JP2509729B2 - 核融合装置のビ―ムエネルギ―制御装置 - Google Patents

核融合装置のビ―ムエネルギ―制御装置

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    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Particle Accelerators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は核融合装置、特に核融合本体プラズマを加熱
する中性粒子入射装置の加速電源に与える核融合装置の
ビームエネルギー制御装置に関するものである。
(従来の技術) 核融合装置では臨界条件を達成するために追加熱装置
を用いるが、その一つに中性粒子入射装置(NBI)があ
る。中性粒子入射装置は、高速ビームを核融合装置本体
プラズマ中に入射し、プラズマの荷電交換や衝突電離に
よって生じた高速イオンからプラズマへエネルギーを伝
播させることによってプラズマを加熱するものである。
中性粒子入射装置で加熱を行う場合、入射するビーム
が十分プラズマに吸収されないと加熱できないため、本
体プラズマの状態に合うよう入射ビームの条件を設定す
る必要がある。即ち、入射ビームのエネルギーに対して
本体のプラズマ密度が低いと、プラズマに吸収されずに
突き抜けてしまう突き抜け量が多くなる。この場合、真
空容器内のビームが突き抜けた先に損傷を与える恐れが
ある。
そこで、現状は、前もって本体プラズマへの注入ガス
量や、注入タイミング等の設定情報から、本体プラズマ
の密度を運転員が予測し、中性粒子入射装置の入射ビー
ムのエネルギーや、入射タミングを設定している。
また、中性粒子入射装置のなかには入射中、ビームエ
ネルギーを変化できるものもあり、これは、本体のプラ
ズマ密度の立ち上がり波形に沿ってビームエネルギーを
変化させ、プラズマに対するビーム入射の衝撃を少なく
するもので、密度が低いところでは低エネルギー、また
密度が高くなるに連れて徐々にエネルギーをあげられる
ため加熱効率を増大させるのに有効である。
しかし、この場合も現状は過去の実験結果に基づいて
運転員が最適と思われるビームエネルギーの変化パター
ン予め作成しておき、入射開始のトリガを受けて決めら
れたサンプル周期でパターンを出力している。
(発明が解決しようとする課題) 従来のビームエネルギー制御装置によれば、運転員が
過去の実験結果や、勘に頼ってビーム条件を決定しなけ
ればならず、非常に手間がかかり、さらに、プラズマ密
度はそのときどきによって他の加熱装置の加熱状態や種
々の条件によっても変化するため、前もって条件設定を
することには無理があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目
的はリアクルタイムで自動的にビームエネルギーを制御
し、加熱効率の良い核融合装置のビームエネルギー制御
装置を提供することにある。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するために、本発明は本体プラズマに
ビームを入射することにより、プラズマの加熱を行う核
融合装置において、予め許容する突き抜け率を設定する
許容突き抜け率設定部と、突き抜け率・ビームエネルギ
ー・プラズマ密度の相関グラフを設定する相関グラフ設
定部と、制御周期毎にクロックを発信する制御クロック
出力部と、本体プラズマよりプラズマ密度を収集するプ
ラズマ密度収集部と、前記プラズマ密度収集部から得ら
れたプラズマ密度からビームエネルギーを計算するビー
ムエネルギー計算部とから構成されたことを特徴とする
ものである。
(作 用) 本発明によれば、本体のプラズマ密度をリアルタイム
でサンプルすることにより、現在の密度状態に対して最
適なビームエネルギーを演算し、密度変化に応じてビー
ムエネルギーを変化させることによって、加熱効率を増
加することができる。
(実施例) 本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明の一実施例の機能図である。第1図に
おいて、1は計算機に対し許容突き抜け率、相関グラフ
の設定を行うマンマシン入力装置、2は計算上許容突き
抜け率を設定する許容突き抜け率設定部、3は突き抜け
率とビームエネルギーとプラズマ密度の相関グラフを設
定する相関グラフ設定部、4は突き抜け率とビームエネ
ルギーとプラズマ密度の相関グラフ、5はリアクタイム
制御のクロックを出力する制御クロック出力部、6は本
体プラズマよりプラズマ密度を収集するプラズマ密度収
集部、7は許容突き抜け率と相関グラフを用いてプラズ
マ密度からビームエネルギーを計算するビームエネルギ
ー計算部、8はビームエネルギー設定値を加速電源に加
速電圧として出力するビームエネルギー出力部、9はビ
ームエネルギー設定値から偏向磁石電源出力電流を計算
する偏向磁石出力電流計算部、10は偏向磁石電源出力電
流設定値を偏向磁石電源に出力する偏向磁石電源出力電
流出力部、11は加速電源、12は偏向磁石電源、13はNBI
イオン源、14は本体プラズマ、15はプラント、16はビー
ムエネルギー制御装置、17は本体プラズマ密度の計測装
置である。
次に、本実施例の作用を説明する。
運転員は入力装置1より許容する突き抜け率と突き抜
け率・ビームエネルギー・プラズマ密度の相関グラフの
