【研究開発の背景と目的】
NBIとは、図1で示すように、高いエネルギーに加速した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あり、プラズマ加熱装置の一つとして世界の核融合装置で採用されています。JT-60SA計画においては、このNBIを利用して、模擬燃料を用いた高圧力プラズマを定常的に維持するためにプラズマ内部に電流を駆動すると共に核融合反応が効率良く起きる高い温度まで加熱します。
図1 ＮＢＩの概略図
NBIはイオン源とガスセルで中性粒子ビームを生成します。
イオン源はイオン生成部と静電加速器で構成されており、イオンを高いエネルギーに加速します。イオン生成部では、フィラメントを用いたアーク放電により、イオンを生成します。静電加速器には高電圧を印加し、1,020個のビーム引出孔が開いた加速電極4枚を通して、イオンが加速されます。
JT-60SAは、図2に示す様に、全部で13基のNBIを活用して、様々な方向及びタイミングでプラズマの特性に合わせて中性粒子ビームを入射できるのが大きな特徴です。このNBIには、1基あたり2台のイオン源が装着され、全部で正イオン源を24台、負イオン源を2台利用します。
このうち、正イオン源は、従来装置JT-60のために1986年に開発されたものであり、世界の大型核融合装置で利用される大きさの半分程度の大きさで、直流7万5千ボルトで35Aの正イオンビームを10秒間生成する設計でした。このイオン源は改良を重ね、30秒間までビーム生成時間を伸長することができていました。しかし、JT-60SAでは、100秒間のビーム生成時間が求められており、JT-60SAの運転開始に先立って、イオン源の長時間ビーム生成性能を検証する必要がありました。そこで、NBI開発で協力関係にある、KAERI及びNFRIの協力を得て、イオン源の長時間ビーム生成性能を検証する共同実験を、KAERIの試験装置にて行いました。
図2 JT-60SA及びＮＢＩ
JT-60SAの周辺にはプラズマを加熱するためのＮＢＩを全13基（正イオン源24台、負イオン源2台）配置します。各ＮＢＩには1基あたり2台のイオン源を装着し、正及び負イオンビームを中性粒子に変換して、100秒間の中性粒子ビームを核融合プラズマに入射する予定です。
【研究の手法】
図3に示すイオン源はイオン生成用放電容器と、直径4mmのビーム引出穴が1,020個空いた加速電極を4段重ねた静電加速器で構成されており、27cm×12cmのビーム引出領域から出たビームを6.5m先で直径10cm程度に収束させます。このイオン源をKAERIの試験装置に装着して、共同実験を実施しました。
図3 試験装置へのイオン源の設置
イオン源をKAERIの試験装置に設置して、イオン源の性能試験を実施しました。
イオン源の長時間ビーム生成性能は、高パワー密度ビームの収束性に起因する加速電極への熱負荷に密接に関連しています。今回の試験で、30秒よりも長い時間においては、イオンを生成する放電ガス圧の変化に伴ってビーム電流が時間的に変動すると共に、4枚の加速電極に印加する加速電圧の配分とビーム電流値に強く依存する収束性が劣化していました。この収束性の劣化による加速電極への熱負荷が、ビーム生成時間を制限している事を初めて明らかにしました。そこで、図4に示すように、放電ガス圧を制御してビーム電流の時間的変動を低減し、4枚の加速電極に印加する加速電圧の配分を細かく制御することでビーム収束性の劣化を抑え、熱負荷を低く保つ長時間運転に対応した運転手法を開発しました。加速電極の熱負荷はビームの収束性能の指標であり、ビームの収束性能はビーム電流値と印加する4段の加速電極の電圧配分に強く依存しているため、長時間の運転に対応するにはこの両方のパラメータを同時に制御する必要がありました。
これらの結果、ビーム生成時間にわたってビーム電流の変動を抑え、電極で発生する熱を許容値の半分に抑えて低く保ち、高パワー密度ビームの長時間生成が初めて可能になりました。
図4 長時間運転技術の概念図（上図）、長時間運転時の中間電極に流入した電流の波形（下図）
上図は今回開発した長時間運転技術の概念図です。長時間運転時の熱負荷の要因となるビーム電流値の時間変動については、電流値が一定になるように放電ガス圧を調整しました。電流値が変動することによる最適な加速電圧の配分からのずれは、熱負荷の指標である電極電流値が低くなるように加速電圧の配分を調整しました。下図は長時間運転時に得られた電極電流の波形です。改造前は時間変動により、高パワー密度ビームのビームパルス幅が30秒に制限されていましたが、改造により熱負荷の指標である電極電流値を低く一定に保つことができ、高パワー密度ビームを100秒間生成することができました。
【得られた成果】
今回、JT-60SA用NBIに要求される長時間の高パワー密度ビーム生成を実現するために、イオン源内でのイオンビームの収束性劣化を抑える技術を開発し、ビーム生成時間を100秒間に伸長することに成功しました。この成果により、JT-60SAで要求される性能（190万ワット、100秒間）を上回る200万ワット、100秒間の運転に目処を得ました（図5）。また、共同で試験を行ったNFRIの韓国超伝導トカマク実験装置（KSTAR4)）用NBIにおいても、同運転手法の適用が可能であることから、核融合に関する国際協力を利用した、両装置の長時間ビーム生成性能の飛躍的向上に向けた成果となりました。
この成果は、ITERやDEMOで利用するイオン源や、半導体用イオン注入装置、大型加速器用イオン源等も共通なイオンビーム引き出し原理に基づいているため、同手法を適用して長時間運転が可能であり、産業用装置の経済性の向上に繋がる技術です。
図5 JT-60SAで利用する正イオン源のイオンビームとビーム生成時間の進展。世界の大型核融合装置(JET(イギリス))では20秒以下のビームパルス幅です。
【今後の予定】
今回開発したイオン源を24台使用し、JT-60SAにおいて100秒間にわたる核融合プラズマの加熱及び電流駆動の実証を目指します。また、今回得られた成果はFusion Engineering and Design誌に投稿する予定です。