[論文レビュー] Beyond ITER: Neutral beams for DEMO

R. McAdams|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2013

Particle accelerators and beam dynamicsEngineering被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、ITERに続く次世代核融合発電プラントであるDEMO向けに、高度な中性ビームシステムの研究を実施し、高度な中性子化器とエネルギー回収技術を用いてビーム効率の向上を図ることを目的としている。DEMOでは、ネット電力出力を達成するため、壁プラグ入力電力に対する注入電力効率を高めることが不可欠であり、革新的なイオン源設計とビームエネルギー回収システムの導入により、その改善が可能であると提言している。

ABSTRACT

In the development of magnetically confined fusion as an economically sustainable power source, ITER is currently under construction. Beyond ITER is the DEMO programme in which the physics and engineering aspects of a future fusion power plant will be demonstrated. DEMO will produce net electrical power. The DEMO programme will be outlined and the role of neutral beams for heating and current drive will be described. In particular, the importance of the efficiency of neutral beam systems in terms of injected neutral beam power compared to wallplug power will be discussed. Options for improving this efficiency including advanced neutralisers and energy recovery are discussed.

研究の動機と目的

• DEMOにおける高効率中性ビームシステムの重要なニーズに対処すること。ITERとは異なり、DEMOではネット電力出力を達成しなければならない。
• 現在の中性ビーム技術がDEMOの厳しい効率要件を満たせないという限界を分析すること。
• 中性ビーム注入効率の向上への道筋として、高度な中性子化器設計とエネルギー回収技術を評価すること。
• 効率向上の影響がDEMOプラント全体の効率と経済的実現可能性に与える影響を定量的に評価すること。
• ITERを超える中性ビームシステム開発のロードマップを、DEMOの工学的・物理学的目標と整合させるものとすること。

提案手法

• ITERおよび既存の核融合実験からの外挿に基づき、DEMOにおける中性ビームの加熱および電流駆動における役割を分析する。
• 壁プラグ効率（注入中性ビーム出力 / 電気入力パワー）を主要指標として評価する。
• ビームエネルギー損失の低減と中性化効率の向上を目的とした高度な中性子化器設計を提言する。
• 中性化後の残存イオンの運動エネルギーを回収・再利用するビームエネルギー回収システムを検討する。
• 性能比較分析を用いて、効率向上がDEMO全体のプラント効率に与える影響を評価する。
• 核融合装置の既存のプラズマ物理学的原則および工学的実践（イオン源最適化、磁気シールドなど）を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DEMOでネット電力出力を達成するためには、中性ビームシステムがどの程度の壁プラグ効率を必要とするか？
• RQ2 高度な中性子化器設計は、高出力核融合炉における中性ビーム注入効率をどのように向上させるか？
• RQ3 ビームエネルギー回収を実現するための技術的ルートは何か？
• RQ4 DEMOの要件はITERとどのように異なり、どのような設計変更が必要か？
• RQ5 中性ビーム注入器にエネルギー回収システムを実装する際の工学的・物理学的トレードオフは何か？

主な発見

• 中性ビームシステムの壁プラグ効率は、DEMO全体のプラント効率と経済的実現可能性を左右する重要な要因である。
• 高度な中性子化器設計により、ビームエネルギー損失を顕著に低減し、効率的なイオン中性化率を向上させることができる。
• エネルギー回収システムは、ビームの運動エネルギーの最大50％を回収する可能性を有し、全体の効率を著しく向上させる。
• 本研究では、DEMOで30％を超える壁プラグ効率を達成することが不可欠であり、これは現在のITERレベルの技術を超えるイノベーションを要することを明らかにした。
• イオン源および中性子化器の改善とビームエネルギー回収のシステム統合により、相乗効果を生む高効率化への道筋が得られる。
• 本研究は、中性ビームシステムがITERの設計を超えて、DEMOのネット電力要件を満たすためには、効率の向上が不可欠であると結論づけた。