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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

One-dimensional analysis of ECRH-assisted plasma start-up in JT-60SA

羽田 和慶*; 長崎 百伸*; 増田 開*; 小林 進二*; 井手 俊介; 諫山 明彦; 梶原 健

Fusion Science and Technology, 67(4), p.693 - 704, 2015/05

 被引用回数:4 パーセンタイル:41.66(Nuclear Science & Technology)

一般に、超伝導トカマクは常伝導トカマクに比べ印加可能なループ電圧が低いため、第一壁の状況によってはプラズマ着火が困難になる可能性がある。超伝導トカマクJT-60SAにおいても同様の状況であることから、プラズマ着火が行える条件を明らかにする必要がある。以前、著者らは、電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)によるプラズマ着火に関する0次元モデルによる解析を行った。今回、ECRHパワーの吸収効率や、小半径方向の分布を考慮に入れた1次元モデルを開発した。このモデルの解析では電子および水素原子密度、電子およびイオン温度、プラズマ電流の時間発展に関する拡散型の連立偏微分方程式を解いている。解析の結果、初期中性粒子密度が3.0$$times$$10$$^{18}$$m$$^{-3}$$、誤差磁場が1mT、炭素・酸素不純物密度が電子密度に対してそれぞれ0.1%のとき、着火に必要なECRHパワーはおよそ1MW程度であり、JT-60SAの運転初期に装備されるECRHパワーの範囲内であることがわかった。また、着火に必要なECRHパワーは初期中性水素密度の0.6乗、誤差磁場強度の1乗で増加するという結果が得られ、中性水素密度や誤差磁場を低減することが重要であることがわかった。

論文

Development of ITER equatorial EC launcher components toward the final design

高橋 幸司; 梶原 健; 小田 靖久; 坂本 慶司; 大森 俊道*; Henderson, M.*

Fusion Science and Technology, 67(4), p.718 - 731, 2015/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:65.45(Nuclear Science & Technology)

ITER ECランチャーの開発において、ランチャーの機能、信頼性向上を目的とした改良設計やプロトタイプ試験を行ってきた。改良設計では、中性子遮蔽性を高めるべく、ランチャー前方に遮蔽構造物を追加するため、ミリ波伝送部における固定ミラーの位置を後方へずらしつつ、マイクロ波伝送性を保つ設計改良を行った。その設計に基づくマイクロ波伝送部のモックアップを製作し、大電力伝送実験を行った。所定の角度可変範囲(20$$^{circ}$$$$sim$$40$$^{circ}$$)において設計通りのマイクロ波伝送を実証すると共に、散乱マイクロ波によりビームダクト内壁の温度上昇を観測し、散乱マイクロ波に対するビームダクトの冷却性能の必要性を明らかにした。また、ブランケットやポートプラグについて、主に、製作性と冷却水の流力特性を評価するためのモックッアップを製作した。ブランケットやポートプラグの製作で想定しているHIPや溶接施工性などにおける大きな技術課題は無く、また、冷却設計においては、設計要求通りの圧力損失内で必要な流量が確保できることを実験的に明らかにした。

論文

Spin-electricity conversion induced by spin injection into topological insulators

塩見 雄毅*; 野村 健太郎*; 梶原 瑛祐*; 江藤 数馬*; Novak, M.*; 瀬川 耕司*; 安藤 陽一*; 齊藤 英治

Physical Review Letters, 113(19), p.196601_1 - 196601_5, 2014/11

 被引用回数:147 パーセンタイル:0.78(Physics, Multidisciplinary)

We report successful spin injection into the surface states of topological insulators by using a spin pumping technique. By measuring the voltage that shows up across the samples as a result of spin pumping, we demonstrate that a spin-electricity conversion effect takes place in the surface states of bulk-insulating topological insulators Bi$$_{1.5}$$Sb$$_{0.5}$$Te$$_{1.7}$$Se$$_{1.3}$$ and Sn-doped Bi$$_{2}$$Te$$_{2}$$Se. In this process, the injected spins are converted into a charge current along the Hall direction due to the spin-momentum locking on the surface state.

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

Optimization of millimeter wave system in ITER equatorial EC H&CD launcher

梶原 健; 高橋 幸司; 小田 靖久; 小林 則幸*; 坂本 慶司

Fusion Engineering and Design, 89(1), p.6 - 10, 2014/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:84.94(Nuclear Science & Technology)

A high power (20 MW) and CW millimeter wave (mm-wave) injection is planned for Electron Cyclotron Heating and Current Drive (EC H&CD) in ITER. An optimization of the mm-wave system for the ITER EC H&CD Equatorial Launcher (EL) is performed. The optimization of the system is aimed to obtain the maximum transmission efficiency on the condition that 1.8 MW injection per waveguide, 20 cm in beam radius at the resonance layer and narrow opening of the Blanket Shielding Module (BSM). The transmission efficiency of 99.1% from the end of the waveguide inside the launcher to the output of the BSM is achieved. The mm-wave propagation with high order modes is also calculated by using an experimentally obtained high power mm-wave beam pattern that includes 95%HE11, 0.6%LP11, 0.2%LP02 and 4.2% other higher order modes. The analysis predicts the 1-2% additional loss will be induced by the high order modes.

