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

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。

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。