データを入力しておく。相関グラフのデータは、ビーム
エネルギー計算部7が許容突き抜け率とプラズマ密度の
データを用いてビームエネルギーを内挿計算で求められ
るよう、いくつかの代表点を記憶させておく。
制御が開始されると、制御クロック出力部5からプラ
ズマ密度収集部6に対して一定周期でクロックが出力さ
れる。プラズマ密度収集部6はクロックに同期して計測
装置17で測定されたプラズマ密度n(t)をサンプル
し、ビームエネルギー計算部7へ伝送する。ビームエネ
ルギー計算部7は、許容突き抜け率設定部2で設定され
た許定された許容突き抜け率と相関グラフ設置部3で設
定された突き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ密度
の相関グラフ4を用いて、プラズマ密度n(t)から最
適なビームエネルギーE(t)を内挿計算により求め
る。そして、求められたビームエネルギーE(t)は、
ビームエネルギー出力部により加速電源11へ出力され
る。一方、中性化されない粒子の起動をまげる偏向磁石
電源の出力電流をビームエネルギーに応じて変更する必
要があるため、計算部9でビームエネルギーE(t)か
ら偏向磁石電源出力電流値を計算し、出力部10により偏
向磁石電源13に出力される。
第2図は、突き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ
密度の相関グラフの一例を示す。縦軸には突き抜け率、
横軸にはプラズマ密度をとる。ここで、突き抜け率は以
下のように定義する。
突き抜け率(%)=突き抜け量(kW)/入射量(kW) 本グラフからビームエネルギーEkeVでは、プラズマ密
度が低いところで突き抜け率は高いが、プラズマ密度が
高くなるにつれて突き抜け率が低くなることが分る。
又、ビームエネルギーE1とE2(E1<E2)を比べると、
ビームエネルギーが高いほど突き抜け率は高くなってい
る。
本グラフは過去の実験結果データを集めた上で、近似
計算などによりあらかじめ求めておく。
一般的に 突抜率(%)=exp(−akxプラズマ密度)+Ck (ak,Ckはエネルギー毎) と表わせるので、プラズマ密度からビームエネルギーの
演算が可能となる。
そして、第3図は第2図のグラフをビームエネルギー
制御装置17で記憶する場合のテーブル構成を示したもの
である。
まず、第2図のビームエネルギーE1のグラフのm個の
主要点(ηth1.1,n1.1),(ηth1.2,n1.2),……(η
th1.m,n1.m)について、突き抜け率とプラズマ密度をそ
れぞれテーブル31とテーブル32に順番に並べて構成し、
以下、ビームエネルギーE2……ビームエネルギーEkにつ
いても同様に順次構成した。
第4図から第8図は、各構成要素のフローチャートを
示す。
第4図は許容突き抜け率設定部2のフローチャートを
示す。ステップ41でマンマシン入力装置からの許容突き
抜け率入力要求を受け付けると、ステップ42で許容突き
抜け率ηth.sを読み込み、ステップ43で入力値をチェッ
クした後、入力チェックOKならばステップ44で許容突き
抜け率ηth.sを保存テーブルへ書き込み、NOであれば、
ステップ45でエラーメッセージを出力する。
次に、第5図は相関グラフ設定部3のフローチャート
を示す。ステップ51で入力要求を受け付けた後、ステッ
プ52〜54でビームエネルギーE、プラズマ密度n、突き
抜け率ηthの読み込みを行う。ステップ55では、入れ換
えるテーブルの番号lを読み込む。ステップ56でこれら
の入力値のチェックを行った後、入力チェックOKならば
ステップ57〜59でビームエネルギーEのテーブルを検
索、ステップ62と63でプラズマ密度テーブル31のni.lに
nを書き込み、突き抜け率テーブル32のηth.lにηthを
書き込む。ステップ56の入力値チェックの結果がNOであ
るとき、また、ビームエネルギーEのテーブルが見つか
らない場合は、ステップ61,64でエラーメッセージを出
力する。
第6図は制御クロック出力部5のフローチャートであ
り、ステップ71〜73でカウントアップを繰り返し、ステ
ップ73でカウンタが制御周期に等しくなったとき、プラ
ズマ密度収集部6へ、クロックを出力する。
第7図はプラズマ密度収集部6のフローチャート例で
ある。ステップ76で制御クロック出力部5より制御クロ
ックを受け付けると、ステップ76でその時刻のプラズマ
密度n(t)を収集し、ステップ77でテーブルへ保存す
る。
最後に、第8図はビームエネルギー計算部7のフロー
チャートである。(なお、このフローチャートは長いの
で便宜上第8図(a)と(b)とに分けている。)ステ
ップ81ではプラズマ密度収集部6よりプラズマ密度n
(t)を読み込み、ステップ82では設定部2で入力され
た許容突き抜け率ηth.sを、又、ステップ83,84では突
き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ密度の相関を表
すプラズマ密度テーブル31と突き抜け率テーブル32を読
み込む。
ステップ85〜95では、第2図において、各ビームエネ
ルギーE1〜Ekにおいて突き抜け率がηth.sとなるプラズ
マ密度n1(ηth.s)〜nk(ηth.s)を内挿計算により求
めるループであり、ステップ96〜103では、ビームエネ
ルギーEl〜Ekとプラズマ密度nl(ηth.s)〜nk(ηth.
