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大島 克己; 小田 靖久; 高橋 幸司; 寺門 正之; 池田 亮介; 林 一生*; 森山 伸一; 梶原 健; 坂本 慶司
JAEA-Technology 2015-061, 65 Pages, 2016/03
JAEA-Technology-2015-061.pdf:24.28MB
原子力機構では、ITERのEC H&CDシステムの開発に向け、ITERのPlant Control Design Handbookに準拠したジャイロトロン運転システムローカル制御システムのプロトタイプ開発を行った。本システムは、ITER CODAC Core Systemを使用して開発し、ジャイロトロン運転システムの状態遷移管理と監視をはじめ、ジャイロトロンの発振のための電源システムのタイミング制御と運転波形収集の機能を実装した。本システムを用いて、ITERのジャイロトロン運転システムに準拠した電源構成にて、ITER用170 GHzジャイロトロンの大電力発振シーケンスをITER準拠機材で制御する実証試験に成功した。現在、本システムを運用してジャイロトロンの調達に伴う性能確認試験を進めている。本報告書は、ITER準拠制御システムによるジャイロトロン運転システムの概要、基本設計及び機能の詳細、及び最新の運用結果についてまとめたものである。
小林 貴之; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 池田 亮介; 小田 靖久; 和田 健次; 日向 淳; 横倉 賢治; 星野 克道; et al.
Proceedings of 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2015) (USB Flash Drive), 3 Pages, 2015/08
JT-60SAにおける電子サイクロトロン加熱電流駆動(ECH/CD)用にジャイロトロン開発を行っている。高出力、長パルス試験を行い、110GHzと138GHzの2つの周波数において、1MW/100秒の出力を得ることに世界で初めて成功した。この結果により、JT-60SAに求められるジャイロトロンの性能を、完全に満たした。また、空胴共振器、コレクター及び不要高周波の吸収体の熱負荷を実験的に評価した結果、熱負荷の観点では、更なる高出力での運転が、両方の周波数で可能であることを示した。さらに、上記2周波数に加えた付加的な周波数として、82GHzでの発振が、これまでのところ、0.4MW/2秒まで得られている。110/138GHzにおける1.5MW以上の出力や、82GHzにおける1MW出力を目指した大電力試験が進展中であり、最新の成果について報告する。
南 龍太郎; 春日井 敦; 高橋 幸司; 小林 則幸*; 満仲 義加*; 坂本 慶司
International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 27(1), p.13 - 24, 2006/01
被引用回数：12 パーセンタイル：53.63(Engineering, Electrical & Electronic)高出力ジャイロトロン用の高効率モード変換器について、解析計算コードを用いて設計し、変換効率が99%以上のモード変換器を設計した。低電力試験を行い、その計算結果と実験結果の比較から、その高性能なモード変換を実証した。また、今後のジャイロトロン高性能化に向けた、モード変換の周波数依存性の検討、周波数可変型や熱負荷低減に有効な高次モード化への検討を行った。
森山 伸一; 関 正美; 寺門 正之; 下野 貢; 井手 俊介; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; 藤井 常幸; JT-60チーム
Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.343 - 349, 2005/11
被引用回数：7 パーセンタイル：44.9(Nuclear Science & Technology)JT-60Uにおいて、高
