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。

Gyrotron development for high-power, long-pulse electron cyclotron heating and current drive at two frequencies in JT-60SA and its extension toward operation at three frequencies

小林 貴之; 森山 伸一; 横倉 賢治; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 和田 健次; 佐藤 福克; 日向 淳; 星野 克道; et al.

Nuclear Fusion, 55(6), p.063008_1 - 063008_8, 2015/06

https://doi.org/10.1088/0029-5515/55/6/063008

JT-60SAにおける電子サイクロトロン加熱電流駆動(ECH/CD)のため、高出力、長パルス発振を110GHzと138GHzの両方で実現するジャイロトロンを開発した。2周波数で運転可能なジャイロトロンとして、世界で初めて、1MW、100秒間の発振を両周波数で実証した。三極型電子銃を用いてアノード電圧又は電子のピッチファクターの最適化することが、2周波数で高出力と高効率を得るために重要であった。また、本ジャイロトロン内部での損失は、今後の1.5MW以上での発振を想定した場合でも十分に小さいと予測される結果が得られた。さらに、上記2周波数はJT-60SAにおいては第二高調波として入射されるが、基本波として使用可能な82GHzでの発振についても、0.4MWで2秒まで実証した。これらのジャイロトロン開発の成果により、JT-60SAにおけるECH/CD装置の適用可能領域の大幅な拡張に寄与することが期待される。

Development of 170 GHz / 1 MW Gyrotron system for ITER in JAEA

池田 亮介; 梶原 健; 小田 靖久; 高橋 幸司; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司

no journal, , 

TEモードによるジャイロトロンは、170GHzのみならず137GHzや104GHzの発振においても、ダイヤモンド窓をほぼ無反射で透過し、かつミラーの向きを変えることなしに同一方向にビームを放射することが可能な多周波数発振管の特徴を有する。5秒以下の短パルス発振試験では、170GHz/137GHz/104GHzにおける発振出力/発振効率/電力効率が各々1.2MW/27%/43%、810kW/25%/40%、720kW/25%/38%を得た。長パルス試験では170GHzにて発振出力870kW、最大100秒までの発振を実現した。35mの長距離伝送試験では、HEモード純度測定を行い、MOU出口において170GHz: 94.5%, 137GHz: 93%, 104GHz: 92%に対して、伝送端にて各々91%, 88%, 95%が得られ、HEモード純度の低損失伝送を実現した。

High power and long pulse experiments of ITER gyrotron

池田 亮介; 小田 靖久; 梶原 健; 高橋 幸司; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司

no journal, , 

ITERに向けて長パルスジャイロトロンの開発を行っている。現在までに、TE31,11モードのジャイロトロンにて、2秒発振にて1.2MW、0.51MWにて1000秒発振を達成した。また、40mの電力伝送試験では伝送効率91%を実現した。また、TE31,9モードのジャイロトロンの試験も開始している。1msの短パルス発振試験にて、発振効率33%で1MW出力を実現した。さらに、エネルギー回収電圧を印加することで、10秒発振にて出力0.61MW、電力総合効率51%を実現した。

JT-60SA電子サイクロトロン加熱装置に向けた技術開発の進展

森山 伸一; 小林 貴之; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 和田 健次; 日向 淳; 佐藤 福克; 横倉 賢治; 星野 克道; et al.

no journal, , 

JT-60SAに用いるECH装置として、1MWジャイロトロン9基、入射パワー7MW、ランチャー4基のシステムを設計するとともに、必要な技術開発を進めている。高ベータシナリオで想定されるトロイダル磁場1.7Tに加え、定格トロイダル磁場2.25Tにおいてコア領域でのECH/ECCDをも可能にする、110/138GHzの2周波数ジャイロトロンを設計製作し、両周波数で1MW 100秒の出力を確認、開発目標を達成した。一方、高信頼の水冷却が可能な直線駆動式ランチャーのモックアップを製作、広範囲ポロイダル/トロイダルビーム駆動の見通しを得た。2周波数対応の偏波器など共同研究の形で進めているものも含め、伝送機器開発も順調に進捗している。

