ITER調達に向けた加熱装置開発の現状
井上多加志
原子力機構
H23合同研究会 @筑波大
2011.7.20
1. 東日本大震災による被災状況
2. 170 GHzジャイロトロンとECH開発
3. 1 MeV負イオン加速器とHVブッシング開発

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１．東日本大震災による被災状況

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JT-60実験準備棟（NBI）
室内

屋外応急補修（雨仕舞い）後主柱間の筋交いが折れ曲がり、座屈。外側に折れ曲がった箇所で壁を押出し、コンクリートパネルが落下。

JT-60実験準備棟（NBI）筋交いの座屈

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筋交い141本/180本が座屈、半数以上が壁パネル側に折れ曲がっており、余震・強風によりさらにパネル落下の可能性： 被災度は「中破」判定、立ち入り禁止。
クレーンが使用できず、R&Dに支障をきたしている。

MeV級イオン源試験装置
試験中だった
高電圧ブッシング：
外観に異常なし

コアスナバー：
絶縁支柱が全て破損し、傾斜4/18

信号ケーブルがはさまる

コアスナバーアンカー

エポキシ製
絶縁支柱の破断ITER調達に向けた耐電圧試験の実施が困難

JT-60附属実験棟（RF）

本棚の転倒、天井板の崩落
被災度は「中破」判定、居室部分は立ち入り禁止。

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２. 170 GHzジャイロトロンとECH開発

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ECHシステムの調達分担（予定）
ミリ波発生部

電源(容量：~60MVA)
伝送系（性能仕様）
伝送効率：92%以上
パルス幅：CW（定常）

ジャイロトロン（性能仕様）
・周波数/出力/効率：170GHz/1MW/50%以上・モジュレーション周波数：1kHz以上
・パルス幅：500秒以上

全24本中、JAは8本を調達

ランチャー（構造仕様）
・入射パワー：20MW
・トロイダル入射角度：20º~45º
・パルス幅：CW（定常）・遮蔽性能、耐電磁力、etc…

水平ポート分を調達（1機）
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170 GHzジャイロトロン

7/18• ITERの要求性能（1MW/800s）を世界に先駆けて達成（2006）
ITER-J5M2• 1.5MW/4sec at 110GHz gyrotron for JT-60SA

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5 kHz 出力変調(anode modulation)
Vbody

VanodeVcathode

ITER target
5kHz/50s(0.5MW-1MW) mod.
Attained
5kHz/60s
Full 1.1MW mod.

Ibeam
50.5A

RF1ms60s

NTM制御等に必要な出力微調整を出力変調により実現

繰り返し運転9/18

800kW/600s/every 30min/8 days
Photo interlock

全88ショット中、72ショットで600秒の長パルスを達成
Next : Quick recovery scenario during shot

二周波数ジャイロトロンの開発

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170GHz(TE31,11)

136.8GHz(TE25,9)

P>1MW
at Ic=45A

Vbeam=70kV
Bc & Vak optimized• 磁場強度を変えて、異なる二つの周波数で発振• 短パルス（1 ms）ながら、170 GHz、137 GHzの二周波数発振に成功。
• 効率約30％以上• 長パルス化、エネルギー回収器運転による高効率化試
験を実施中。

３．1 MeV負イオン加速器とHVブッシング開発

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ITER NBIの調達分担（予定）
中性粒子入射装置（NBI）

HVブッシング 2機 + NBTF

入射加熱パワー：16.5 MW

JAが3機を製作
1機：EU予算
2機：日本予算（2機 + NBTF）
電源低電圧部 2機 + NBTF

EUが3機を製作

電源（SF6絶縁ガス雰囲気）から電力を真空中のイオン源/加速器に導入

1 MV電源高電圧部 2機 + NBTF JAが3機を製作

1機：EU予算• 1 MV 加速電源直流発生器
2機：日本予算• 1 MV 絶縁変圧器• 伝送系 (トランスミッションライン、全長 100 m)• 1MV 試験電源、模擬負荷加速器2機 + NBTF ・EUが1機を製作