プラズマの長時間維持等を目指した最大65秒間放電を継続する実験を行っている。電子サイクロトロン(EC)装置は、加熱だけでなくリアルタイムで入射角度を制御できるアンテナを開発し、電流分布制御や新古典テアリングモードの抑制による閉じ込め性能改善に貢献している。これまでに2.8MW, 3.6秒(10MJ)の入射を達成しているが、プラズマの長パルス化にあわせて0.6MW, 30秒の入射を目指している。伝送系冷却と真空排気の増強,耐ノイズ性能を高める改造とともに導波管型の1MW定常模擬負荷を用いたジャイロトロン動作の調整を行い、8.7秒間のプラズマへの入射と16秒間(400kW/ユニット)のジャイロトロン出力に成功している。ジャイロトロンのパルス幅延伸には、長時間の電子放出でカソード温度が下がりビーム電流が減少して発振条件がずれる問題への対処が重要であり、パルス中にヒータ電力,アノード電圧を上げる制御を行うことで良好な発振条件を持続させることに成功した。一方、低域混成波(LH)電流駆動装置では長年の実験で変形したステンレス製アンテナ先端を炭素化する改造を行い、入射パワーと耐熱負荷性能の向上が期待される。これまでに5.1MJまでの入射を達成しておりエージングを継続中である。
藤井 常幸; 関 正美; 森山 伸一; 寺門 正之; 篠崎 信一; 平内 慎一; 下野 貢; 長谷川 浩一; 横倉 賢治; JT-60チーム
Journal of Physics; Conference Series, 25, p.45 - 50, 2005/00
JT-60U電子サイクロトロン波帯(ECRF)加熱装置は高性能プラズマの実現のために活用されている。その出力は周波数110GHzで4MWである。JT-60U ECRF加熱装置で使用するジャイロトロンの出力は、そのアノード電圧を制御することで、制御できる。これを利用して、プラズマへの入射パワーを変調するために、アノード電圧制御器を開発し、出力0.7MWで、変調周波数10
500Hzを達成した。また、このアノード電圧制御器を使用して、入射パルス幅を5秒から16秒まで伸長することに成功した。このような長パルスにおいて、アルミナ製のDCブレークの最大温度は約140度に達した。これを解析した結果、目標とするパルス幅30秒を実現するには、DCブレークの材料を低損失の材料に変更する必要があることが判明した。実時間制御でのECRF加熱による新古典テアリングモードの安定化を実証した。この実時間制御系では、ECE計測より10msごとに予測されるNTM発生領域を狙って、ECRFビームが入射される。
春日井 敦; 坂本 慶司; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 今井 剛
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 528(1-2), p.110 - 114, 2004/08
被引用回数：23 パーセンタイル：80.21(Instruments & Instrumentation)原研では、核融合プラズマの加熱・電流駆動のための大電力ミリ波源ジャイロトロンの開発を行っている。これまでに世界に先駆けエネルギー回収技術,超高次モード発振技術,人工ダイヤモンド出力窓の開発を行うとともに170GHzの周波数において0.9MW-9秒,0.5MW-30秒などの成果を挙げてきた。長パルス動作時においては、散乱RFによるジャイロトロン内部の可動ミラー部ベローズの加熱に伴うアウトガスによって長パルス動作が制限されることを明らかにした。そこで、可動ミラー部ベローズの構造を散乱RFが入り込みにくい構造に変えるとともに、ステンレス製のベローズ表面に銅メッキを施し発熱を抑え、かつ熱伝導を良くすることで蓄熱を抑制することを試みた。その結果、改良を加える前と比較し、発熱は1/10以下に、熱拡散の時定数は冷却を行っていない状態において約1/3(270秒
90秒)に減少し、改良が有効であることが確かめられた。このことから、大電力において長パルス動作を達成できる見通しが得られた。さらに水冷却可能な構造にしたことから、連続運転にも対応できるものと考えられる。
中川 樹生*; 三原 与周*; 小紫 公也*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛
Journal of Spacecraft and Rockets, 41(1), p.151 - 153, 2004/02
被引用回数：40 パーセンタイル：88.62(Engineering, Aerospace)マイクロ波推進機のモデルを製作し、110GHzジャイロトロンから出力される110GHz, 1MWのマイクロ波を用いて打ち上げ実験を行い、打ち上げ時の力積を測定した。マイクロ波(RF)を推進機のパラボラ形状のノズルに入射すると、フォーカス点付近でプラズマが生成、そしてマイクロ波により加熱される。その時、衝撃波が発生し、その衝撃力により推進機を押し上げるというのが打ち上げのメカニズムである。今回の実験における衝撃力の打ち上げエネルギーへの結合係数は395N/MWで、これはレーザー推進機と同レベルである。実験でのRFのパルス幅は0.175msecで、今のところ結合係数はそのパルス幅の長さで制限されており、パルス幅をより短くすることで、結合係数が増加する可能性がある。
