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報告書

ITER準拠制御システムによるジャイロトロン制御システムの開発と運用

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。

論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03

幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。

論文

Analysis of tungsten transport in JT-60U plasmas

清水 友介*; 藤田 隆明*; 有本 英樹*; 仲野 友英; 星野 一生; 林 伸彦

Plasma and Fusion Research (Internet), 10(Sp.2), p.3403062_1 - 3403062_4, 2015/07

In JT-60U, it has been observed that accumulation of tungsten is enhanced with increasing the toroidal rotation in the opposite direction (CTR-rotation) to the plasma current in H-mode plasmas. Two models for convective transport, pinch due to the toroidal rotation (PHZ pinch) and the radial electric field (Er pinch) were proposed. We introduce these two pinch models into integrated transport code TOTAL, and study dependence of the tungsten accumulation on the toroidal rotation. In the high toroidal rotation velocity, we obtained the tungsten accumulation four times as large as in the low one. The model reproduces the trend observed in the experiment.

論文

Advance in integrated modelling towards prediction and control of JT-60SA plasmas

林 伸彦; 本多 充; 白石 淳也; 宮田 良明; 若月 琢馬; 星野 一生; 藤間 光徳; 鈴木 隆博; 浦野 創; 清水 勝宏; et al.

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 39E, p.P5.145_1 - P5.145_4, 2015/06

Towards prediction and control of JT-60SA plasmas, we are developing codes/models which can describe physics/engineering factors, and integrating them to one code TOPICS. Physics modelling: Coupling with MINERVA/RWMaC code showed that MHD equilibrium variation by centrifugal force largely affects RWM stability and the toroidal rotation shear stabilizes RWM. Coupling with OFMC code for NB torques, 3D MHD equilibrium code VMEC and drift-kinetic code FORTEC-3D for NTV torque, and toroidal momentum boundary model, predicted the core rotation of $$sim$$2% of Alfv$'e$n speed for a ITER hydrogen L-mode plasma. Coupling with core impurity transport code IMPACT showed the accumulation of Ar seeded to reduce the divertor heat load is so mild that plasma performance can be recovered by additional heating in JT-60SA steady-state (SS) scenario. Simulations coupled with MARG2D code showed that plasma current can be ramped-up to reach $$beta_N ge$$3 with MHD modes stabilized by ideal wall and with no additional flux consumption of central solenoid in JT-60SA. Engineering modelling: Coupling with integrated real-time controller showed that simultaneous control of $$beta_N$$ and $$V_{loop}$$ is possible at $$beta_N ge$$4 in JT-60SA SS scenarios. MHD equilibrium control simulator MECS demonstrated equilibrium control during heating phase and collapse induced events within power supply capability of PF coils in JT-60SA.

論文

Crystal structure of magnesium dichloride decahydrate determined by X-ray and neutron diffraction under high pressure

小松 一生*; 篠崎 彩子*; 町田 真一*; 松林 拓人*; 渡邉 真央*; 鍵 裕之*; 佐野 亜沙美; 服部 高典

Acta Crystallographica Section B; Structural Science, Crystal Engineering and Materials (Internet), 71(1), p.74 - 80, 2015/02

MgCl$$_{2}$$水和物(MgCl$$_{2}$$10H$$_{2}$$O)とその重水素化物の結晶構造を、放射光X線とパルス中性子回折により初めて決定した。低温下においてまずアモルファス相を生成し、そのアモルファス相から固体-固体相転移により新規MgCl$$_{2}$$水和物を結晶化させることで良質な粉末結晶を得ることに成功した。最近開発された自動指数付けプログラムとcharge-flipping法により、(MgCl$$_{2}$$10H$$_{2}$$O)の結晶構造はMg(H$$_{2}$$O)$$_{6}$$八面体がABCABC...と積層したものであることが明らかになった。他の類似MgCl2水和物と同様に、Clイオンと水分子は八面体のMg$$^{2+}$$イオンとは結合していない。2.5GPaにおいて差フーリエ解析により求められた重水素の位置は、他のMgCl$$_{2}$$水和物とは異なり、2つの酸素と二股状に結合している。

