The NBI (Neutral BGeam Injection) System for the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) is composed of ion sources, neutralizers, bending magnets, ion dumps, and calorimeter. The vacuum chamber, in which all of the beam line components are enclosed, is composed of differential pumping system for the effective transfer of the neutral beams. The needed pumping speeds of each of the divided vacuum chamber and the optimized gas flow rate ot the neutralizer were calculated with the help of the particle balance equations. The minimum gas flow rate to the ion sources for producing needed beam current (120kV, 65A, 78MW), the pressure distributions in the vacuum chamber for minimizing re-ionization loss, and the beam loss rate on the beam line components were used as the input in the calculation. Also the scenario for short pulse operation was determined by analysing the time dependent equations. It showed that beam extraction during less than 0.5 sec could be made only with TMP.
The pressure distributions in the test stand built for developing KSTAR NBI ion sources were obtained using a network system composed of conductance elements modeling the ion source, the neutralizer, and other beam line components. The allowable regime was defined on the coordinates of the gas supply rate to the ion source and the neutralizer, considering the proper conditions of the three critical parameters, the ion source pressure for good arc discharge, the pressure integral in the neutralizer for sufficient neutralization, and the chamber pressure for minimum neutral beam loss. The neutral beam evolution along the path from the ion source extraction grid to the calorimeter through the neutralizer, the bending magnet and the vacuum chamber was estimated for typical pressure distributions.
A prototype long pulse ion source was developed, and the beam extraction experiments of the ion source were carried out at the Neutral Beam Test Stand (NBTS) of the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR). The ion source consists of a magnetic bucket plasma generator, with multi-pole cusp fields, and a set of tetrode accelerators with circular apertures. Design requirements for the ion source were a 120kV/65A deuterium beam and a 300 s pulse length. Arc discharges of the plasma generator were controlled by using the emission-limited mode, in turn controlled by the applied heating voltage of the cathode filaments. Stable and efficient arc plasmas with a maximum arc power of 100 kW were produced using the constant power mode operation of an arc power supply. A maximum ion density of $8.3{\times}10^{11}\;cm^{-3}$ was obtained by using electrostatic probes, and an optimum arc efficiency of 0.46 A/kW was estimated. The accelerating and decelerating voltages were applied repeatedly, using the re-triggering mode operation of the high voltage switches during a beam pulse, when beam disruptions occurred. The decelerating voltage was always applied prior to the accelerating voltage, to suppress effectively the back-streaming electrons produced at the time of an initial beam formation, by the pre-programmed fast-switch control system. A maximum beam power of 0.9 MW (i.e. $70\;kV{\times}12.5\;A$) with hydrogen was measured for a pulse duration of 0.8 s. Optimum beam perveance, deduced from the ratio of the gradient grid current to the total beam current, was $0.7\;{\mu}perv$. Stable beams for a long pulse duration of $5{\sim}10\;s$ were tested at low accelerating voltages.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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v.5B
no.3
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pp.289-295
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2005
Instrumentation and Control (I&C) of the Neutral Beam Test Stand (NB- TS) Facility at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) for the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) project has been underway since the start of the project to answer the diverse requests arising from the various facets of the development and construction phases of the project. Optical signal transmission constitutes a significant portion of I&C works and has been performed for the entirety of the project. During the NB- TS construction and related experiments, significant achievements to a more accurate as well as more refined optical signal transmissions have been made. Examples of those I&C works that utilized the optical signal transmission are the Langmuir probe signal transmission, gradient grid current signal transmission, gas flow control and signal transmission, ion source temperature measurement, beam line component temperature monitoring, and coolant flow signal transmission, etc. These optical signal transition provisions are now performing part of the indispensable functions for the proper operation of the NB- TS facility. Attained experience and expertise are expected to be well applied to the upcoming main neutral beam injection (NBI) system construction for the KSTAR project.
The design concept of a bending magnet to be installed in the KSTAR NBI system is presented. It is the function of a bending magnet that removes unconverted ions from the main beam stream and produces an 8 MW, 120 keV deuterium neutral beam. In order to determine the proper size and shape of the bending magnet, a parametric study on the B-field pattern was carried out by changing the dimensions of the pole face model. In addition, the detailed trajectories of the dominant ion species produced in the beam line were calculated. The electrical and cooling parameters of the coil assembly were also estimated.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.02a
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pp.240-240
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2011
The first neutral beam injector (NBI-1) has been developed for the Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) tokamak. A first long pulse ion source (LPIS-1) has been installed on the NBI-1 for an auxiliary heating and current drive of KSTAR core plasmas. Performance of ion and neutral beam extractions in the LPIS-1 was investigated initially on the KSTAR NBI-1 system, prior to the neutral beam injection into the main plasmas. The ion source consists of a JAEA magnetic bucket plasma generator with multi-pole cusp fields and a set of KAERI prototype-III tetrode accelerators with circular apertures. The inner volume of plasma generator and accelerator column in the LPIS-1 is approximately 123 liters. Final design requirements for the ion source were a 120 kV/ 65 A deuterium beam and a 300 s pulse length. The extraction of ion beams was initiated by the formation of arc plasmas in the LPIS-1, called as an arc-beam extraction method. A stable ion beam extraction of LPIS-1 has been achieved up to an 100 kV/42 A for a 4 s pulse length and an 80 kV/25 A for a 14 s pulse length. Optimum beam perveance of 1.21 microperv has been found at an accelerating voltage of 80 kV. Neutralization efficiency has been measured by using a water flow calorimetry (WFC) method of calorimeter and an operation of bending magnet. The full-energy species of ion beams have been detected by using the diagnostic method of optical multichannel analyzer (OMA). An arc efficiency of the LPIS was 0.6~1.1 A/kW depending on the operating conditions of arc discharge.
