Basic research and development of high-current Cs-free negative ion source for DEMO reactor using high-density sheet plasma

高密度片状等离子体DEMO反应器大电流无铯负离子源的基础研究与开发

• 批准号: 22H01208
• 负责人: 利根川 昭
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Tokai University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01208/
• 关键词: 核融合; 負イオン源; 非セシウム型; シートプラズマ; 大電流; 非セシウム型負イオン源; 核融合プラズマ; 中性粒子ビーム加熱; 大電流負イオンビーム; 随伴電子電流; 連続運転

本研究の目的は、高密度シートプラズマを用いて、①国際熱核融合装置（ITER）用セシウム型負イオン源と同等の負イオンビーム電流密度、②引き出し電流の大電流化、③連続運転、長寿命・メンテナンスの容易な原型炉用非セシウム型プロトタイプ負イオン源（TPDsheet-NIS）の基盤技術を開発することである。先行研究として、本研究室で独自に開発した高密度シートプラズマを用いた非セシウム型負イオン源（TPDsheet-U）で、水素原子負イオンビーム引き出し実験を行った結果、ガス圧力0.3Pa、引出し電圧10ｋVで負イオンビーム電流密度８mA/cm2、随伴電子電流と負イオン電流比0.5～2.0程度が得られている。本研究では、この成果を更に発展させ、研究目的を達成する。具体的には、（イ）プラズマ周辺部に電子エミッターを設置し、（ロ）軟磁性体を用いた磁気フィルターによる随伴電子電流を低減させ、（ハ）幅６cmの第２陽極を用いて、プラズマ周辺の電子密度を独立に制御することにより、負イオンビームの電流値を増加させ、かつ随伴電子電流を低減させる手法を開発する。本研究の最終的な目標は、①負イオンビームの高電流密度化（ITER用実機と同程度、目標値：20mA/cm2（水素））②引き出し電流の大電流化（目標値：2.0A（水素））③連続１時間運転（目標値：1時間）である。上記の研究成果から、原型炉級の負イオン源として、大面積化・大電流化・連続運転のスケーリングとメンテナンスレス化への可能性を明らかにする。

The purpose of this research is to develop the basic technology of (1) a negative ion beam current density equivalent to that of a cesium-type negative ion source for International Thermonuclear Fusion Device (ITER), (2) a large current of extraction current, and (3) a non-cesium-type prototype negative ion source (TPDsheet-NIS) for prototyping reactors, which can be used continuously, long life and easy maintenance. As a previous research, we conducted a hydrogen atom negative ion beam extraction experiment using a non-caesium type negative ion source (TPDsheet-U) using a high-density sheet plasma that was developed independently in this laboratory, and as a result, a negative ion beam current density of 8 mA/cm2 was obtained at a gas pressure of 0.3 Pa, a draw voltage of 10 kV, and an associated electron current and negative ion current ratio of about 0.5至2.0。这项研究将进一步发展这一发现并实现研究目标。具体而言，开发了一种方法，即（a）电子发射器安装在血浆的周围中，（b）使用软磁材料通过磁过滤器的相关电子电流，以及（c）使用具有6 cm宽度的第二个阳极周围的电子密度独立控制，从而增加了6 cm的宽度，从而增加了电流束和相关的电流的电流值。这项研究的最终目标是：1）负离子光束的较高电流密度（与迭代机相同，目标值：20mA/cm2（氢））2）较高的电流提取电流（目标值：2.0a（2.0a（氢））3）3）3）1小时连续操作（目标值：1小时）。从上述研究结果中，我们阐明了大面积，大电流和连续操作作为原型反应器级的负离子源的不含和维护操作的可能性。