論文

ITER準拠制御システムによるジャイロトロンローカル制御システムの開発

小田 靖久; 大島 克己; 中本 崇志*; 橋本 慰登*; 山本 剛史; 林 一生*; 池田 幸治; 池田 亮介; 梶原 健; 高橋 幸司; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 90(7), p.365 - 373, 2014/07

原子力機構では、ITERのEC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の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、ならびに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170GHz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を行い、大電力RF発振を確認した。

論文

Development of high voltage power supply for the KSTAR 170 GHz ECH and CD system

Jeong, J. H.*; Bae, Y. S.*; Joung, M.*; Kim, H. J.*; Park, S. I.*; Han, W. S.*; Kim, J. S.*; Yang, H. L.*; Kwak, J. G.*; 坂本 慶司; et al.

Fusion Engineering and Design, 88(5), p.380 - 387, 2013/06

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

A 3.6 MW DC power supply system was developed for the 170 GHz EC H&CD system in KSTAR. It consists of a cathode power supply (CPS), an anode power supply (APS) and a body power supply (BPS). The CPS is capable of supplying a voltage of -66 kV and a current of 55 A to the cathode with respect to the collector using pulse step modulation (PSM). The APS is a voltage divider system consisting of a fixed resistor and zener diode units with the capability of 60 kV stand-off voltage. For high frequency current modulation, the parallel discharge switch is introduced between the cathode and anode. The BPS is a DC power supply with 50 kV/160 mA. The series MOS-FET solid-state switch is used for on/off modulation in the body voltage sychronizing with anode voltage. The parallel discharge switch is also introduced between the body and collector for high frequency RF modulation. This paper describes the key features of the high voltage power supply system as well as the test results.

論文

Investigation of advanced divertor magnetic configuration for DEMO tokamak reactor

朝倉 伸幸; 新谷 吉郎*; 飛田 健次; 星野 一生; 清水 勝宏; 宇藤 裕康; 染谷 洋二; 中村 誠; 大野 哲靖*; 小林 政弘*; et al.

Fusion Science and Technology, 63(1T), p.70 - 75, 2013/05

ダイバータの物理設計ではその形状を工夫して非接触プラズマを生成・制御するとともに、平衡コイルの配置と電流値の配分を工夫してダイバータ板への磁力線の連結長を増加する磁場形状の検討が注目され、「先進ダイバータ」と呼ばれている。非常に大きな熱流(500-600MW)の低減が求められる原型炉のダイバータ設計への適応を考察するため、ダイバータ形状や磁場配位を生成する平衡コイルの配置を検討した。プラズマ平衡コードTOSCAを用い、平衡コイルをトロイダルコイルの外側に設置する条件で、先進ダイバータの代表例である「スーパーXダイバータ」及び「雪結晶型ダイバータ」を形成可能なコイル配置及び電流の検討を行った。その結果、平衡コイルをトロイダルコイルの外側においた場合でも、先進ダイバータ磁場配位が可能であることがわかり、その初期結果を報告する。前者の場合はダイバータ板の受熱面積は通常の約3倍に、磁力線長も30%増加可能であるが、ダイバータ配位を形成するコイルには大電流が必要になる。後者では、六重極ヌル点の制御の困難さ、主プラズマ形状への影響、一部の中心ソレノイドに非常に大きな電流が必要であることがわかった。

論文

Investigation of advanced divertor magnetic configuration for Demo tokamak reactor

朝倉 伸幸; 新谷 吉郎*; 飛田 健次; 星野 一生; 清水 勝宏; 宇藤 裕康; 染谷 洋二; 中村 誠; 大野 哲靖*; 小林 政弘*; et al.

Fusion Science and Technology, 63(1T), p.70 - 75, 2013/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:22.62(Nuclear Science & Technology)

