Development of the long-pulse ECRF system for JT-60SA

小林 貴之; 諫山 明彦; Fasel, D.*; 横倉 賢治; 下野 貢; 長谷川 浩一; 澤畠 正之; 鈴木 貞明; 寺門 正之; 平内 慎一; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.9, p.363 - 368, 2010/08

JT-60 ECRF装置のパルス幅(5秒)を伸ばすための改良がJT-60SA(100秒)へ向けて必要である。欧州により電源が新規に設計,製作及び設置される。また、新たに設計したモード変換器を備えた改良型ジャイロトロンの調整運転を開始した。本モード変換器によって、ジャイロトロン内での回折損失による内部機器への熱入力が低減され、1MWの長パルス発振が期待できる。JT-60Uで実証されたヒータ電流やアノード電圧をプレプログラム/フィードバック制御する手法が、発振中のカソード冷却によるビーム電流の減少対策として重要と考えられる。伝送系については、真空排気した伝送路により1系統あたり1MWの伝送が可能である。一方、結合系については真空容器内機器のメンテナンスが困難であることから、真空容器内での冷却水リークや駆動機構のトラブルのリスクを低減するために直線駆動アンテナ手法が提案され、詳細な設計及び低電力試験を開始した。

Development and achievements on the high power ECRF system in JT-60U

森山 伸一; 小林 貴之; 諫山 明彦; 寺門 正之; 澤畠 正之; 鈴木 貞明; 横倉 賢治; 下野 貢; 長谷川 浩一; 平内 慎一; et al.

Nuclear Fusion, 49(8), p.085001_1 - 085001_7, 2009/07

https://doi.org/10.1088/0029-5515/49/8/085001

JT-60U電子サイクロトロン周波数帯(ECRF)装置のジャイロトロンにおいて、1.5MW, 1秒間(110GHz)の出力が得られた。これは1秒以上のパルス幅では世界最高値である。熱応力の観点で注意深く設計された共振器,ミラー駆動ベローズのRFシールド,誘電損失の小さいセラミックを用いたDCブレークがこの出力を可能にした。一方、5kHzという高い周波数でパワー変調を行うことに成功しJT-60Uの新古典テアリングモード(NTM)抑制実験の成果につながった。ジャイロトロンのカソードヒーターパワーとアノード電流の実時間制御によって0.4MW, 30秒の長パルス入射をデモンストレーションし、伝送系部品の温度上昇を測定するとともにその健全性を確認し、さらなる長パルス入射の見通しを得た。また、4本のジャイロトロンを同時に発振させ2.9MW, 5秒の高パワー入射を行って、高いシステム総合性能を示すことができた。信頼性の高い長パルス対応水冷式アンテナとして、革新的な直線駆動ミラーを用いる方式を設計した。ビームプロファイルと機械強度を評価する計算を行って実現可能性を確証した。

Long pulse/high power ECRF system development in JT-60U

森山 伸一; 小林 貴之; 諫山 明彦; 寺門 正之; 澤畠 正之; 鈴木 貞明; 横倉 賢治; 下野 貢; 長谷川 浩一; 平内 慎一; et al.

Proceedings of 22nd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2008) (CD-ROM), 8 Pages, 2008/10

http://www-naweb.iaea.org/napc/physics/FEC/FEC2008/html/node62.htm#15035

JT-60Uの電子サイクロトロン周波数帯(ECRF)加熱電流駆動装置のジャイロトロン開発において、1.5MW,1秒間(110GHz)の出力を得ることに成功した。これは1秒以上のパルス幅では世界最高値である。熱応力の観点で注意深く設計された共振器,ミラー駆動ベローズのRFシールド,誘電損失の小さいセラミックを用いたDCブレークがこの出力を可能にした。一方、5kHzという高い周波数でパワー変調を行うことに成功しJT-60Uの新古典テアリングモード(NTM)抑制実験の成果につながった。ジャイロトロンのカソードヒーターパワーとアノード電圧の実時間制御によって0.4MW,30秒の長パルス入射をデモンストレーションし、伝送系部品の温度上昇を測定するとともにその健全性を確認し、さらなる長パルス入射の見通しを得た。また、4本のジャイロトロンを同時に発振させ2.9MW,5秒の高パワー入射を行って、高いシステム総合性能を示すことができた。信頼性の高い長パルス対応水冷式アンテナとして、革新的な直線駆動ミラーを用いる方式を設計した。ビームプロファイルと機械強度を評価する計算を行って実現可能性を確証した。