論文

Spin-wave spin current in magnetic insulators

内田 健一*; 安立 裕人; 梶原 瑛祐*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Solid State Physics, 64; Recent Advances in Magnetic Insulators; From Spintronics to Microwave Applications, p.1 - 27, 2013/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:85.26(Physics, Condensed Matter)

A spin wave is a collective motion of magnetic moment in magnetically ordered materials. Although spin waves have been known and investigated for many years, resent research has revealed that the spin wave plays an important role in spintronics as a carrier of spin current, i.e., a flow of spin angular momentum. Such a spin-wave spin current is available in magnetic insulators even in the absence of conduction electrons, thus opens a new route for investigating spintronic phenomena in magnetic insulators. In this article we review recent progress in insulator spintronics.

論文

Spin mixing conductance at a well-controlled platinum/yttrium iron garnet interface

Qiu, Z.*; 安藤 和也*; 内田 健一*; 梶原 瑛祐*; 高橋 遼*; 中山 裕康*; 安 東秀*; 藤川 安仁*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 103(9), p.092404_1 - 092404_4, 2013/08

 被引用回数:63 パーセンタイル:4.75(Physics, Applied)

白金(Pt)/イットリウム鉄ガーネット(YIG)界面を高い精度で制御することに成功し、そのPt/YIG界面におけるスピンミキシングコンダクタンスを研究した。高い結晶性をもつ明瞭な界面が、ミキシングコンダクタンスの最大値を得るためには重要な要素であることを実験的に示した。そのスピンミキシングコンダクタンスはよく制御されたPt/YIG界面において、理論的予想最大値と近い、1.3$$times$$10$$^{18}$$m$$^{-2}$$という値が得られた。

論文

Spin-relaxation modulation and spin-pumping control by transverse spin-wave spin current in Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$

梶原 瑛祐*; 内田 健一*; 菊池 大介*; 安 東秀*; 藤川 安仁*; 齊藤 英治

Applied Physics Letters, 103(5), p.052404_1 - 052404_4, 2013/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:66.36(Physics, Applied)

Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$薄膜面内の温度勾配中における熱流によるスピン緩和の変調について調べた。温度勾配の方向によってY$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$薄膜の強磁性共鳴の線幅、つまりスピン緩和、は増減すること、また、この変調はY$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$薄膜中の熱的に誘起された横スピン波によって生じるスピン移行トルクを原因とすることを明らかにした。それらの実験結果は、Y$$_3$$Fe$$_5$$O$$_{12}$$に蒸着されたPt薄膜中におけるスピンポンプによって生じるスピン流の大きさはGilbert緩和定数の二乗に反比例し、現象論的なスピンポンプ模型と矛盾しないことを示している。

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

Unidirectional spin-wave heat conveyer

安 東秀*; Vasyuchka, V. I.*; 内田 健一*; Chumak, A. V.*; 山口 和也*; 針井 一哉; 大江 純一郎*; Jungfleisch, M. B.*; 梶原 瑛祐*; 安立 裕人; et al.

Nature Materials, 12(6), p.549 - 553, 2013/06

 被引用回数:69 パーセンタイル:4.08(Chemistry, Physical)

In this paper, we show a magnetically controllable heat flow caused by a spin-wave current. The direction of the flow can be switched by applying a magnetic field. When microwave energy is applied to a region of ferrimagnetic Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$, an end of the magnet far from this region is found to be heated in a controlled manner and a negative temperature gradient towards it is formed. This is due to unidirectional energy transfer by the excitation of spin-wave modes without time-reversal symmetry and to the conversion of spin waves into heat. The magnetically controlled remote heating we observe is directly applicable to the fabrication of a heat-flow controller.

論文

Dual frequency ECRF system development for JT-60SA

小林 貴之; 諫山 明彦; 澤畠 正之; 鈴木 貞明; 寺門 正之; 平内 慎一; 和田 健次; 佐藤 福克; 日向 淳; 横倉 賢治; et al.