본 논문은 미래 녹색에너지원으로 주목받는 핵융합에너지 개발 장치인 한국형 초전도 핵융합 연구로(KSTAR : Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)의 가열장치인 중성입자빔(NBI : Neutral Beam Injector) 장치를 소개하고, 2016년 KSTAR 실험에서 빔 에너지 90/70/80 keV, 빔 출력 3.81 MW, 70.6초의 최대 장 펄스와 빔 에너지 95/90/90 keV, 빔 출력 5.13 MW, 10.6 초로 입사 운전한 NBI 장치 실험 결과를 정리한다.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.550-551
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2013
Large-area RF-driven ion source is being developed at Germany for the heating and current drive of ITER plasmas. Negative hydrogen (deuterium) ion sources are major components of neutral beam injection systems in future large-scale fusion experiments such as ITER and DEMO. RF ion sources for the production of positive hydrogen ions have been successfully developed at IPP (Max-Planck- Institute for Plasma Physics, Garching) for ASDEX-U and W7-AS neutral beam injection (NBI) systems. In recent, the first NBI system (NBI-1) has been developed successfully for the KSTAR. The first and second long-pulse ion sources (LPIS-1 and LPIS-2) of NBI-1 system consist of a magnetic bucket plasma generator with multi-pole cusp fields, filament heating structure, and a set of tetrode accelerators with circular apertures. There is a development plan of large-area RF ion source at KAERI to extract the positive ions, which can be used for the second NBI (NBI-2) system of KSTAR, and to extract the negative ions for future fusion devices such as ITER and K-DEMO. The large-area RF ion source consists of a driver region, including a helical antenna (6-turn copper tube with an outer diameter of 6 mm) and a discharge chamber (ceramic and/or quartz tubes with an inner diameter of 200 mm, a height of 150 mm, and a thickness of 8 mm), and an expansion region (magnetic bucket of prototype LPIS in the KAERI). RF power can be transferred up to 10 kW with a fixed frequency of 2 MHz through a matching circuit (auto- and manual-matching apparatus). Argon gas is commonly injected to the initial ignition of RF plasma discharge, and then hydrogen gas instead of argon gas is finally injected for the RF plasma sustainment. The uniformities of plasma density and electron temperature at the lowest area of expansion region (a distance of 300 mm from the driver region) are measured by using two electrostatic probes in the directions of short- and long-dimension of expansion region.
Chang, Doo-Hee;Jeong, Seung Ho;Kim, Tae-Seong;Park, Min;Lee, Kwang Won;In, Sang Ryul
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.179.2-179.2
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2013
A large-area RF-driven ion source is being developed at Germany for the heating and current drive of ITER device. Negative hydrogen ion sources are major components of neutral beam injection (NBI) systems in future large-scale fusion experiments such as ITER and DEMO. The RF sources for the production of positive hydrogen ions have been successfully developed at IPP (Max-Planck-Institute for Plasma Physics), Garching, for the ASDEX-U and W7-AS neutral beam heating systems. Ion sources of the first NBI system (NBI-1) for the KSTAR tokamak have been developed successfully with a bucket plasma generator based on the filament arc discharge, which have contributed to achieve a good plasma performance such as 15 sec H-mode operation with an injection of 3.5 MW NB power. There is a development plan of RF ion source at the KAERI to extract the positive ions, which can be used for the second NBI system (NBI-2) of the KSTAR and to extract the negative ions for future fusion devices such as Fusion Neutron Source and Korea-DEMO. The development progresses of RF ion source at the KAERI are described in this presentation.
Since the start of the KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) project, Instrumentation and Control (I&C) of the Neutral Beam Test Facility (NB-TF) has been striving to answer diverse requests arising from various facets during the project's development and construction phases. Hard-wired electrical circuits have been designed, tested, fabricated, and finally installed to the relevant parts of the system. In relation to the vacuum system I&C, controlling functions for the rotary pumps, a Roots pump, two turbomolecular pumps, and four cryosorption pumps have been constructed. I&C for the ion source operation are the temperature and flow rate signal monitoring, Langmuir probe signal measurements, gradient grid current measurements, and arc detector circuit. For the huge power system to be monitored or safely operated, many temperature measurement functions have also been implemented for the beam line components like the neutralizer, bending magnet, ion dump, and calorimeter. Nearly all of the control and probe signals between the NB test stand and the control room were made to be transmitted through the optical cables. Failures of coolant flow or beam line vacuum pressure were made to be safely blocked from influencing the system by an appropriate interlock circuit that will shut down the extraction voltage application to the system or prevent damages to the vacuum components. Preliminary estimation of the beam power through the calorimetric measurement shows that 87.9% of the total power of the 60kV/18A beam with 200 seconds duration is absorbed by the calorimeter surface. Most of these I&C results would be highly appropriate for the construction of the main NBI facility for the KSTAR national fusion research project.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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