Fundamental research and development of a high-current Cs-free negative ion source for DEMO reactors in high-density sheet plasma
| Project/Area Number |
23K22479
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| Project/Area Number (Other) |
22H01208 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
利根川 昭 東海大学, 理学部, 教授 (90197905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
津守 克嘉 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50236949)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は、高密度シートプラズマを用いて、①核融合装置（ITER）用Cs型負イオン源の1/2程度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Cs型負イオン源（TPDsheet-NIS）の基盤技術を確立することである。
従来までに、引出し電圧10ｋVで水素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、非Cs型負イオン源のプロトタイプ（TPDsheet-NIS）を開発し、核融合装置（DEMO）用負イオン源としての可能性を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度（初年次）の進捗状況は、既存の装置TPDsheet-Uを用いた①水素負イオンビーム電流密度の向上、②随伴電子電流の抑制、更には③引出し電極の大面積化のための新型負イオン源TPDsheet-NISの鉄心磁場コイルの製作・組立になる。特に①と②を同時に達成する新たな課題解決を目指した結果も以下に示す。
①新たに設置した第２陽極（スリット幅6cm）に0から10Vまでの正バイアスを印加し、プラズマ周辺付近の水素負イオン密度を制御した。その結果、随伴電子電流比を0.5以下に維持しながら、水素負イオンビームの電流密度Jcを1.2倍程度、増加させることに成功した。
②プラズマ周辺部に設置した電子エミッターによる熱電子放出及び負バイアスを浮動電位から-30Ｖまで印加した結果、随伴電子電流比を0.5以下に維持しながら、水素負イオンビームの電流密度Jcを1.2倍程度増しすることに成功した。また、同時に水素振動励起分子の振動温度を真空紫外（VUV）分光とモデル計算から概算した結果、振動温度は、電子エミッターの負バイアスに依存し変化することを明らかにした。このことから電子エミッターを用いることにより、負イオン生成に関連する水素の振動励起分子を制御し、水素負イオンビームを増加させることに成功した。
③連続運転１時間を維持するには、随伴電子電流の抑制 JEG/Jc <0.5が必要である。この課題については、磁気フィルター（SMF）の位置の最適化を行った。
④多孔電極を用いた大電流負イオン源の開発のため、約20cm2, <200mA の引き出し電極を有するTPDsheet-NISの一部の製作を行った。特に、大面積の可能な鉄心コイルを設計・製作し、大面積用負イオン源の組み立てを推進した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方法は、負イオンビーム電流密度の向上（目標①）、非セシウム型大電流負イオン源TPDsheet-NISの組み立て、多孔電極での大電流化実験（目標②③実現準備、目標：全電流値0.9Ａ（水素））である。以下に具体的な研究の方策を記載する。
１）既存の装置TPDsheet-Uの単孔引き出し電極（φ4）において、電子エミッター法、第2陽極バイアス法、Ar添加法の3つの方法により、水素負イオンビーム引き出し実験を行う（ 目標値：電流密度20mA/cm^2））。２）電子エミッター法、第2陽極バイアス法、Ar添加法の3つの方法において、プローブ法による電子密度・温度、及びVUV分光法による水素分子の振動温度を用いた衝突輻射モデルによりシートプラズマ内での負イオン生成機構を解明する。３）独自に開発した軟鉄磁性体による磁気フィルターにより、負イオンビームとともに引き出される随伴電子電流比0.5程度に低減させ、ＰＧ電極の熱負荷を低減させ、連続運転１時間以上の負イオンビーム連続運転を実現する。４）大電流化のため、既存の2枚多孔電極EG、PG電極（５ｘ23孔、φ10、面積：90cm2）と、新たに購入する複合分子ポンプ、ビーム引き出し用真空容器、負イオン源陰極用真空容器を用いて、非セシウム型大電流負イオン源TPDsheet-NISを組み立てる（面積は、TPDsheet-Uの既存多孔電極の18倍）。５）新たに組み立てたTPDsheet-NISを用いてシートプラズマを生成し、負イオンビーム引き出し実験を実現する（目標値：電流密度10mA/cm^2、全電流値900mA（水素））。
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
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[Presentation] Reduction of co-extracted electron in a Cs-free negative ion source using TPDsheet-U2022
Author(s)
Taiga Goka, Ryuichi Onuma, Hiroki,Kaminaga, Akira Tonegawa, Kohnosuke Sato
Organizer
32rd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022), 9/18~9/23,2022, Dubrovnik, Croatia,
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