近年、ダイバータの物理設計において、平衡コイルの配置と電流値の配分を工夫してダイバータ板への磁力線の連結長を増加する磁場形状の検討が注目され、「先進ダイバータ」と呼ばれている。非常に大きな熱流の低減が求められる原型炉のダイバータ設計への適応を考察するため、ダイバータ形状や磁場配位を生成する平衡コイル(PFC)の配置を検討した。プラズマ平衡コードTOSCAを改善し新たに2つのパラメータを導入することにより、PFCをトロイダルコイル(TFC)の外側に設置する条件で、先進ダイバータの代表例である「スーパーXダイバータ」を形成可能なコイル配置及び電流の検討を行った。その結果、PFCをTFCの外側においた場合でも、先進ダイバータ磁場配位が可能であることがわかり、その初期結果を報告する。ダイバータ板の受熱面積は通常の約2倍程度の増加であるが、磁力線長も40-70%増加可能である。一方、ダイバータ配位を形成するコイルには大電流が必要になる。「雪化粧型ダイバータ」の検討を行い、六重極ヌル点の制御の困難さ、主プラズマ形状への影響、一部の中心ソレノイドに非常に大きな電流が必要であることがわかった。

論文

Full high-power modulation on a 170 GHz 1 MW ITER gyrotron with a triode magnetron injection gun

梶原 健; 坂本 慶司; 小田 靖久; 林 一生*; 高橋 幸司; 春日井 敦

Nuclear Fusion, 53(4), p.043013_1 - 043013_5, 2013/04

 被引用回数:10 パーセンタイル:41.17(Physics, Fluids & Plasmas)

A 5 kHz full power modulation experiment is demonstrated on a 170 GHz gyrotron. 5 kHz high power and beam on/off modulation is achieved by employing a fast short-circuited switch between the anode and the cathode of the triode type electron gun (single anode switch). Lower heat load on the cavity and the collector compared to CW operation realizes more than 1 MW oscillation with 1 MW designed gyrotron. The maximum achieved power is 1.16 MW with electrical efficiency of 48%. In the high efficiency operation, an unwanted mode oscillation is observed at the start-up phase of each pulse, which is induced by slow voltage rise time of the anode. For faster rise up of the anode voltage, another fast switch is inserted between an anode voltage divider and the anode electrode (double anode switch). In the experiment, it is shown that the successful fast start up of the anode voltage and the minimized unwanted mode generation.

論文

Simulation study of L/H transition with self-consistent integrated modelling of core and SOL/divertor transport

矢木 雅敏; 清水 勝宏; 滝塚 知典; 本多 充; 林 伸彦; 星野 一生; 福山 淳*

Contributions to Plasma Physics, 52(5-6), p.372 - 378, 2012/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:74.44(Physics, Fluids & Plasmas)

We have developed a self-consistent integrated modelling of core and SOL/divertor transport. Thereby it enables us to investigate operation scenarios to be compatible with high confinement core plasma and detached divertor plasmas. A 1.5D core code TOPICS-IB and a 2D divertor code SONIC were coupled successively with a Multiple Program Multiple Data parallel computing system. For an integrated code including Monte-Carlo calculations, this system makes it possible to perform efficient simulations. The dynamic simulation for the L/H transition in JT-60SA is carried out by this integrated code with a CDBM transport model including the E$$times$$B shearing effect. Impacts of SOL/divertor transport on the L/H transition is studied.

論文

Investigation of hydrogen sites of wadsleyite; A Neutron diffraction study

佐野 亜沙美; 栗林 貴弘*; 小松 一生*; 八木 健彦*; 大谷 栄治*

Physics of the Earth and Planetary Interiors, 189(1-2), p.56 - 62, 2011/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:46.11(Geochemistry & Geophysics)

Mg端成分の重水素化したワズレアイトについて、中性子散乱実験を行い水素位置の精密化を行った。結晶構造のモデルに、単結晶X線散乱実験により求められた水素を含まない構造を用いて予備的な解析を行ったところ、差フーリエマップにはM3サイトの稜、O1とO4の間に核密度分布の最大の残差が見られた。重水素の初期位置をこの残差の位置として、リートベルト解析を行ったところ、重水素の位置は(0.096, 0.289, 0.315)、占有率は8.2%と精密化された。本研究により決定された水素位置から、ワズレアイトが水を含んだ場合、原子拡散について異方的な影響を持つことが示唆された。