JT-60U ECH装置出力変調技術の開発

寺門 正之; 下野 貢; 澤畠 正之; 篠崎 信一; 五十嵐 浩一; 佐藤 文明; 和田 健次; 関 正美; 森山 伸一

JAEA-Technology 2007-053, 28 Pages, 2007/09

JAEA-Technology-2007-053.pdf:4.3MB

臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、プラズマの熱伝導率を測定し閉じ込め性能を調べるため、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置の高周波出力を数十Hzから数百Hz程度に変調し、プラズマ中へパルス的に入射している。JT-60UのECH装置の高周波出力変調は、高周波源であるジャイロトロンのアノード電圧を制御することによりジャイロトロンの主電源である特高電力を遮断することなく出力を変調させるもので、変調周波数が12.2Hz500Hzにおいて変調度が約80%の出力変調運転を行っている。しかし、今後予定されているJT-60 Super Advanced (JT-60SA)計画において、電磁流体力学(MHD)的不安定性である新古典的テアリングモード(NTM)を抑制するための手法として、その周波数に合わせて変調入射する必要性が生ずる。そこで、ジャイロトロンの高周波出力を数kHz程度に変調する技術の検証を行った結果、周波数3.5kHzで変調度が84%の発振変調に成功した。実用レベルのパルス幅としては、3.0kHzまでの発振変調が可能である。次のステップとして、アノード分圧器基板の素子をより高速なものと交換して、さらに変調周波数を上げる試験を計画している。

JT-60U LHRF加熱装置のアンテナ先端部の損傷対策

石井 和宏*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 高橋 正己*

JAERI-Tech 2003-079, 22 Pages, 2003/10

JAERI-Tech-2003-079.pdf:3.01MB

JT-60Uでは、定常化運転を目指した開発研究の一つとして、低域混成波帯(LHRF)の高周波を用いた電流駆動の研究を行っている。その研究において、装置技術的課題は、LHRF加熱装置の重要な機器である大電力LHRFアンテナの開発である。LHRFアンテナは、効率的に高周波をプラズマに入射するために、プラズマから近い位置に置かれている。そのためLHRFアンテナは常にプラズマからの熱にさらされ、また大電力高周波の入射が要請されるため、先端部におけるプラズマからの熱負荷による溶融や高周波放電による溶融・変形が問題となっていた。その結果、プラズマへの入射パワーは徐々に減少してきた。この対策として、LHRFアンテナのエージングを行って、耐高周波電界性能の向上を図った。また、赤外線カメラによるLHRFアンテナの温度監視,LHRFアンテナ位置の調整,入射パワーを断続的に変調する電流駆動法の開発、そしてアークセンサによる高周波放電を検知して、LHRFアンテナ先端部の損傷を防止する保護対策を実施してきた。

JT-60U ECH装置用ジャイロトロンにおけるアノード電圧制御による出力変調運転

寺門 正之; 関 正美; 下野 貢; 五十嵐 浩一*; 満仲 義加*; 諫山 明彦; 安納 勝人; 池田 佳隆

JAERI-Tech 2003-053, 25 Pages, 2003/06

JAERI-Tech-2003-053.pdf:3.23MB

臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を用いて、局所的にプラズマを加熱あるいは電流駆動しプラズマの性能向上実験を実施している。また、プラズマの熱伝導率を測定し閉じ込め性能を調べるため、ECH装置の高周波源であるジャイロトロンの高周波出力を数十から数百Hz程度に変調し、プラズマ中へパルス的に入射している。JT-60Uでは、ジャイロトロンのアノード電圧を制御することで高周波出力の変調運転に成功した。アノード電圧を約10%変化させることで、変調度が約80%の出力変調運転を行うことができる。変調周波数は、12.2Hz~500Hzである。なお、出力変調運転中に主モードの発振効率が低下することにより放射器が加熱される。この原因は、放射器入口部における寄生発振と推測される。しかし、放射器の温度を監視することでジャイロトロンを保護することができる。