Study of sub-terahertz high power gyrotron for ECH&CD system of DEMO

坂本 慶司; 假家 強*; 小田 靖久; 南 龍太郎*; 池田 亮介; 梶原 健; 小林 貴之; 高橋 幸司; 森山 伸一; 今井 剛*

no journal, , 

For the Electron cyclotron resonance heating and current drive (ECH&CD) system on fusion DEMO reactor, the high power mm-wave of 200 GHz 300 GHz is expected. To increase the gyrotron frequency, extremely high-order oscillation mode should be adopted to suppress the Ohmic loss on the resonator wall less than ~20 MW/m. Here, we designed and fabricated a 300 GHz gyrotron of TE32,18 mode oscillation and started a short pulse experiment to investigate the oscillation characteristics of the high order mode at ~300 GHz. As a preliminary result, we demonstrated the power generation of ~0.5 MW at ~300 GHz oscillation at the oscillation mode of TE32,18, and other modes. A height of the test gyrotron is ~2 m. The electron gun is diode type magnetron injection gun (MIG), to maximize the diameter of an electron emitter (d = 74 mm). The resonator is a conventional open cavity. The diameter is 31.6 mm, which corresponds to the 300 GHz oscillation with TE32,18 mode. This mode is capable of 0.5 MW/300 GHz at CW operation. The distance from the emitter to the resonator is ~520 mm. The oscillation power is transmitted by the collector as a waveguide, and outputted as the oscillation mode through the sapphire window of 102 mm in diameter. A super-conducting magnet (SCM) is a 13 T liquid-He-free-magnet, which has a room temperature bore diameter of 110 mm. A dummy load is put on the top of the gyrotron to absorb and measure the output power. In the experiment, we demonstrated the power generation of ~0.5 MW at ~300 GHz oscillation at the TE32,12 mode. The applied beam voltage is 80 kV, and the beam current is 36.8 A. Pulse duration is ~2 msec. A MIG field is optimized to oscillate the target mode. The power peak was around 12.0 T, which corresponds to the TE32,18 mode. By decreasing the magnetic field to ~11.73 T, lower adjacent mode TE31,18 appeared. Detailed studies of the mode competition, etc., will be carried out.

アルヴェン固有モード減衰機構における運動論的効果

松永 剛; 東井 和夫*; 池田 亮介*; 竹内 正樹*; 武智 学; 中島 徳嘉*; 福山 淳*

no journal, , 

高エネルギー粒子によって不安定化されるアルヴェン固有モード(AE)は、高エネルギー粒子自身の損失を引き起こし、自己点火を困難にする可能性がある。そこでAEの減衰機構の解明を目的に、核融合科学研究所のCHS装置で、プラズマに磁場摂動を与えその応答から減衰率を評価する手法を開発し計測を行った。さまざまな電子温度及び密度で計測を行い、電子熱速度がアルヴェン速度を超えると減衰率が急激に大きくなることを観測した。これは電子の運動論的効果によるものであると考えられる。実験結果及び理論モデルとの比較の詳細を報告する。

ITER EC電流駆動系制御システムのプロトタイプ開発

小田 靖久; 大島 克己; 池田 亮介; 梶原 健; 高橋 幸司

no journal, , 

ITERにおけるEC加熱電流駆動システムにおいては、異なる極で開発された調達機器を現地で統合して運用するため、機器の間のインターフェースの策定が急務となっている。原子力機構では、大電力ジャイロトロン試験装置に加え、大電力ミリ波伝送系、水平ポートランチャーというECシステムを構成する主要な機器の試験設備を有しており、これらの機器を用いて、統合制御システムの検証行うべくプロトタイプ開発を進めている。本発表では、プロトタイプ制御システムのアーキテクチャー設計について報告を行う。

Development of EC system components for steady state plasma operation

小田 靖久; 池田 亮介; 高橋 幸司; 梶原 健; 坂本 慶司; Gandini, F.*; Darbos, C.*; Purohit, D.*; Henderson, M.*

no journal, , 

For steady state plasma operation, EC H&CD system components, such as transmission line (TL), are required to be compliant with high power CW operation. One of issues of EC H&CD TL for steady state operation is the deformation of TL system due to thermal load by high power operation. The controllability of TL components during RF operation is another issue for steady state operation. In JAEA, ITER relevant TL was examined for long pulse operation up to 1,000 sec using a 170 GHz high power gyrotron.

Status of procurement of ITER JA gyrotron and final design of its operation system

小田 靖久; 池田 亮介; 大島 克己; 林 一生*; 高橋 幸司; 梶原 健; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司; Darbos, C.*; et al.

no journal, , 

The procurement arrangement (PA) of ITER JA gyrotron was signed in 2013 September. This PA includes 8 sets of gyrotron and its operation system to ITER site. Since start of PA, final design of gyrotron and its operation system was proceeded. The design work was reviewed in the final design review meeting in 2015 January. In this report, the design of gyrotron operation system will be presented.