プラットフォームとしてのLHD-NBI装置群の利⽤について
核融合科学研究所 プラズマ加熱物理研究系

中野治久

2021年07⽉26⽇（⽉）13:15於 ユニット構築会議/学術実験プラットフォーム検討会議（第15回）

⽬的
2023年度以降、⼤型学術フロンティア促進事業が終了後、LHD-NBIもしくはその資産ををどうのように活⽤していくか、是⾮とも皆様にアイディアを伺いたい。

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中性粒⼦ビーム⼊射装置（Neutral Beam Injector, NBI）
（負イオン）NBIの概念図
H+
CorePlasma

H0
Hプラズマ⽣成

ビーム形成(引出/加速)ビームの中性化(ガス/プラズマ/光)イオン源① イオン源でプラズマを点ける。
② イオン源からイオンビームを引出・加速する。
③ イオンビームを中性ビームにする。
④ 残留イオンを除去する。
⑤ コアプラズマに⼊射する。

⼤⾯積ビームの偏向（磁場 or 電場）

加熱

ビーム輸送
ビームエネルギーが〜100 keV超では、正イオンビームの中性化効率が低いので負イオンビームを⽤いる。

2

LHD-NBIs

3LHD-NBIs
BL1BL4BL5BL2BL34LHD-NBIs

負イオン
NBI

＜負イオンNBI＞

BL5 2010

BL2 1998–

BL1 1998–LHD

BL3 2001–

正イオン
NBI
BL4 2005-

l ビームライン数： 3 BLs (BL1 – 3)l ビームエネルギー：〜190 keV
l 中性粒⼦ビーム⼊射電⼒：〜5 MW @ H0
〜3 MW @ D0l イオン源数： 2 台/BL

＜正イオンNBI＞
l ビームライン数： 2 BLs (BL4 & 5)l ビームエネルギー： 60 keV @ BL480 keV @ BL5
l 中性粒⼦ビーム⼊射電⼒：〜 6 MW @ H0〜10MW @ D0l イオン源数： 4 台/BL

全ビームライン（BL）とも、LHDとBL間にゲート弁を備えており、ビームライン単独で運転することもできる。
5負イオンNBI

Ion-Source V.V.
Negative Ion Source

Beam-Dump V.V.
Neutralizer

Injection Port

BL2Power Supplies forSource Plasma

BL3

Negative Ion Source
Ion-Source V.V.

Neutralizer
Beam-Dump V.V.
6

負イオンNBI
負イオン源内にプラズマ（現在は真空アーク放電）を点け、そこから数10 AのH- or D-ビー
ムを引き出し、〜190 keVまで加速する。
1BLあたり、2台のイオン源を横（⽔平⽅向）に並んべて、約13 m先のLHD⼊射ポートへ向けてビームを輸送する。
負イオン源

上から

Beam

カロリメータ弁

横から7

負イオンNBIの仕様（BL2の例）（NB#1-3まで3基あり。以下、1基あたりの仕様です。）
l 粒⼦種：⽔素負イオンH-（D-が使えるかは不明）、その他でも負イオンとなる粒⼦種
l 最⼤ビームエネルギー：〜190 keVl 最⼤H-イオンビーム電流：〜40 A強/イオン源1台(ビームライン1基あたり2台のイオン源あり。)
l 最⼤H-ビームパワー：〜7.5 MW強/イオン源l 最⼤H0ビームパワー：〜2.5 MW強/イオン源l 最⼤H-ビームパワー密度：〜80 MW/m2/イオン源 @カロリーメータ, 〜150mmx300mmを想定。
（〜6×1022 s-1m-2/イオン源@190keV）
l 最⼤H0ビームパワー密度：〜28 MW/m2/イオン源 @カロリーメータ, 〜150mmx300mmを想定。

p フィラメント電源(本体室内)： 20 VDC, 6000A(500Ax12系統), 30sec/300sec, 2台あり
p アーク電源(本体室内) ：109 VDC, 5000A(=416Ax12系統), 20sec/300sec, 2台あり ü 左記、MG受電時。
ü 商⽤受電時は〜30
p バイアス電源(本体室内) ：15 VDC, 1000A, 20sec/300sec, 2台ありsecの運転実績あり。
p ビーム引出電源(本体室外)：15 kVDC, 75A, 10sec/300sec, 2台あり
ただし、エネルギ
̶、パワーとも⼤p ビーム加速電源(本体室外)：178 kVDC, 〜90A, 10sec/300sec, 1台
幅に下がる。
p イオン偏向磁⽯電源(本体室内) ：50 VDC, 1000A, Duty10-100%, 1台
Ø 最⼤到達真空度：