大電力発振管ジャイロトロンのアノード電圧変調運転

寺門 正之; 下野 貢; 五十嵐 浩一*; 高橋 正己*; 石井 和宏*; 関 正美

平成14年度東京大学総合技術研究会技術報告集, 3 Pages, 2003/03

JT-60電子サイクロトロン加熱(ECH)装置は、周波数110GHz,出力約1MWの大電力電子管(ジャイロトロン)を使用した発振器を4系統有している。ECH装置は、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に使用されている。現在使用しているジャイロトロンは3電極を持ち、ビーム加速電源から分圧されたアノード電圧を変調することで、その発振パワーを可変できる。すなわち、アノード電圧を分圧するために使用しているツェナーダイオードの数を制御することによって、数十数百Hzで変調制御できるようにした。これにより、ジャイロトロンの出力を変調できる運転を実現した。

First results of JT-60U ICRF heating system

森山 伸一; 藤井 常幸; 三枝 幹雄; 安納 勝人; 横倉 賢治; 五十嵐 浩一*; 寺門 正之; 木村 晴行; 山本 巧

Fusion Technology 1992,Vol. 1, p.584 - 588, 1993/00

JT-60UICRF加熱装置は、92年1月に運転を開始した。結合特性、インピーダンス整合及びパワーアップに関して計算と比較して報告する。開口面積が旧アンテナの約3倍ある新22ループアンテナはJT-60で加熱効率の良かった(,0)位相加熱に最適化を行って設計され、N=3である。新アンテナにより、セパラトリクス・第1壁距離約10cmと比較的距離大の場合でもne=1~210mのプラズマに対し5程度の十分な結合抵抗が得られた。周波数帰還制御と1スタブ+位相器の新インピーダンス整合系との組み合わせで良好な整合が得られた。初期実験において1.5MW0.5秒(116MHz)の入射を達成した。アンテナでの発生電圧が1kV程度のパワー領域で入反射電力の振動を観測した。これはマルチパクタ放電に起因する電力一定帰還制御の振動と見られるが、400kWレベルまで瞬時にパワーを立ち上げることで、その影響は回避できた。

大電力ジャイロトロンの高性能化に向けた発振調整

澤畠 正之; 下野 貢; 篠崎 信一; 寺門 正之; 五十嵐 浩一; 高橋 正己; 関 正美

no journal, , 

トカマク型装置では、核融合反応を効率よく起こすためにプラズマを数億度の超高温まで加熱し、プラズマに10MA程度の大電流を流すとともに、その径方向分布を制御して、プラズマを安定に保持しなければならない。その方法のひとつに電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を用いた加熱・電流駆動がある。臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、高周波による局所的な加熱・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ため、平成10年度からECH装置を導入してきた。JT-60Uでは、実験の進展によりさらなる大電力が求められ、出力パワーの定格値1MWを超える1.3MW以上で3秒を目指し数個の発振パラメータを調整し、1.5秒の発振を達成した。また、プラズマの長時間維持等を目指した最大65秒間放電において、電流立上げ,電流分布制御,電子加熱に対応するため、ECH装置の長パルス入射も必要とされた。そのため出力パワーを0.5MW/ユニット以下に抑え、装置建設時の定格である5秒間(1MW/ユニット)を大きく上回る、15秒/ユニットの発振調整に成功した。

JT-60U電子サイクロトロン加熱装置の入射性能の進展

藤井 常幸; 関 正美; 森山 伸一; 寺門 正之; 澤畠 正之; 篠崎 信一; 鈴木 貞明; 平内 慎一; 五十嵐 浩一; 下野 貢

no journal, , 

局所的な電子加熱・電流駆動による高性能プラズマの生成,維持のために、JT-60Uでは周波数110GHz,入射パワー3MW(出力1MW,5秒のジャイロトロン4基使用)の世界最大級の電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を開発、導入した。近年のJT-60Uでの実験の進展に伴い、同装置の長パルス入射(目標30秒)を目指している。そのために、ジャイロトロンのパルス幅伸長及びミリ波帯パワー計測に関する技術開発を推進している。パルス幅伸長では、JT-60Uジャイロトロンの特長である3電極電子銃のアノード電圧を変化させて、発振出力を維持させるアノード電圧制御を開発した。アノード電圧(-25kV)をわずかに0.4kV増加させると、パルス幅は10秒から16秒へと伸長した。さらに、アノード電圧を2-3kV変化させると発振停止から再び発振させることにも成功した。その結果、1MW, 15秒の入射を達成した。一方、ミリ波帯パワー計測では、人工ダイヤモンドの極めて高い熱伝導率に着目し、人工ダイヤモンド製真空封止窓の端部温度の上昇からパワーを評価する方法を開発している。