Neutral beam injectors are among the most important methods of plasma heating in magnetic confinement fusion devices. The propagation of the negative ions, prior to their conversion into neutrals, is of fundamental importance in determining the properties of the beam, such as its aiming and focusing at long-distances, so as to deposit the beam power in the proper position inside the confined plasma, as well as to avoid interaction with the material surfaces along the beam path. The final design of the ITER Heating Neutral Beam prototype has been completed at Consorzio RFX (Padova, Italy), in the framework of a close collaboration with European, Japanese and Indian fusion research institutes. The physical and technical rationales on which the design is based were essentially driven by numerical modelling of the relevant physical processes, and the same models and codes will be useful to design the DEMO neutral beam injector in the near future. This contribution presents a benchmark study of the codes used for this purpose, by comparing their results against the measures performed in an existing large-power device, hosted at the National Institute for Fusion Science, Japan. In particular, the negative ion formation and acceleration are investigated. A satisfactory agreement was found between codes and experiments, leading to an improved understanding of beam transport dynamics. The interpretation of the discrepancies identified in previous works, possibly related to the non-uniformity of the extracted negative ion current, is also presented.
中性粒子ビーム入射装置は、磁場閉じ込め核融合装置におけるプラズマ加熱の最も重要な方法の一つである。負イオンが中性粒子に変換される前の伝播は、ビームの特性、例えば長距離での照準や集束を決定する上で根本的に重要であり、閉じ込めプラズマ内部の適切な位置にビーム電力を堆積させるとともに、ビーム経路に沿った材料表面との相互作用を回避するために重要である。ITER加熱中性粒子ビーム原型機の最終設計は、欧州、日本、インドの核融合研究機関との緊密な協力の枠組みの中で、Consorzio RFX（イタリア、パドヴァ）において完了した。設計の基礎となる物理的・技術的根拠は、本質的に関連する物理過程の数値モデリングによって導かれたものであり、同じモデルとコードは、近い将来DEMO中性粒子ビーム入射装置の設計にも有用となるだろう。本寄稿は、この目的のために使用されたコードのベンチマーク研究を提示するものであり、日本・核融合科学研究所に設置されている既存の大電力装置で実施された測定値とその結果を比較する。特に、負イオンの生成と加速が調査される。コードと実験の間には満足のいく一致が見られ、ビーム輸送ダイナミクスの理解が向上した。また、以前の研究で特定された、おそらく引き出された負イオン電流の不均一性に関連する不一致の解釈も提示される。