2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of cesium-free high current negative ion source using high density sheet plasma
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19K03795
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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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2019-04-01 – 2022-03-31
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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 / 長寿命 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
DEMO級核融合実証炉では核融合反応を長時間継続させるため、長寿命で大電流、かつメンテナンスの容易な中性粒子ビーム入射装置用負イオン源が必須となる。現在、国際熱核融合装置（ITER）用の負イオン源として、セシウムを用いた高周波型大電流負イオン源（電流密度：20mA/cm2、40A、引き出し面積1000cm2、寿命１時間）の開発が行われている。しかし、この負イオン源では、長パルス時でのビームの安定性、導入するセシウム量の最小化、負イオン源内壁温度の制御等、長時間運転を目指す核融合装置では解決しなければならない課題が存在する。
一方、セシウムを用いない負イオン生成法として、プラズマ中の水素の振動励起分子が介在する解離性付着過程を利用した体積生成法があるが、磁気フィルターを用いているため、プラズマの体積が大きくなり負イオン生成効率が低下すると考えられ、体積生成法を用いた負イオン源では高密度の負イオンを生成することは困難とされてきた。
本申請者が独自に開発した高密度シートプラズマを用いると、プラズマ中心部の高エネルギー電子により生成された振動励起分子が、周辺に存在する低エネルギー電子と狭い領域で解離性付着反応を起こす。そのため、セシウムを用いずに体積生成法で効率よく負イオンを生成することができる。
本研究では、この成果を発展させ、シートプラズマでの負イオン密度の増大を図り、大電流・長時間運転・メンテナンスの容易な非セシウム型負イオン源を開発し、核融合実証炉のの中性粒子ビーム入射装置用の負イオン源としてスケーリングを確立する。
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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
本研究の目標は、(1)ITER用実機と同程度の高密度水素原子負イオンビーム電流値（目標値：20mA/cm2）、(2)実機の1/20スケールの大面積化（目標値：4cm x13cm:約50cm2）、(3)実機の5倍の長寿命化（目標値：5時間）、(4)重水素原子負イオンビーム実験（目標値：10mA/cm2）である。
2020年度の研究目標は、多孔電極での負イオン電流値の増加と電極熱負荷低減による長寿命化実験である。具体的には電子電流値と負イオン電流値の比Ie/IH-が１以下で、負イオン電流値の増加である（目標値：20mA/cm2）。今年度は、昨年度実施したシートプラズマの一様性の基礎実験を踏まえ、多孔電極でのビームの引出し実験を行い、負イオン電流値の増加と電極熱負荷低減による長寿命化を実現する。 特に、昨年度の実験において、負イオンビームと共に、負イオンビームの10倍程度の電子ビーム（随伴電子）が、同時に引き出されており、この随伴電子の抑制による第２引き出し電極（EG電極）の熱負荷低減が長寿命化での新たな課題となっている。昨年度では、引出し電極部に電子フェンスを設置し、電子電流値と負イオン電流値の比Ie/IH-を10から1程度に低減させ、引出し電極の熱負荷低減に成功している。 この電子フェンスを多孔電極に適応させ、随伴電子を抑制することに成功した（論文RSI）。しかし、多孔電極実験では、磁場分布が不均一になるため、電子フェンスの高さ制御が難しいことが判明した。そのため電子フェンスよりも、より簡便な磁性体フィルター（SMF: Soft Magnetic material plate for Magnetic Filter)を考案し、単孔電極及び多孔電極において、Ie/IH-を1程度に低減させることに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、本研究の最終年度である。2021年度の研究計画は、昨年度考案したSMFの最適化を行い、電子電流値と負イオン電流値の比Ie/IH-を１程度に低減させ、更に負イオン電流値の増加を実現する。最初に単孔実験において、SMFの厚さ・位置変化・バイアス電圧等の変化により、引き出し電極近傍の磁場分布や電子の密度・エネルギー分布を制御し、電子電流値と負イオン電流値の比Ie/IH-が１以下で、負イオン電流値が最大になるSMFの最適な厚さ、位置等を決定する（目標値：20mA/cm2）。次に、この条件を多孔電極に適応させ負イオン電流密度の増加を確認する。その際、シートプラズマの一様性も制御し、全負イオン電流値の増加を実現し、大面積化の可能性を示す。同時に、ＳＭＦを用いた負イオン制御機構に明らかにするため、引き出し電極近傍のプラズマ物理量（電子密度、電子温度、電子のエネルギー分布等）をプローブ法により測定し、負イオン生成に関する低エネルギー電子の影響を明らかにする。さらに重水素実験を行い、目標値である重水素原子負イオンビーム10mA/cm2を目指す。最後に、大電流化目指し、実機の1/20スケールの大面積化（目標値：4cm x13cm:約50cm2）の負イオン源源の設計を行い、大電流化への可能性を示す。
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