Loring, M.*; 森山 伸一; 春日井 敦; 寺門 正之; 中山 伸好*; 飯山 俊光*
Proceedings of 26th International Power Modulator Symposium and 2004 High Voltage Workshop, p.271 - 273, 2004/00
大電力高周波源において電子管の保護と制御は重要な問題である。ここでは、この問題の解決にむけて進められた開発の概要をまとめるとともに、最近の核融合研究,加速器及び工業用分野での実例について議論する。特にJT-60Uのメガワット級ジャイロトロンの制御と保護のために用いられる高電圧IGBTスイッチの設計,開発、及び性能向上の過程について述べる。このIGBTスイッチは数年間稼働しており、システム運用時間20,000時間(素子運用時間2,000,000時間)が示すその長寿命は、注意深く設計されたシステムが適切に運用されたことによる装置信頼性の高さを示している。このスイッチは最近、他の高電力システムでも広く使われており、直流100kV, 100A級の電流を扱うことが可能である。この成果は原研と東京電子(株)の共同開発によるものである。
高橋 正己*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 石井 和宏*; 春日井 敦
JAERI-Tech 2003-080, 27 Pages, 2003/11
JAERI-Tech-2003-080.pdf:3.11MB
JT-60Uでは、局所的な加熱・電流駆動によるプラズマの安定性改善や予備電離の実験を行うことを目的として、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を導入してきた。JT-60UのECH装置は、動作周波数110GHz・高周波出力約1MWの発振管(ジャイロトロン)4基を持ち、2基の可動ミラー型アンテナを使用してJT-60Uプラズマへ入射するシステムである。110GHzを含む極めて高い周波数のミリ波帯での高出力発振は10年前まではなく、近年ITER用に開発されてきたジャイロトロンで初めて実現された。そのため、ジャイロトロンの運転にはさまざまな調整が必要である。ヒーターエージング後に、磁場調整,アノード電圧調整により1MWの発振条件を見つけ、その後、パルス幅を伸ばすエージングを行い、秒オーダーの運転を実現した。さらに、高出力,長パルスで安定な運転を行うため、ジャイロトロン管内で発生する不要高周波を吸収するRF吸収体を内蔵する改良を行った。その結果、1MW-5秒の設計目標を達成するとともに、4基のジャイロトロンでプラズマに約10MJの世界最高のミリ波エネルギーを入射できた。
藤井 常幸; 春日井 敦; JT-60チーム
Proceedings of 20th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering (SOFE 2003), p.222 - 227, 2003/10
高性能プラズマを実現するための鍵はプラズマ中の電流,圧力,回転分布の制御である。そのために、JT-60Uには、ECH, LH, ICHのRF装置,正及び負イオン源のNBI装置が導入されて来た。出力1MWのジャイロトロンを使用して、110GHzで合計出力4MWのECH 装置を開発している。SiC製のRF吸収体を内蔵することで、ジャイロトロン内で発生する寄生発振を抑制し、設計値のジャイロトロン出力1MW, 5秒を達成した。さらに、このジャイロトロンはアノード電圧を可変調整でき、発振パラメータ領域を広くとれるため、より高い出力パワーが期待できる。NBI装置では、負イオン源NBIが400kVのビームエネルギーで5.8MWの入射を、正イオン源NBIは28MWの入射を実現している。負イオン源NBI装置の開発において、空間電荷効果を含む多ビーム束の収束に関する詳細な研究を行った。その結果、2.6MW, 10秒の入射を達成した。
坂本 慶司; 春日井 敦; 池田 佳隆; 林 健一*; 高橋 幸司; 森山 伸一; 関 正美; 假家 強*; 満仲 義加*; 藤井 常幸; et al.
