Long pulse operation of 170 GHz ITER gyrotron by beam current control

ビーム電流制御による170GHz ITERジャイロトロンの長パルス動作

春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸; 坂本 慶司

Kasugai, Atsushi; Minami, Ryutaro; Takahashi, Koji; Kobayashi, Noriyuki; Sakamoto, Keishi

日本原子力研究開発機構では、170GHz ITER用ジャイロトロンの開発を精力的に継続している。長パルス化を阻害する要因として、発振に重要な役割を果たす電子ビーム電流が、動作中に徐々に減少し、それに伴い出力が減少するあるいは他の不要モードを誘起し目的の発振モードを維持できないという課題が指摘されていた。そこでこの課題を解決し、ジャイロトロンの長パルス動作を実証するために、カソードヒータの制御にプレプログラミング制御を導入し、ビーム電流を維持することを試みた。プレプログラミング制御の結果、発振を伴わないビーム電流引き出し試験において、ITERで必要とされる安定なビーム電流を1000秒間維持することを実現し、プレプログラミング制御の有効性を実証した。また、170GHzジャイロトロンの長パルス発振試験においても、ビーム電流一定制御を実現し、動作時間中で0.5A以内の変動幅に抑えることができた。その結果、約200kWで、最大約8分間の安定した発振を実現し(ダミーロードから求められるパワーが一定)、管内真空度も安定であった。達成した成果は出力エネルギーとしては、原研が開発したジャイロトロンの中では最大である。一方で、パルス幅はジャイロトロン内部の発熱により制限されたが、1MW出力時に発生しうる不要RFのパワーによるジャイロトロン内部の発熱の軽減、及び除熱を強化すべき箇所を明らかにでき、1MW出力時の冷却性能向上に見通しを得た。

In JAEA (Japan Atomic Energy Agency, formerly JAERI), development of 170 GHz, 1 MW, CW gyrotron for ITER has been carried out. Key technologies for ITER gyrotron such as a diamond window, a depressed collector for high efficiency operation and a stable operation at 170 GHz/1 MW with higher mode TE31,8 have been developed. By integration of these key technologies, gyrotron performance of 0.5 MW/ 100 sec and 0.9 MW/ 9.2 sec were demonstrated. Hence, next target is a demonstration of long pulse operation. One of the issues which prevent the pulse extension is large beam current decrease due to so called the emission cooling of a cathode. During the operation, the oscillation mode shift from TE31,8 to TE30,8 was caused by the current decrease. Then, the magnetic field of the cavity should be increased to avoid the downshift of the oscillation mode, however, the efficiency decreases and the parasitic oscillation appears in a quasi-optical mode converter. To suppress the beam current decrease and to demonstrate the long pulse operation of the high power gyrotron, pre-programming control of the cathode heater power was applied and the long pulse experiment was carried out to sustain the beam current. As a result, stable electron beam of 1000 s, which is required for ITER operation, was demonstrated without oscillation, and pre-programming control directed the effectiveness for constant beam current. Moreover, in the experiment of the long pulse oscillation with oscillation, the pre-programming control suppressed the beam current decrease. Up to now, stable long pulse operation of 8 minutes with 0.2 MW output power was obtained. The output energy of the oscillation is maximum value in the 170GHz ITER gyrotron. Since overheating due to stray radiation inside the gyrotron limit the pulse extension, long pulse operation with high power output will be achieved by enhancement of the cooling and reduction of stray radiation due to modification of a built-in mode converter.