The future experimental fusion reactor International Thermonuclear Experimental Reactor will include two neutral beam injectors, which will contribute to heat the plasma to thermonuclear temperatures and to sustain the magnetic equilibrium by driving the toroidal current. Each injector will consist of a 40 A negative ion source, followed by a 1 MeV electrostatic accelerator and a gas neutralizer. The modelling of the transport of beam particles through the accelerator is a key ingredient in the design of the accelerator optics. It has been recently shown (Mochalskyy et al 2012 J. Appl. Phys.111 113303) that the space distribution of the negative ion beam at the extraction plane of the ion source drastically differs from the ones used in previous studies of the accelerator optics. A numerical study of the transport of beam particles through the accelerator using these realistic geometries for the input beam is presented here. The simulations are performed with a new 3D particle-in-cell Monte Carlo collision code called ONAC (Orsay Negative ion ACcelerator). The code is able to deal with accurate 3D magnetic field configurations and electrode geometries. Simulations show that the initial beam distribution drastically affects the beam transport and the power load on the grids. A significant fraction of beam particles collides with the accelerating grids, with a corresponding power loss of ∼20% of the total power carried by the beam. The inclusion of beam loading effects (intrinsically taken into account in PIC codes) and of a fully 3D model is shown to be necessary to provide a correct description of the transport.
将来の実験用核融合炉である国際熱核融合実験炉（ITER）には、2基の中性粒子入射装置が含まれ、これらはプラズマを熱核温度まで加熱し、トロイダル電流を駆動することによって磁気平衡を維持するのに貢献する。各入射装置は、40 Aの負イオン源と、それに続く1 MeVの静電加速器およびガス中性化セルから構成される。加速器を通るビーム粒子の輸送のモデリングは、加速器光学系の設計における重要な要素である。最近の研究（Mochalskyy et al 2012 J. Appl. Phys.111 113303）により、イオン源の引き出し面における負イオンビームの空間分布が、これまでの加速器光学系の研究で用いられていたものとは drastically 異なることが示されている。本論文では、入力ビームにこれらの現実的な形状を用いた、加速器を通るビーム粒子の輸送に関する数値的研究を提示する。シミュレーションは、ONAC（Orsay Negative ion ACcelerator）と呼ばれる新しい3次元粒子インセル・モンテカルロ衝突コードを用いて実行される。このコードは、正確な3次元磁場配置と電極形状を扱うことができる。シミュレーションにより、初期ビーム分布がビーム輸送とグリッド上の電力負荷に drastic な影響を与えることが示される。ビーム粒子のかなりの割合が加速グリッドと衝突し、対応する電力損失はビームが運ぶ全電力の約20%に達する。ビーム負荷効果（PICコードでは本質的に考慮される）と完全な3次元モデルの組み込みが、輸送の正確な記述を提供するために必要であることが示される。