論文

Integrated modeling of whole tokamak plasma

林 伸彦; 本多 充; 星野 一生; 濱松 清隆; 清水 勝宏; 滝塚 知典; 小関 隆久; 福山 淳*

Plasma and Fusion Research (Internet), 6(Sp.1), p.2403065_1 - 2403065_8, 2011/08

Development and integration of models for the whole tokamak plasma have progressed on the basis of experimental analyses and first principle simulations. Integrated models of core, edge-pedestal and scrape-off-layer (SOL)-divertor clarified complex and autonomous features of reactor relevant plasmas. The integrated core plasma model including an anomalous transport of alpha particles by Alfv$'e$n eigenmodes is developed in the core transport code TOPICS-IB and indicates the degradation of fusion performance. The integrated rotation model is developed in the advanced transport code TASK/TX and clarifies the mechanism of alpha particle-driven toroidal flow. The transport model of high-Z impurities is developed and predicts large inward pinch in a plasma rotating in the direction counter to the plasma current. TOPICS-IB is extended to include the edge-pedestal model by integrating with the stability code, simple SOL-divertor and pellet models, and clarifies the mechanism of pellet triggered ELM. The integrated SOL-divertor code SONIC is further integrated with TOPICS-IB and enables to study and design operation scenarios compatible with both the high confinement in the core and the low heat load on divertor plates.

論文

Self-consistent integrated modelling of core and SOL/divertor transports and simulation study on transient behavior of heat load on divertor targets

清水 勝宏; 滝塚 知典; 星野 一生; 本多 充; 林 伸彦; 高山 有道*; 福山 淳*; 矢木 雅敏*

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/03

コア輸送とスクレイプオフ層/ダイバータでの輸送の統合モデリングを開発した。これによって、高閉じ込めコアプラズマと非接触プラズマが両立する放電シナリオについて研究することが可能となった。1.5次元コア輸送コード(TOPICS-IBとTASK)と2次元ダイバータコード(SONIC)を統合化するため、新しいMPMD並列計算システムを導入した。モンテカルロ計算を含んだ統合コードに対して、本システムは効率的なシミュレーションの実行が可能である。この統合コード(TOPICS-IB/SONIC)を用いたシミュレーション解析により、JT-60SA装置のHモード遷移に伴うダイバータの熱負荷特性を明らかにした。ELM崩壊後のダイバータ特性の過渡的挙動についても調べた。

論文

A Cubic-anvil high-pressure device for pulsed neutron powder diffraction

阿部 淳; 荒川 雅*; 服部 高典; 有馬 寛; 鍵 裕之; 小松 一生*; 佐野 亜沙美; 上床 美也*; 松林 和幸*; Harjo, S.; et al.

Review of Scientific Instruments, 81(4), p.043910_1 - 043910_5, 2010/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:64.73(Instruments & Instrumentation)

キュービックアンビルセルを中性子回折実験用に小型化し、J-PARC/MLFの工学材料回折装置「匠」で高圧下での粉末回折測定を行った。アンビル材,圧媒体の開発やバックグラウンドと試料以外からの高圧装置部品に由来する回折ピーク強度を減少させ、高圧下における試料からのきれいな回折パターンを測定することに成功した。本研究結果は、キュービックタイプの高圧実験装置とJ-PARCのパルス中性子源の組合せが、高圧下における物性研究の有力な手段になることを示している。

論文

Integrated modeling for control of advanced tokamak plasma

小関 隆久; 林 伸彦; 本多 充; 相羽 信行; 濱松 清隆; 清水 勝宏; 川島 寿人; 星野 一生; 滝塚 知典; 徳田 伸二

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.8, p.1138 - 1142, 2009/09

Integrated modeling on areas of plasma core, edge-pedestal and scrape-off-layer (SOL)-divertor progressed based on the researches in JT-60U experiments. In the core plasma, an anomalous transport model of fast particles due to the Alfv$'e$n eigenmode is proposed, and a new one-dimensional core transport code, which can describe the radial electric field and plasma rotations, self-consistently, is developed. The integrated code TOPICS-IB is improved in the edge pedestal region, and effects of the pressure profile inside the pedestal and the collisionality dependence on the ELM energy loss are clarified. The impurity Monte Carlo code is incorporated to the integrated divertor code SONIC. Simulation of impurity behavior at X-point MARFE successfully produced the complete detached plasma, where a part of sputtered carbon penetrates into the main plasma and contributes to the enhanced radiation near the X-point.

