・建設を完了が求められている。
第11回核融合科学技術委員会（平成29年7月14日）
配布資料（抜粋）
合同特別チームの活動フェーズ

黒： 開始事項
赤： 完了事項

概念設計の基本設計

2015

8.核融合炉材料と規格・基
準（２）その他の材料

概念設計
2025頃

2020頃

増殖機能材料の製造及び再使用技術の最適化

工学設計

原子炉照射影響評価

2035頃
核融合中性子源照射試験

増殖機能材料充填体の機械特性評価／製作技術確立（ITER-TBM2号機）
Li確保技術開発
核融合中性子源照射試験

耐照射性ダイバータ材料の開発、原子炉照射影響評価（３）核融合中性子源

計測・制御機器材料の原子炉照射劣化データベース

原子炉耐照射性 計測・制御機器材料の評価

核融合中性子源照射試験

核融合材料ハンドブックの策定
核融合中性子源の設計・建設
核融合中性子源(15) Q：核融合中性子源の設計・-------------->
建設(30)

核融合中性子源照射試験-------->(15) Q:核融合中性子源の設計・
建設(30)(30) Q/大：核融合中性子源照射試験
→(35)

42

核融合中性子源（A-FNS)計画
・国内計画を軸としアクションプランに基づき、核融合中性子源を整備・BA活動の研究資産を最大有効利用
IFMIF原型加速器
Liループ試験
照射モジュール試験

核融合材料照射のほかに、医療等への国内産業利用も目指す
Liターゲット＆照射系

最大中性子発生率：約6.8×1016個/秒（目標年間稼働率 >33％）
ターゲットバックプレート平均

A-FNS加速器 (40MeV)IFMIF原型加速器 (9MeV)（IFMIFは、2ビームライン）

平均中性子束6.1×1014 n/cm2/秒

核発熱1.74 W/g (Fe)

水素生成率

1.4×103 appm/fpy

ヘリウム生成率

3.1×102 appm/fpy

弾き出し

24.7 dpa/fpy

He/dpa12.6

43多用途な中性子源を目指して
核融合炉材料開発だけでなく、連続運転の強力中性子源を広く提供

・中性子利用者に連続定格の中性子束を供給
・中性子利用者は遮蔽壁外のビームライン出口で中性子を利用。
・要望の中性子性能を得るため、ビームライン出口より下流の中性子伝送路を設計。
中性子強度分布ビームラインＢ

2m

ビームラインＣ

ビームラインＡ

遮蔽壁

ﾀｰｹﾞｯﾄ（Li）
D-Beam

中性子

核融合用
照射試料
テストセル

1017
S-1cm-2MeV-1

40MeV
加速器

1015
1013
1011

ビームラインＦ

ビームラインＤ
ビームラインＥ

14 MeV
中性子スペクトル
0.01 0.1

1

10

100 MeV

中性子の性能・強度：6.8×1016 n/s
・密度： 1.8×1014 n/cm2/s

44

A-FNSの課題

世界の加速器の運転領域

加速器系

核融合材料研究

ターゲット系

照射系

平均電流値（mA）

核融合強力中性子源

A-FNS
IFMIF/EVEDA
加速器

加速器系
・世界最大電流の加速器
・長期間の連続運転（～100日/年）

材料・生命科学ターゲット系
・真空中での高速液体Li流・Li純度管理（低放射化）・システム寿命（腐食、キャビテーション等）

原子核・素粒子物理

イオンビームエネルギー（GeV）

世界最先端の中性子源
施設名

ビーム出力

繰り返し 高速中性子数(個/日）

完成年

SNS(米)

1.4 MW

60 Hz

2.6×1020

2006

ESS(欧)

5 MW

10/50 Hz

(1.1-5.4)×1021

2023(予定)

J-PARC
（日）

1 MW

25 Hz

4.3×1020

2008

連続

5.2×1021

2030頃

A-FNS
（日）

5 MW

照射系/プラント・強度な放射線環境下での試験・トリチウム取扱
・遠隔運転保守・プラント設計
社会情勢・大型研究施設への社会的理解と支援⇒ BA活動(IFMIF/EVEDA)を最大限に活用しながら、課題解決を目指す。
45

ターゲット系の開発

・現行BA活動では、大型液体Liターゲットループ試験で毎秒15 mの高速リチウム流を実証（2014年）。
・大型液体Liターゲットループは2017年解体。
・残った課題としては、長期間での損耗・腐食、純度管理、遠隔保守等があり、今後、欧州（BA活動
延長）及び国内の大学、産業界と連携して開発を行う。
大洗研での大型液体Liターゲットループ試験装置

実証
安定性：25±1㎜
流速：15m/秒
積算運転時間：1300時間（いずれも目標値を満足）

残った主な課題
項目

開発課題
ノズル構造・設計
Li流の安定化
ターゲット
アセンブリ―
背面壁健全性
遠隔保守
純度管理
Liループ
キャビテーション防止
窒素ゲッタ材
液体Li中の窒素制御
水素ゲッタ材
液体Li中の水素制御
トリチウム除去
ゲッター材によるT回収
材料全般（低放射化フェライ
全般
ト鋼と液体Liとの共存性）