10-6 Pa以下 (クライオソープションポンプ使⽤時)
8負イオンNBI＜利⽤⽅法の形態（案）＞l イオン源プラズマの利⽤。
l 100keV-10A級 ⼤電⼒負イオンビームおよび中性粒⼦ビームの利⽤。
l ⼤型真空容器としての利⽤。
l ⼤電⼒電源の利⽤。
l ほか。

上から

＜注意点＞
l LHD本体棟内の機器は本体室外へ持ち出せない。
l 維持費・運転経費が⾼額（+技術職員+運転員）
Ø 維持費： 〜100万円/BL/年 (点検w/o メーカ点検)。
Ø 運転経費：〜250万円/BL/週（ イオン源⽴ち上げ時の1-3週間のコンディショニング運転を除く。 ）。
ü 電気代（冷却⽔、クライオソープション関連機器、⼤電⼒電源）、液体窒素（〜70万円）、他。多数のターボ分⼦ポンプを取り付けるなどして、クライオソープションポンプ不使⽤運転ができれば、100万円台/BL/週。

l D-は利⽤できるかは不明。
l LHDの0.5 T運転をすることになった場合は、利⽤できるか現時点では不明確。

横から9Residual ion dump

2.76°

正イオンNBI
正イオン源内にプラズマ（現在は真空アーク放電）を点け、そこから数10 AのH+, H2+ and H3+ もしくは、D+, D2+ and D3+ビームを引き出し、〜60 keV@BL4
or 80 keV@BL5まで加速する。

BA

上から
R=4.9m
LHDplasma

BeamCryo sorption pump

Focal length = 8.3m
Caloriemeter
array

Neutral gas cell

1BLあたり、縦横に2台ずつ計4台の正イオン源を並べて、数 m弱先のLHD⼊射ポートへ向けてH+もしくはD+ビームを輸送する。なお、分⼦性イオンをビームライン内において磁場で曲げて除去する。

U3.45°

正イオン源

L

横からBending
magnet10

正イオンNBI
Mass Dependence
40-1

101.5

OptPerv.[A/kV ]

30

1.5

Perv. [A/kV ]1/e-Beam Width [cm]35252015

H (Horizontal)
H(Vertical)
Ar (Horizontal)
Ar (Vertical)
He (Horizontal)
He (Vertical)

105
000.02

0.04

0.06

0.08

-0.5

A-2

100.1

110
A (Mass Number)

100

1.5

Perv. [A/kV ]l 正イオン源は⽔素・重⽔素に限らず、各種プラズマから対応する正イオンビームを出⼒可能である。
l ただし、イオン種によって最適運転条件（perviance）が異なるため、同時多種ビーム⽣成する際には、調整が必要であり、また、各所の温度上昇に注意する必要がある。
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正イオンNBI（BL5の例）
l 粒⼦種：⽔素正イオンH+（D+が使えるかは不明）、その他でも正イオンとなる粒⼦種
l 最⼤ビームエネルギー：
60 keV@NB#4, 80 keV@NB#5
l 最⼤H+ビーム電流：
75A/イオン源（イオン源は4台あり、ただし、合流させるには改造が必要。以下同様。）
l 最⼤H+ビームパワー：
6 MW/イオン源
l 最⼤H0ビームパワー：〜1.5 MW/イオン源l 最⼤H+ビームパワー密度：〜88 MW/m2/イオン源 @カロリーメータ, 〜220mmx310mmを想定（〜 1.6×1023 s-1m-2/イオン源@70keV）
l 最⼤H0ビームパワー密度：〜22 MW/m2/イオン源 @カロリーメータ, 〜220mmx310mmを想定
p フィラメント電源(本体室内)：p アーク電源(本体室内) ：p ビーム減速電源(本体室内) ：p ビーム加速電源 ：Ø 最⼤到達真空度：

ü 左記、MG受電時。

15VDC, 1800A, (300 A×6系統), 4台あり。
ü BL4については、商135VDC, 1020A(170 A x 6系統), 20sec/300sec, 4台あり。 ⽤受電時に4台のイオン源を順次切り替
5 kVDC, 20A, 10sec/300sec, 2台あり。
えてシリーズ運転す
80kVDC, 150A, 10sec/300sec, 2台あり。
ることが可能。ただ10-6 Pa以下 (クライオソープションポンプ使⽤時)※ 利⽤⽅法の形態（案）と維持・運転経費は負イオンNBIと同程度と思われる。

し、ビームパワーは⼤幅に下がる。

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まとめLHDの負イオンNBIおよび正イオンNBIの資産活⽤⽅法のアイディア求む！

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