論文

Progress of high power 170 GHz gyrotron in JAEA

坂本 慶司; 春日井 敦; 梶原 健; 高橋 幸司; 小田 靖久; 林 一生; 小林 則幸*

Nuclear Fusion, 49(9), p.095019_1 - 095019_6, 2009/09

原子力機構における大電力ジャイロトロン開発の成果を発表するものである。ジャイロトロンは3極電子銃を有しており、円筒型空胴共振器で170GHz, TE$$_{31,8}$$モードを発振する。また、ダイヤモンド出力窓,電圧降下型コレクターを有することを特徴とする。ITERの基本要求性能を満たした後、3年間の運転で約200ギガジュールのエネルギーを出力した。この結果に基づき、1MW以上の出力を目指した発振モードTE$$_{31,12}$$のジャイロトロンを設計製作した。これと平行して、ITERプラズマにおける新古典論テアリングモード抑制のための出力変調の可能性,2周波数ジャイロトロン,高速周波数制御の可能性を明らかにした。

論文

Progress of high power 170 GHz gyrotron in JAEA

坂本 慶司; 春日井 敦; 梶原 健; 高橋 幸司; 小田 靖久; 林 一生; 小林 則幸*

Nuclear Fusion, 49(9), p.095019_1 - 095019_6, 2009/09

 被引用回数:54 パーセンタイル:6.85(Physics, Fluids & Plasmas)

Recent progress on the high power gyrotron development in JAEA is presented. The gyrotron is featured to have a triode type magnetron injection gun, a cylindrical resonator working at 170 GHz with TE31,8 mode, a water-cooled diamond window and a depressed collector. After the demonstration of ITER basic performance, the gyrotron has been operated for 3 years, and recorded 200 GJ of total output energy. In the next, a gyrotron which oscillates at higher order resonator mode, TE31,12, is designed and fabricated to study the long pulse oscillation at greater than 1 MW. In parallel, feasibility studies of a CW-power modulation for NTM (Neo classical Tearing Mode) stabilization, a dual frequency gyrotron and a rapid frequency control are carried out. It is shown that these gyrotrons will be available with present technologies.

論文

Numerical analysis of incident angle of heavy metal impurity to plasma facing components by IMPGYRO

星野 一生; 藤間 光徳*; 古林 真彦*; 畑山 明聖*; 井内 健介*; 大宅 薫*

Journal of Nuclear Materials, 390-391, p.168 - 171, 2009/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:69.9(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合炉のプラズマ対向壁材料にタングステンを用いた場合、タングステン不純物の炉心混入と放射損失が問題となる。不純物の炉心混入量を予測評価するためには、自己スパッタリング率と反射率の評価が重要である。これらは、不純物粒子の固体壁への入射角に強く依存することが知られている。そこで、モンテカルロ不純物輸送コードIMPGYROを用いて、JT-60Uの接触及び非接触プラズマ分布を用いたタングステン不純物の輸送解析を行い、ダイバータ板への入射角度分布を調べた。その結果、入射粒子の価数に対応した幾つかのピークを持つ入射角度分布が得られた。これは、シース電場による壁垂直方向への加速が、入射粒子の価数に依存するためである。また、自己スパッタリング率及び反射率に対するシースの影響を調べた。接触プラズマ状態では、おもに、シース電場により入射角が変化したことに起因して、シース電場を考慮しない場合に比べて自己スパッタリング率が増大した。一方、非接触プラズマ状態では、反射が支配的であり、シース電場の影響はほとんどみられなかった。

論文

Neutron powder diffraction under high pressure at J-PARC

内海 渉; 鍵 裕之*; 小松 一生*; 有馬 寛*; 永井 隆哉*; 奥地 拓生*; 神山 崇*; 上床 美也*; 松林 和幸*; 八木 健彦*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.50 - 52, 2009/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:37.67(Instruments & Instrumentation)

高圧をかけると多くの物質がその性質を大きく変える。高圧下の回折実験はそれらの現象を理解するうえで最も基本的な構造に関する情報を与える。J-PARCにおいて高圧下でのその場中性子回折実験が可能になれば、水素を含んだ結晶や軽元素液体などの高圧下での構造に関する優れた研究成果が得られると期待されている。現在検討中の中性子光学系や高圧発生装置について紹介する。

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