Nuclear Fusion, 43(7), p.729 - 737, 2003/07
プラズマの加熱電流駆動用大電力ジャイロトロン開発を行った。ITERで要求される周波数170GHzにおいて、準連続運転となる0.9MW/9秒,0.75MW/17秒,0.5MW/30秒,0.3MW/60秒等の出力を達成し、連続出力ジャイロトロンの開発に大きな見通しを得た。パルス幅は内部の冷却強化によりさらに延長可能である。また、JT-60U用110GHzジャイロトロンで1.2MW/4秒等の出力を得た。110GHzジャイロトロンは4MWのJT-60U電子サイクロトロン共鳴加熱電流駆動装置の発振源として使用されている。
五十嵐 浩一*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 石井 和宏*; 高橋 正己*
JAERI-Tech 2003-030, 40 Pages, 2003/03
JAERI-Tech-2003-030.pdf:5.83MB
JT-60Uにおける電子サイクロトロン加熱(ECH)装置は、局所加熱あるいは電流駆動をすることが可能であり、動作周波数110GHzにおいて、出力約1MW,最大パルス幅5秒を出力するジャイロトロン4基を用いる。電子サイクロトロン波によるジャイロトロンが110GHzの高周波を発振するために必要な超伝導コイル(以降SCMと記す)は、ジャイロトロン内部のキャビティ付近に最大4.5Tの強磁場を発生する。この超伝導コイルの特徴は、4Kヘリウム冷凍機をコイルに搭載することによって、液体窒素を全く使用することなく運転することが可能であり、メンテナンス性が非常に優れていることである。ジャイロトロン用超伝導コイルを高出力・長パルスの環境で長期間継続運転した経験の報告は、これまであまりなく、大変貴重である。ジャイロトロン用超伝導コイルの運転経験から、ECH装置の運転における以下のような重要な知見を得た。4Kヘリウム冷凍機の交換時期の推定方法を試案して、ECH装置の順調な運転に寄与した。さらに、4Kヘリウム冷凍機停止が、150時間以下の場合には再起動後200時間程度以内でSCMの温度が通電可能温度(5.0K以下)まで到達することを実証できた。
春日井 敦; 坂本 慶司; 林 健一*; 高橋 幸司; 庄山 裕章*; 梶原 健*; 池田 佳隆; 假家 強*; 満仲 義加*; 藤井 常幸; et al.
JAERI-Research 2002-027, 57 Pages, 2002/11
JAERI-Research-2002-027.pdf:3.6MB
ジャイロトロン内に発生する不要RFは、ジャイロトロンの長パルス化あるいは高効率化等の性能向上を妨げている要因の1つである。ジャイロトロンの内部に発生する不要RFには、(1)ビームトンネルにおける寄生発振,(2)放射器における寄生発振,(3)ジャイロトロン内部の散乱RFがある。ビームトンネルにおける寄生発振は、ビームトンネルの表面に炭化珪素材を適用することで完全に抑制することができた。その結果、ジャイロトロンの空胴共振器における主モードの発振効率を従来の約20%から30%以上に改善でき、高効率動作の実現を達成した。放射器の寄生発振については、空胴共振器での発振効率を高めることで軽減できることを明らかにした。ジャイロトロン内部の高周波回路の回折損失に起因する散乱RFはジャイロトロン出力の10%以上あることが明らかとなったが、冷却の工夫及びDCブレークの材質の変更により、動作を制限する要因にはなっていない。以上のように、寄生発振を抑制したこと及び散乱RFを管外で処理し、散乱RFに起因する内部加熱に対する冷却の強化により1MW-10秒レベル(0.9MW-9.2秒)の長パルス動作が可能となった。
常松 俊秀; 関 昌弘; 辻 博史; 奥野 清; 加藤 崇; 柴沼 清; 花田 磨砂也; 渡邊 和弘; 坂本 慶司; 今井 剛; et al.
