AbstractIn the engineering design of a negative-ion beam source for a high-power neutral beam injection (NBI) system, one of the most important issues is thermo-mechanical design of acceleration grids for producing several tens of MW ion beams. An acceleration grid for the international thermonuclear experimental reactor–neutral beam injection (ITER–NBI) system will be subjected to the heat loading as high as 1.5 MW. In the present paper, thermo-mechanical characteristics of the acceleration grid for the ITER–NBI system were analyzed. Numerical simulation indicated that maximum aperture-axis displacement of the acceleration grid due to thermal expansion would be about 0.7 mm for the heat loading of 1.5 MW. From the thin lens theory of beam optics, beamlet deflection angle by the aperture-axis displacement was estimated to be about 2 mrad, which is within the requirement of the engineering design of the ITER–NBI system. Numerical simulation also indicated that no melting on the acceleration grid would occur for a heat loading of 1.5 MW, while local plastic deformation would happen. To avoid the plastic deformation, it is necessary to reduce the heat loading onto the acceleration grid to less than 1 MW.
抄録高出力中性粒子入射（NBI）システム用の負イオンビーム源の工学的設計において、数10 MWのイオンビームを生成するための加速グリッドの熱機械設計は最も重要な課題の一つである。国際熱核融合実験炉-中性粒子入射（ITER-NBI）システム用の加速グリッドは、1.5 MWもの高熱負荷にさらされることになる。本論文では、ITER-NBIシステム用加速グリッドの熱機械的特性を解析した。数値シミュレーションにより、1.5 MWの熱負荷に対する熱膨張による加速グリッドの最大開口軸変位は約0.7 mmになることが示された。ビーム光学の薄肉レンズ理論から、開口軸変位によるビームレット偏向角は約2 mradと推定され、これはITER-NBIシステムの工学的設計要件の範囲内である。数値シミュレーションはまた、1.5 MWの熱負荷では加速グリッドの溶融は発生しないが、局所的な塑性変形が発生することを示した。塑性変形を回避するには、加速グリッドへの熱負荷を1 MW未満に低減する必要がある。