【研究開発の背景と目的】
イーター計画においては、イーターのプラズマを核融合反応が起こる温度まで加熱し、かつプラズマ電流を駆動することによって核融合プラズマを定常的に維持するために、中性粒子ビーム入射装置（NB）が用いられます。イーター用のNBは、直流100万電子ボルトの高いエネルギーに加速した負イオンをガスセルで中性粒子（原子）ビームに変換し、中性粒子ビームのみをプラズマに入射する装置です。この高エネルギー負イオンを作るため、超高電圧電源（直流100万ボルト、電流60アンペア、パルス幅：1時間）が必要です。日本はJT-60用NB電源設備6）（直流50万ボルト)の製作実績が高く評価され、イーター NB用に2基、イーター NB実機試験施設（NBTF、イタリア・パドバ）に1基、計3基分の超高電圧電源機器の調達を担当しています。
図１にイーターNBの電源全体構成と日本の分担機器を示します。日本が調達する機器は、100万ボルト高電圧電源、100万ボルト絶縁変圧器、100万ボルト伝送ライン等であり、同電源設備の心臓部にあたります。電源の出力電圧が直流100万ボルトを超えると、大気中における絶縁距離は10メートルを超えるとともに、高電圧維持に悪影響を及ぼす空気中の水分やダストを管理する必要があります。このため、従来、直流100万ボルトを超える機器の耐電圧試験は、一辺が約20メートル四方で、清浄化された建屋内で、電源機器の単体試験が行われてきました。しかしながら、イーターでは大規模な電源設備に対しても高い品質保証が要求されており、屋外に設置され全長80メートルを超えるNB電源設備全体の耐電圧試験を一括して実施することが求められています。さらに、敷地面積が限られているため、耐電圧試験装置が設置できる面積は従来の耐電圧専用建屋の10分の1程度に抑え込むことが求められています。
図１ イーターNB高電圧電源設備全体と日本の調達分担部
【研究の手法】
耐電圧試験装置の小型化を図るために、通常大気に露出している高電圧部である耐電圧試験用電源を、絶縁ガス（六フッ化硫黄：SF6）を充填した圧力容器に収納する構造としました。これにより、大気中に比べ、直流100万ボルトを保持するための距離を短くすることが可能となります。しかし、設計に際しては、距離だけではなく各部品の形状も検討して、絶縁破壊の原因となる部品の表面電界を十分に低減し、絶縁破壊を抑制する必要がありました。そこで今回、屋外使用で問題となるダストの影響を考慮した絶縁設計の指針を過去の実験結果から新たに構築するとともに、絶縁ガスの耐電圧特性を検証し、これらに基づき絶縁設計を実施しました。
ダストは圧力容器内に混入した際、その底部に溜まります。底部の表面電界が高い場合、帯電したダストが電界に引かれて浮上します。このダストが内部の導体を支える絶縁支柱に付着すると、沿面放電7)の原因となります。これについて、原子力機構で過去に取得したデ-タを整理し、設計許容値を1.2 kV/mm以下としました。また、絶縁ガスの耐電圧特性に関しては、イーターでの使用環境に即したガス温度や露点（ガス中の水分量に依存）における耐電圧特性を検証し、絶縁ガスの圧力6気圧、また高電圧部の表面電界の設計許容値を20 kV/mmに設定しました。
これらの耐電圧の検証や電界強度の許容値という設計方針に基づき、3次元電界解析コードを用いてタンク内の電界が許容値以下となるように、本装置の内部機器の配置や形状を決定しました。（図2）
その結果、直流100万ボルトを絶縁するために必要な距離を従来の大気中の3分の１程度まで低減して、一辺3メートル四方のサイズの超小型の耐電圧試験装置を実現しました。(図2)これは従来の耐電圧試験装置の設置面積である約20メートル四方に対し、10分の１以下となります。さらに、高電圧発生部が収納された圧力容器を直接NB電源設備に接続することによって、容器内へのダストの流入を極力抑制しました。これによって、屋外に設置されるNB電源設備全体の耐電圧を一括試験できるようになりました。
また、圧力容器の設計及び製作に関しては、最初に本機器を使用するNBTFを設置するイタリアの規制当局、国立労働災害保険協会（INAIL）と協議を重ねました。その結果、日本より厳密に規定されている、イタリアの圧力容器設計法や欧州規格の溶接施工管理を実施して、INAIL立会いの下で実施された圧力容器の水圧試験に合格し本装置の完成に至りました。これにより、日本調達機器では初めて欧州規格に合格しております。
【得られた成果】
今回、イーター NB高電圧電源設備に要求される高い品質保証を実現するために、屋外に設置されるNB電源設備全体を一括試験でき、かつ従来の10分の1まで超小型化に成功した、直流130万ボルト耐電圧試験装置を完成しました。動作確認試験では、定格130万ボルト、1時間連続出力を実証し、イーターで使用可能なことを確認しました。また、圧力容器の設計及び製作に関しては、イーターに向けた日本調達機器の中では初めて欧州規格（高圧ガス規制）に合格し、本装置の適用範囲の幅を広げることができました。これらの成果により、イーターに要求される高い信頼性を有する電源設備の実現が可能となり、イーター建設に向けた重要なマイルストーンの一つを達成しました。
【今後の予定】
今回製作が完了した耐電圧試験装置は、2015年から電源機器単体の工場試験で使用されます。その後、2016年にイーター NB実機試験施設（イタリア・パドバ）に輸送され、日本と欧州がそれぞれ調達した電源機器が組み合わされたNB電源設備全体の耐電圧性能を確認する試験に使用されます。また、本耐電圧試験装置は、電力分野の他、医療用・加速器用の高電圧設備における耐電圧試験への適用も期待されます。本成果は第25回国際原子力機関（IAEA）核融合エネルギー会議（FEC 2014）の国際会議で発表予定です。
図2 従来と今回新たに製作した耐電圧試験装置との比較