Fusion Science and Technology, 42(1), p.75 - 93, 2002/07
被引用回数：1 パーセンタイル：10.15(Nuclear Science & Technology)ITER(国際熱核融合実験炉)工学設計活動における日本の工学技術の研究開発活動と成果について、欧州,日本,ロシア,米国の国際協力により実施されたITERの設計結果と合わせて述べる。ITERを構成する主要機器のうち、超伝導コイル,真空容器,高熱流束プラズマ対向機器,中性粒子入射装置,大電力のミリ波を発生するジャイロトロン等について、ITER実機に外挿可能な規模のモデル試験体を開発・製作・試験するプロセスを通じてITERに必要な新技術が開発された。日本で得られた主な成果は、13T, 640MJのニオブ・スズを用いた超伝導コイル技術,高さ15m,横幅9mの真空容器技術,20MW/m
の熱流束を処理できるCuCrZr製の冷却管技術,31mA/cmの電流密度を有する負イオン源技術と1MeVのイオン加速器技術及び1MWの出力機能を有するジャイロトロン技術である。
炉心プラズマ研究部
JAERI-Conf 2000-007, p.161 - 0, 2000/03
JAERI-Conf-2000-007.pdf:9.11MB
プラズマ診断に関する日豪ワークショップは、日豪科学技術協力協定のもとで、両国におけるプラズマ診断、及び実験に関する最新の研究結果について情報交換を行い両国の研究開発を促進するとともに、相互の理解と交流を深めることを目的として1989年に原研で第1回が開催され、その後、日豪交互にほぼ2年毎に開催されている。第5回プラズマ診断に関する日豪ワークショップは1999年12月15日から17日の3日間、日本原子力研究所那珂研究所で開催され、計37名の参加者があった。このワークショップでは、JT-60U(原研)、LHD(核融合科学研究所)、H-1NF(オーストラリア国立大学)における研究の現状、並びに最新のプラズマ診断技術の進展と研究成果等にかかわる、計28件の発表があり、活発な議論が行われた。本報告書は、このワークショップでの発表論文をまとめたものである。
篠崎 信一; 下野 貢; 寺門 正之; 安納 勝人; 平内 慎一; 池田 佳隆; 池田 幸治; 今井 剛; 春日井 敦; 森山 伸一; et al.
Proceedings of the 18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering (SOFE '99), p.403 - 406, 1999/10
JT-60Uにおける局所的な加熱及び電流駆動を目的として試作開発してきた110GHz,1MWのECRFシステムの構成・機能及び運転・制御について述べる。本システムはジャイロトロン、高圧電源、全長60mにおよぶ伝送系、駆動ミラーを有するアンテナから構成される。これらの機器すべてを統括し、その運転を制御する制御設備はシーケンサ、VME、タイミング制御板等から構成される。これらの内、特に重要な構成機器はタイミング制御板であり、ジャイロトロンの運転に欠かせない高圧電源の入・切制御を行うためのものである。これによりブレークダウン等の発生から数
秒以内に高圧電源を遮断し、ジャイロトロンを保護することができる。また、ジャイロトロン、伝送系等の操作のために、マンマシンインターフェイス部分にタッチパネルを導入した。これにより、起動、停止やパラメータ入力等の運転操作が大幅に簡素化され、容易な運転を可能とした。
恒岡 まさき; 今井 剛; E.Bowles*; I.Benfatto*; 吉田 利夫*; 石橋 正幸*
Fusion Engineering and Design, 45(2), p.197 - 207, 1999/00
被引用回数：1 パーセンタイル：13.12(Nuclear Science & Technology)本論文はITERの工学設計の設計タスクで行われたITER ECRF用電源システム設計において日本チームの検討をもとに述べたものである。本システムは68MWの総容量のジャイロトロンを駆動する電源である。システムは55MVAの66kVライン4線で受電し、1ラインに4ユニットのECRF電源へ給電する。1ユニット分の電源はエネルギー回収ジャイロトロン4基を駆動し、原研ですでに開発した実績のあるIGBTスイッチを保護装置として、加速電源にDC-DCコンバータ電源を採用した設計とした。主電源にはサイリスタ交流電力調整装置を採用し、急峻な負荷変動に対する電圧安定化制御を行う。本論文ではジャイロトロン保護のための許容エネルギー条件を満たすための設計と主電源の電圧安定化制御法の設計を述べ各機器のレイアウトについて述べた。
恒岡 まさき; 春日井 敦; 池田 幸治; 坂本 慶司; 今井 剛; 藤田 秀男*; 浅香 敏夫*; 上岡 伸好*; 安田 昌弘*; 飯山 俊光*; et al.