s)から時tのプラズマ密度n(t)に適応するビーム
エネルギーE(t)を内挿計算により求めるループであ
る。
即ちステップ85〜95のループについて、ステップ85,9
2,93では、ビームエネルギーEl〜Ekまでを繰り返すルー
プである。ビームエネルギーEiにおいて、まずステップ
87で、ηth.sが突き抜け率テーブルで持っている突き抜
け率ηti.1より小さいとき、ステップ94でni(ηth.s)
=ni.1とし、ステップ88〜90で、ηthi.j=<ηth.s=
<ηthi.j+1なるjが見つかったとき、ステップ95でn
i(ηth.s)を計算する。最後までjが見っからなかっ
た場合は、ステップ91でni(ηth.s)=ni.mとして、次
のビームエネルギーに対するプラズマ密度使を求める計
算にはいる。
Ekまで計算が終了すると、ステップ96〜103のループ
において、ステップ97で、n(t)がプラズマ密度テー
ブルで持っているプラズマ密度nl(ηth.s)より小さい
とき、ステップ102でE(t)=Elとし、ステップ98〜1
00で、ni(ηth.s)=n(t)=<ni+1(ηth.s)な
るiが見つかったとき、ステップ103でE(t)を計算
する。最終までiが見つからなかった場合は、ステップ
101でE(t)=nk(ηth.s)として、ビームエネルギ
ーの計算を終了する。
本実施例によれば、予め設定しておいた許容突き抜け
率と運転員が過去の実験データから作成し、設定してお
いた突き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ密度の相
関グラフを用いることによって、制御周期に同期して収
集した本体プラズマのプラズマ密度から、最適なビーム
エネルギーとそれに見合った偏向磁石電源出力電流をリ
アルタイムで制御することが可能となる。
〔発明の効果〕
以上説明したごとく、本発明によれば、本体プラズマ
密度からビームエネルギー値を実時間で制御し、またビ
ームエネルギー値を計算するパラメータとして突き抜け
率・ビームエネルギー・プラズマ密度の相関グラフを用
いて、突き抜け率が一定に近くなるように計算するた
め、低密度のプラズマに高エネルギーのビームを入射し
て真空容器を損傷することを防ぎ、又、プラズマ状態の
良いときには、可能な限り有効なエネルギー値のビーム
を入射することができるため、加熱効率のよいビームエ
ネルギー制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブロック構成図、第2図は
突き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ密度の相関グ
ラフ、第3図は第2図のグラフを記憶するテーブル構成
図、第4図は第1図の許容突き抜け率設定部のフローチ
ャート、第5図は第1図の相関グラフ設定部のフローチ
ャート、第6図は第1図の制御クロック出力部のフロー
チャート、第7図は第1図プラズマ密度収集部のフロー
チャート、第8図は第1図のビームエネルギー計算部の
フローチャートである。 1……マンマシン入力装置 2……許容突き抜け率設定部 3……相関グラフ設定部 4……突き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ密度の
相関グラフ 5……制御クロック出力部 6……プラズマ密度収集部 7……ビームエネルギー計算部 8……ビームエネルギー出力部 9……偏向磁石電源出力電流計算部 10……偏向磁石電源出力電流出力部 11……加速電源 12……偏向磁石電源 13……NBIイオン源 14……本体プラズマ 15……プラント 16……ビームエネルギー制御装置 17……プラズマ密度測定装置

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】本体プラズマにビームを入射することによ
    り、プラズマの加熱を行う核融合装置において、予め許
    容する突き抜け率を設定する許容突き抜け率設定部と、
    突き抜け率・ビームエネルギー・プラズマ密度の相関グ
    ラフを設定する相関グラフ設定部と、制御周期毎にクロ
    ックを発信する制御クロック出力部と、本体プラズマよ
    りプラズマ密度を収集するプラズマ密度収集部と、前記
    プラズマ密度収集部から得られたプラズマ密度からビー
    ムエネルギーを計算するビームエネルギー計算部とから
    構成されたことを特徴とする核融合装置のビームエネル
    ギー制御装置。
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