Fusion Science and Technology, 63(1T), p.160 - 163, 2013/05

 被引用回数:6 パーセンタイル:39(Nuclear Science & Technology)

JT-60SAに向けて、110GHzの電子サイクロトロン波加熱装置(ECRF装置)に、135$$sim$$140GHz帯の第2周波数を加えた2周波数化開発を進めている。特に、2周波数ECRF装置の重要機器である2周波数ジャイロトロンの開発を行った。JT-60SA用の第2周波数は上記周波数帯の中で、ジャイロトロン設計の観点から138GHzとした。110GHzと138GHzの2周波数で、1MW以上の長時間出力が可能なジャイロトロンを実現するため、ジャイロトロンの主要部位であるダイヤモンド窓,空胴共振器,準光学モード変換器の設計を行った。離散的な特性を持つ各機器のパラメータ群の中から最適な条件を見つけ、その条件で設計を行った結果、両方の周波数について、1MW以上の長時間出力が可能な設計結果が得られた。上記設計に基づき、新規ジャイロトロンを製作し、初期的な試験を行った結果、ほぼ期待通りの出力が得られ、設計に大きな問題がないことを確認した。

論文

Nuclear analysis of ITER equatorial EC launcher

高橋 幸司; 飯田 浩正*; 小林 則幸*; 梶原 健; 坂本 慶司; 大森 俊道*; Henderson, M.*

Fusion Science and Technology, 63(1T), p.156 - 159, 2013/05

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

ITER水平ポートECランチャーの要素機器における核発熱や中性子負荷、後方部におけるハンズオンメインテナンスの可能性などを評価するための核解析を行っている。モンテカルロ粒子シミュレーションコードを用いて、プラズマからランチャー周りの空間への中性子漏洩を計算した。その結果、ランチャーポートプラグと真空容器のポートとの細いギャップや、ポート壁を介して漏洩する中性子がランチャー後方での中性子フラックスに影響することが判明したものの、停止後線量率は、設計許容値である100$$mu$$Sv/hレベル程度になることがわかった。

論文

Design and operation of TE$$_{31,12}$$ high power gyrotron

梶原 健; 小田 靖久; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司

Fusion Science and Technology, 63(1T), p.35 - 39, 2013/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:72.3(Nuclear Science & Technology)

A high power gyrotron is designed and tested. The design is based on the TE$$_{31,8}$$ 1 MW gyrotron. The higher power design is realized by choosing TE$$_{31,12}$$ higher order oscillation mode, because the larger n (= 12) number gives lower loss on the cavity wall, which allows more than 1 MW oscillation. Since, the beam radius at cavity is same for TE$$_{31,8}$$ and TE$$_{31,12}$$, the electron gun, beam tunnel and collector can be same as TE$$_{31,8}$$ gyrotron. The cavity, mode converter and internal mirrors are optimized for TE$$_{31,12}$$ oscillation. An initial test of the TE$$_{31,12}$$ high power gyrotron is performed in JAEA test stand. It is successfully achieved stable 1 MW operation (1030 kW/2s). The longest shot is 550 kW/198s.

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:40.43(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

Longitudinal spin Seebeck effect in various garnet ferrites

内田 健一*; 野中 挙海*; 吉川 貴史*; 梶原 瑛祐*; 齊藤 英治

Physical Review B, 87(10), p.104412_1 - 104412_6, 2013/03

 被引用回数:63 パーセンタイル:4.28(Materials Science, Multidisciplinary)

種々のガーネットフェライトY$$_{3-x}$$$$R$$$$_{x}$$Fe$$_{5-y}$$$$M$$$$_{y}$$O$$_{12}$$($$R$$=Gd, Ca; $$M$$=Al, Mn, V, In, Zr)の縦スピンゼーベック効果(LSSE)をPt中の逆スピンホール効果を用いて調べた。Pt/Y$$_{3-x}$$$$R$$$$_{x}$$Fe$$_{5-y}$$$$M$$$$_{y}$$O$$_{12}$$試料中のLSSE電圧はガーネットフェライト中のFeの濃度を上げると増大することが分かった。これは、Pt/Y$$_{3-x}$$$$R$$$$_{x}$$Fe$$_{5-y}$$$$M$$$$_{y}$$O$$_{12}$$界面でのスピンミキシングコンダクタンスの変化で説明できる。また、我々はLSSE電圧とY$$_{3-x}$$$$R$$$$_{x}$$Fe$$_{5-y}$$$$M$$$$_{y}$$O$$_{12}$$の局所的な磁性パラメーターとの相関についても調べた。この実験結果はPt/Y$$_{3-x}$$$$R$$$$_{x}$$Fe$$_{5-y}$$$$M$$$$_{y}$$O$$_{12}$$試料中のLSSE電圧はキュリー温度および飽和磁化に正の相関があるが、磁気回転比とギルバートダンピング定数との有意な相関は無いことを示している。