・ JAが1機を日本予算で製作

1 MeV、40 Aの負イオンを加速する
大型静電加速器

MAMuG加速器に決定（’08.5）
イオン源
容器等は、EUがほぼ100%製作

EUが製作

RF負イオン源に決定（’07.7）

実規模モックアップブッシング試験

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単段モックアップ試験
世界最大のセラミック（内側）とFRP（外側）(1) 定格の120%（-240 kV：BD時の電源最高過電圧）で2時間保持に成功。
(2) 電源過渡応答時間に対応した長パルス条件（-220 kV, 5時間）でも高電圧絶縁を達成。

2段モックアップ試験（定格400 kV）

2段分のモックアップを製作し、耐電圧試験を開始。376 kVで震災により中断。

MeV級加速器の改造（2009）
従来構造改造後

13/18• 電極と支持枠の間など、1 mm程度の段差、ギャップ等（陰極側）の対向面に放電痕あり。
• 解析より局所電界強度3 kV/mm以上とと判明。局所電界緩和のため：
1. 電極と支持構造間真空絶縁距離を延長 72 mm → 100 mm

100R157872100100100R302. 電極支持板周囲のコーナー部
R15R30
加速ギャップ延長によるビームレット発散角の増大は許容可能なレベル

直径約2 m10-4 Paの真空中で1 MVを1時間以上にわたり安定保持14/18負イオンビームの偏向
ビーム引出領域:3x5

磁石極性Blue：Ｎ
Red：Ｓ

2.5 m下流の1D CFCターゲットにおけるビームフットプリントIR画像
700 keV

Beam deflection

EXG（PG側から見る）• 磁場偏向：ESG内の電子抑制磁場により、各行で左右交互に偏向• 空間電荷反発：ビームレット間隔が電極孔間隔よりも拡大

磁場偏向と空間電荷反発による偏向が• 互いにキャンセルしあうビームは高強度、• 同方向に働くビームは電極で損失し、ターゲットでの強度が弱い。

負イオンビーム偏向の補正
大規模3次元マルチビーム軌道解析①③④
HV flange
⑤②
A1G

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偏向補正後（2011年1月）
980 keVA2G
H- beam⑥A3GA4GGRG① 磁気フィルターと電子抑制磁場② 負イオン剥離損失による加速途中の電流低減③ ESG（電子抑制）電極での孔ズレ：0.5 mm④ ESG背面の電界補正板（FSP)：厚さ1 mm⑤ EXG、ESG背面の大型電界平滑板⑥ 電極支持枠構造

引出し電極下部において、• 電極孔を意図的に軸ズレ• 多孔部周囲に高さ1mmの段差を設け、加速静電界を制御して負イオ
ンビームを偏向と逆方向に補正偏向0.98 MeV, 185 A/m2 H-加速を実証

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MeV級負イオン加速器開発（目標：1 MeV, 200 A/m2 H-イオン生成）

ビーム偏向を補正する改良の結果、ビーム加速中の耐電圧性能が改善、2011年1月、0.98 MeV, 185 A/m2 の水素負イオン加速を実証

NBTF@パドバ建設予定地
既存試験施設の電源容量から、電流値は要求性能の1%にも満たない。
目的：実機同等のNBIを建設し、1 MeV、40 A、3,600秒入射の実証

NBTF
ITER

フランスカダラッシュ

パドバ

イタリア（コンソルツィオRFX研）

RFX

NBTFエリア17/18

まとめ18/21
18/18• 東日本大震災により建屋に大きな被害を受け、特にNBI開発に支障をきたしているが、ITER調達への影響を最小限とするよう、ITER機構と協議を行っている。
• 世界に先駆けてITERの要求性能（1MW/800s）を達成した170GHzジャイロトロン開発においては、5 kHz変調、繰り返し運転における信頼性実証に成功し、二周波数ジャイロトロンの開発を推進している。
• 1 MV真空絶縁はNBI開発における長年の課題であったが、絶縁距離拡大と曲率大径化による局所電界の緩和、並びにビーム軌道偏向の補正により大幅な改善を見た。その結果、– 実規模モックアップブッシングにおいて、240 kV１時間保持成功、– 0.98 MeV, 185 A/m2 の水素負イオン加速を実証した。