現在、国内の大学、産業界との共同研究及びBA延長による欧州と国際協力を議論中
46

照射系/プラントの設計・開発
A-FNSは大規模な研究施設でありプラント設計の強化が必要
A-FNS全体システム

総合監視制御システム

RF
電源

電磁石
電源

High >20 dpa/y , 0.5 liters
Medium >1 dpa/y , 6 liters
Low<1 dpa/y , 8 liters

遠隔保守システム

加速器監視制御システム
ｲｵﾝ源用
電源

照射系

真空
ポンプ

T分離処理
システム

BA活動では、欧州がプロトタイプを試作

真空ポンプ

ｸｴﾝﾁﾀﾝｸ

ｲｵﾝ
源

RFQ

(5MeV)SRF(9MeV)

SRF(40MeV)

ST

電磁石
ビーム
ダンプ

1次冷却水設備
2次冷却水設備

中性子、T遮蔽
動力系配線
制御系配線
配管
汚染配管

Li
ターゲット

照射試験
設備

電磁

ホット
トラップ

不純物

ポンプ

設計・開発課題

コールド
トラップ

モニター

項目
照射系

VVVF

ターゲット
監視制御装置

プラント

Liループ
監視制御装置（ホットセル）

照射試験設備監視制御装置
T排気処理
システム

（分析室）

設計・開発課題
中性性照射提供条件
中性子計測
遠隔保守
放射線＆トリチウム＆リチウム管理ゾーニングと建屋
各種配管、配線制御システム
許認可（保管室）

大学・産業界と連携し設計活動を加速

47

中性子源の他分野への展開

・核融合炉の材料・機器試験だけでなく、基礎研究・産業医療・エネルギー応用までを網羅する、汎用性の高い照射場を提供、新たな中性子研究・産業への展開を図る。
炉材料データベース
核融合機器核特性 核融合基礎研究• ヘリウム/dpa効果
ブランケット・ダイバータ• 材料核変換効果
液体リチウムターゲット

医療診断・治療用RI
核設計データ研究

A-FNS

40MeV 重陽子
125mA（CW）

核融合炉
材料試験

核融合炉
機器試験
基礎研究

毎秒6.8x1016

産業・医療
応用

中性子ラジオグラフィ

モリブデン1kgを用いて供給可能な生成割合（％）

4
44
26

BNCT
医療RI、Mo-99（Tc99）の製造シミュレーション例

他分野と連携し、要望する中性性
照射条件を提供する下流の中性子
ビームラインを最適化
48

六ヶ所核融合研究所でのA-FNSサイト案

六ヶ所核融合研究所（赤線が現在のエリア）

中性子源建設希望予定エリア

IFMIF原型加速器試験棟
110,083.72㎡
49

A-FNS計画のスケジュール案
・我が国の核融合政策では、ITERで50万kW出力が実証される2035年頃に原型炉建設判断を行う。
・中性子照射データは、それまでに必要 ⇒ 2025年頃にはA-FNS建設開始が必要
・次期BA活動を使って、加速器、ターゲット系等のR&Dを実施予定。

H29

H30

H31

H32

H33

H34

H35

H36

現行BA活動

次期BA活動（検討中）

IFMIF原型加速器(9MeV検証)

IFMIF原型加速器(9MeV、大電流、CW、長期間運転）

中性子源概念設計の完了（核融合政策アクションプラン）

A-FNS概念設計①加速器設計②リチウムターゲット設計費③照射モジュール設計④試験施設設計費⑤関連施設設計費⑥応用研究開発費⑦法令・規制に関する設計技術検討
基礎R&D
・ Liターゲット系健全評価試験
・ 中性子源ターゲット基礎試験

中性子源工学設計の完了（核融合政策アクションプラン）

H37

H38

A-FNS建設（予定）

A-FNS建設
建設期間2025‐2031
運転期間
2031－2033（20dpa照射）

A-FNS工学設計

工学R&D
・日欧の共通な課題はBA
・我が国特有な課題は国内で実施

材料データ取得
2035頃＊ITERのDT運転開始時期を目途に原型
炉設計判断に必要な材料データの取得を
目指す

50

まとめ
IFMIF原型加速器

・2016年、入射器はマイルストーンを個別に達成（D+、100keV、140mA、CW、
エミッタンス< 0.3 pmm mrad ）。電極を作り直した入射器で、再試験の予定。
・2017年7月、RFQ、MEBT、D-Plate、高周波源等の据付完了。RFQの大電力試験（高周波エージング）を開始。
・2018年1月、RFQのビーム試験（最大5MeV)を開始予定。
・2018年8月、全ての機器を据付し、SRFのコミッショニング開始予定。
・2020年1月、9MeV加速を目指す。
・2020年4月、BA計画を延長し長時間/信頼性確認試験を実施予定（日欧で協議中）。

⇒ 設計と試験結果の比較を行い、A-FNS加速器系の設計・製作に反映させる

A-FNS計画

・BA計画の研究資産を最大限に活用した、国内用の強力中性子源
・中性子の多用途利用を考慮して設計。
・2025年頃に詳細設計を完了し、建設開始を目指す。

⇒ プラント、他分展開を含む全体設計を加速し、国内の理解/支援を得る
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