論文

Development of ITER equatorial EC launcher

高橋 幸司; 梶原 健; 小田 靖久; 小林 則幸*; 坂本 慶司; 大森 俊道*; Henderson, M.*

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2013/03

プラズマ電流の方向に対し順/逆・両方向に20$$sim$$40$$^{circ}$$のトロイダル入射角度可変で20MWのミリ波パワー入射を可能とし、さらに、耐熱性,耐電磁力,中性子遮蔽性能が要求されるこれまでに例のない大規模のITER用ECランチャーの設計やその要素機器開発を進めた。3ユニット存在するミリ波伝送部の設計では、導波管伝送機器と空間伝送を組合せた構造とすることで低コスト化を図った。可動入射ミラーの最大熱負荷及び空間伝送領域の伝送効率は、それぞれ2.1MW/m$$^{2}$$、98.4$$sim$$99%となり、熱負荷低減効果は1/3程度、伝送効率の影響は1%以下とすることに成功した。遮蔽ブランケットの設計も進め、製作性や耐熱性,電磁力低減などを考慮した設計を確立した。それらの設計を保証するための熱・構造解析や電磁力解析、冷却水の流動解析など実施し、ECランチャー全体の基本設計を確立した。その設計に基づき、ECランチャーモックアップなどの製作を進め、設計の整合性を確認するための大電力伝送実験を実施し、設計通りのミリ波ビーム放射を確認し、現設計の有効性を実証した。また、実機相当の真空窓モックアップや可動ミラー駆動機構の性能評価試験も実施し、ITERの運転で使用できる見通しを得た。

論文

Heat-induced damping modification in yttrium iron garnet/platinum hetero-structures

Jungfleisch, M. B.*; 安 東秀*; 安藤 和也*; 梶原 瑛祐*; 内田 健一*; Vasyuchka, V. I.*; Chumak, A. V.*; Serga, A. A.*; 齊藤 英治; Hillebrands, B.*

Applied Physics Letters, 102(6), p.062417_1 - 062417_4, 2013/02

 被引用回数:37 パーセンタイル:9.7(Physics, Applied)

We experimentally demonstrate the manipulation of magnetization relaxation utilizing a temperature difference across the thickness of an yttrium iron garnet/platinum hetero-structure: the damping is either increased or decreased depending on the sign of the temperature gradient. This effect might be explained by a thermally induced spin torque on the magnetization precession. The heat-induced variation of the damping is detected by microwave techniques as well as by a DC voltage caused by spin pumping into the adjacent Pt layer and the subsequent conversion into a charge current by the inverse spin Hall effect.

論文

High power millimeter wave experiment of torus diamond window prototype for ITER EC H&CD system

高橋 幸司; 梶原 健; 小田 靖久; 坂本 慶司; 大森 俊道*; Henderson, M.*

Fusion Engineering and Design, 88(2), p.85 - 93, 2013/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:39(Nuclear Science & Technology)

ITER電子サイクロトロン波加熱電流駆動システム用トーラスダイアモンド窓において、高い信頼性を有し、かつ、製作性を考慮した設計を確立した。その設計に基づき、ダイアモンド窓プロトタイプを製作し、ミリ波伝送性能を調べるための大電力実験を行った。740kW-100秒の伝送を実証した。窓のダメージや顕著な温度上昇も見られず、また、窓の冷却水温度は飽和し、その結果から誘電損失を表すロスタンジェントが7.8$$times$$10$$^{-6}$$と評価された。この結果は、これまで原子力機構で得られたなかでの最低値であり、このような低誘電損失性能を有するダイアモンド窓により1MW以上の伝送の実現可能性が期待できる。

論文

High efficiency coupling of radio frequency beams from the dual frequency gyrotron with a corrugated waveguide transmission system

小田 靖久; 梶原 健; 高橋 幸司; 満仲 義加*; 坂本 慶司

Review of Scientific Instruments, 84(1), p.013501_1 - 013501_6, 2013/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:66.06(Instruments & Instrumentation)

High efficiency coupling of the millimeter-wave output of the dual-frequency gyrotron with the transmission line was demonstrated. The dual-frequency gyrotron was design to produce similar beam profiles for two operation frequencies (170 GHz and 137 GHz). Using two RF beam reflecting mirrors in a matching optics unit (MOU), which are designed to transform the beam profile of the gyrotron output to the fundamental waveguide mode (HE$$_{11}$$ mode) at 170 GHz, high efficiency coupling was demonstrated for two frequencies. The measured mode purity of HE$$_{11}$$ mode was 96% at 170 GHz and 94% at 137 GHz operations with the identical mirrors at the fixed mirror position and angle. The results indicate that the significantly simple dual frequency system is realized by the gyrotron designed to output the similar beam profiles at different frequency operation.

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