Int. J.Electronics, 86(2), p.233 - 243, 1999/00
被引用回数：10 パーセンタイル：56.59(Engineering, Electrical & Electronic)本論文は原研で開発したエネルギー回収型ジャイロトロン用主電源システムに関するものである。この電源容量は5MWで最大100KV,50Aの直流電源である。ジャイロトロン用電源では負荷であるジャイロトロンの異常発生時に10J以下の許容エネルギーで遮断しなくてはならない。従来はクローバスイッチを用いて電源を高速短絡して保護していたが、本電源には直流100KV,100A,360A遮断のIGBTスイッチを開発し採用した。また、ジャイロトロンは高速にビーム電源が立ち上がるため、直流電圧を制御する交流サイリスタスイッチの制御に状態フィードバック制御と負荷電流フィードフォワード制御を採用した。この電源はシリーズレギュレータ等の高ロス機器を採用せずに実現化された電源であり、効率も95%以上を確保している。
春日井 敦; 坂本 慶司; 高橋 幸司; 恒岡 まさき; 今井 剛; O.Braz*; M.Thumm*
JAERI-Research 97-020, 7 Pages, 1997/03
JAERI-Research-97-020.pdf:0.56MB
原研ではITER協力のもとにドイツのカールスルーエ研究所と共同で、化学気相成長法による大口径ダイヤモンドディスクの大電力高周波実験を、原研のジャイロトロン試験装置を用いて行った。ダイヤモンドは低い高周波損失係数(0.5~2
10
)、非常に高い熱伝導率(常温において銅の約5倍)を持つので、水による周辺冷却が可能であり、ジャイロトロンなどの大電力高周波窓として最適である。実験では170GHzの大電力高周波(170kW-100ms)を用い、直径96mm、厚さ2.23mmのダイヤモンドディスクの中心部の誘電損失係数が1.310、熱伝導率が約1800W/mKであると評価できた。この結果からダイヤモンドディスクは大電力高周波窓として有望であることが確かめられた。
恒岡 まさき; 藤田 秀男*; 坂本 慶司; 春日井 敦; 今井 剛; 永島 孝; 浅香 敏夫*; 上岡 伸好*; 安田 昌弘*; 飯山 俊光*; et al.
Fusion Engineering and Design, 36(4), p.461 - 469, 1997/00
被引用回数：23 パーセンタイル：84.21(Nuclear Science & Technology)本論文は核融合プラズマの加熱の1方式である電子サイクロトロン周波帯加熱電流駆動に用いるジャイロトロン発振管用電源について述べたものである。特に原研にて開発成功したエネルギー回収型ジャイロトロン用電源について述べたものである。この電源は発振に必要な電力を供給する主電源と発振に必要な安定電界を形成するための加速電源から構成される。加速電源により加速された電子はジャイロトロンの空胴共振器で高周波電力に変換され、加速電圧と主電源電圧差で生ずる減速電界によりスペントビームのエネルギー回収を行う。本論文ではこれらの構成とジャイロトロン実験による実証例を述べた。これにより従来型の方式に較べ電源容量で1/2冷却装置容量で1/3になる見通しを明らかにした。
