Development of cesium-free high current negative ion source using high density sheet plasma

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03795
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Tokai University
• Principal Investigator: TONEGAWA AKIRA 東海大学, 理学部, 教授 (90197905)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 核融合発電 / 加熱用中性粒子加熱装置 / 負イオン源 / 非セシウム型 / シートプラズマ / 体積生成法 / 高電流密度 / 磁気フィルター

Outline of Final Research Achievements

We report on the progress of research toward realizing of a high-performance cesium (Cs)-free negative-ion source based on volume production in a magnetized sheet plasma device (TPDsheet-U) is reported. In the experiments, H－ ions were successfully extracted from sheet plasma using single-/multi-aperture grids. The experimental results of the single-aperture grid show that the negative hydrogen ion current density (JC(H-)) performance of Cs-free H- ion beams in TPDsheet-U is about one-fourth that of Cs-containing H－ ion sources in the ITER negative-ion neutral-beam injector. The JC(H-) was ~7.5 mA/cm2 at an extraction voltage of 10 kV, a discharge current Id of 90 A. The ratio of the electron current JEG(e) and JC(H-), JEG(e)/ JC(H-), was successfully reduced below 0.4 for a single-aperture grid with the SMF. Based on these results, we have designed a Cs-free high-current negative ion source (TPDsheet-NIS) using sheet plasma and established scaling as a high-current source.

Free Research Field

プラズマ物理学、核融合工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

将来のDEMO級核融合実証炉では、長寿命で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を開発することが必須となる。特に負イオン源のメンテナンスレス化では、非Cs型大電流負イオン源の基盤技術の確立が急務であるが、Csを添加しない場合、得られる電流密度の値は低く、セシウム代替材料の開発も十分な成果は得られていない。また、負イオン源の長時間運転時では、引き出された負イオンに対する随伴電子の比率を0.5～1.0以下に維持することも不可欠である。これらの課題を解決し、長寿命運転が可能な非Cs型負イオン源を開発することにより、DEMO級核融合発電の実用化に貢献することができる。