Neutral beam injection (NBI) is one of the auxiliary power systems considered for the EU DEMO pulsed plasma ('DEMO1'). In this paper, we discuss the characteristics of optimized NBI in terms of the DEMO1 requirements, relating physics and engineering contexts in a novel parameter range compared to current NBI systems and in a larger plasma volume than ITER. Different injection options are investigated to account for various concepts discussed in the literature. The investigation is carried out using a wide range of sensitivity studies by means of the METIS 0.5D transport code and ASCOT Monte Carlo simulations of injected neutral-beam particles. This investigation has generated a series of recommendations for the NBI design, contributing to the system optimization process. We show how tangential injection aimed at the plasma core, with an energy 800 keV, is recommended to maintain high fusion power performance and fulfill the requirements for bulk heating. Compliance with engineering constraints on the NBI design, e.g., the least interference with breeding blanket modules or compatibility with solutions for the beamline components, imposes some restrictions when discussing the beam geometry. The minimum density at which an NBI can be safely operated without harmful shine-through losses is investigated for different injection energies and compared to the ITER case. The NBI operational window for DEMO is shown to be significantly extended to transient, low-density phases, also highlighting the importance of NBI systems designed for modular energy and power output. NBI can therefore sustain the plasma during a considerable portion of the transient phases, i.e., the current ramp-up and ramp-down phases. The final decision on the DEMO heating mix will be made on the basis of system operability and performance: the optimized NBI is shown to be a suitable and effective option for the EU DEMO inductive scenario.
中性粒子ビーム入射（NBI）は、EU DEMOパルス運転（「DEMO1」）で検討されている補助加熱システムの一つである。本論文では、DEMO1の要件の観点から最適化されたNBIの特性について、現在のNBIシステムと比較して新規のパラメータ領域、かつITERよりも大きなプラズマ体積における物理と工学の関連性を踏まえて論じる。文献で議論されている様々な概念を考慮するため、複数の入射方式を調査する。この調査は、METIS 0.5D輸送コードとASCOTによる中性粒子ビーム粒子のモンテカルロシミュレーションを用いた広範な感度解析によって実施される。この調査により、NBI設計に関する一連の推奨事項が導出され、システム最適化のプロセスに貢献する。プラズマ中心部を狙った接線入射が、エネルギー800 keVにおいて、高い核融合出力を維持しバルク加熱の要件を満たすための推奨方式であることを示す。NBI設計における工学的制約、例えば増殖ブランケットモジュールとの干渉を最小化することやビームライン構成要素との適合性などは、ビーム幾何学を検討する際にいくつかの制限を課す。NBIが有害なシャインスルー損失なしに安全に運転できる最小密度を、異なる入射エネルギーについて調査し、ITERの場合と比較する。DEMOにおけるNBIの運転可能領域は、過渡的な低密度フェーズまで大幅に拡張されることが示され、モジュール式のエネルギー・出力設計を備えたNBIシステムの重要性も強調される。したがって、NBIは過渡フェーズ、すなわち電流立ち上げおよび立ち下げフェーズのかなりの期間にわたりプラズマを維持することができる。DEMOの加熱方式の最終決定は、システムの運転性と性能に基づいて行われるが、最適化されたNBIは、EU DEMOの誘導シナリオにおいて適切かつ効果的な選択肢であることが示されている。