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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
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。
小林 貴之; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 池田 亮介; 小田 靖久; 和田 健次; 日向 淳; 横倉 賢治; 星野 克道; et al.
Proceedings of 40th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2015) (USB Flash Drive), 3 Pages, 2015/08
JT-60SAにおける電子サイクロトロン加熱電流駆動(ECH/CD)用にジャイロトロン開発を行っている。高出力、長パルス試験を行い、110GHzと138GHzの2つの周波数において、1MW/100秒の出力を得ることに世界で初めて成功した。この結果により、JT-60SAに求められるジャイロトロンの性能を、完全に満たした。また、空胴共振器、コレクター及び不要高周波の吸収体の熱負荷を実験的に評価した結果、熱負荷の観点では、更なる高出力での運転が、両方の周波数で可能であることを示した。さらに、上記2周波数に加えた付加的な周波数として、82GHzでの発振が、これまでのところ、0.4MW/2秒まで得られている。110/138GHzにおける1.5MW以上の出力や、82GHzにおける1MW出力を目指した大電力試験が進展中であり、最新の成果について報告する。
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
被引用回数:27 パーセンタイル:75.46(Physics, Fluids & Plasmas)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。
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。
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。
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ジャイロトロンは、磁場強度を変えることにより170GHz, 137GHz, 104GHzの発振を実現することが可能である。高出力実験において、170GHz発振では発振出力/発振効率/総合効率が1.2MW / 27% / 43%、137GHz発振では810kW / 25% / 40%、104GHz発振では720kW / 25% / 38%を達成している。また、これらの発振周波数について40mの長距離伝送試験を行い、伝送終端において91%, 88%, 95%のHE11モード純度を達成した。
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。
大島 克己; 小田 靖久; 橋本 慰登*; 林 一生*; 池田 亮介; 梶原 健; 高橋 幸司; 坂本 慶司
no journal, ,
ITERのECシステム用170GHzジャイロトロン開発の一環として、ITERのCODAC Coreシステムを使用したジャイロトロン用ローカル制御系の開発を行った。本システムは、Fast controller、Slow controllerで構成され、前者によりジャイロトロンの発振制御、タイミング制御、データ収集を行う。後者は、運転状態遷移管理、機器の保護動作とアラーム管理を行う。原子力機構のジャイロトロン試験装置に組み込み、ジャイロトロンの発振実験、5kHz変調実験に成功した。
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。
小林 貴之; 森山 伸一; 諫山 明彦; 澤畠 正之; 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.
no journal, ,
JT-60SAの電子サイクロトロン加熱電流駆動に用いる、110GHzと138GHzを選択的に出力可能で、高出力, 長パルス発振が可能な2周波数ジャイロトロンの開発に成功した。今回、1MW、100秒間の出力を、34%(110GHz), 32%(138GHz)の高い発振効率(エネルギー回収効果を含まず)で得ることに世界で初めて成功し、JT-60SAに必要なジャイロトロンの性能を満たすことができた。また、2周波数で高い効率を得るためには、三極型電子銃を用いた電子のピッチファクターの最適化が効果的であることを実験的に示した。さらに、本ジャイロトロンの発振特性試験の結果について、詳細に報告する。
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.
高橋 幸司; 阿部 岩司; 磯崎 正美; 小林 則幸*; 設楽 弘之; 小田 靖久; 池田 亮介; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司
no journal, ,
170GHz, 20MWのミリ波パワーをプラズマに入射するポロイダル可変・水平ポートランチャーの設計を進めている。伝送効率99%、ミラー上での熱負荷、プラズマ共鳴位置でのビームサイズなどの設計条件を満たす最適設計が得られた。その設計の妥当性評価を目的としたミリ波伝送モックアップを製作し、低電力実験を行っている。放射パターンの計測から、ミラーや導波管の最適設計が妥当であることを示す結果が得られた。そのミリ波設計とモックアップ試験の結果について報告する。
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。
小林 貴之; 澤畠 正之; 寺門 正之; 平内 慎一; 和田 健次; 佐藤 福克; 日向 淳; 横倉 賢治; 星野 克道; 高橋 幸司; et al.
no journal, ,
JT-60SAの電子サイクロトロン加熱電流駆動装置では、従来の110GHzに138GHzを加えた2周波数化が求められている。2周波数化実現の鍵である高周波源ジャイロトロンについて、今回、長パルス試験を開始し、これまでに両方の周波数で1MW、10秒間の発振が得られた。管内放出ガス量はショット毎に低減し、コンディショニングが順調に進んでいる。また、1MW長パルス運転時において、30%以上の高い発振効率が両方の周波数で得られた。計測されたジャイロトロン内部の回折損失は、以前の110GHz長パルスジャイロトロンと同程度の量であったことから、今後コンディショニングを継続することで、2周波数ジャイロトロンの更なる長パルス化実現の見通しが得られた。また、トカマクへのミリ波入射アンテナについて、2周波数での光学特性の評価を行い、138GHzでは110GHzと比較してトロイダル方向の発散角が小さく、局所加熱電流駆動に有効なビーム特性が得られることが確認された。
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。
小田 靖久; 池田 亮介; 梶原 健; 高橋 幸司; 坂本 慶司
no journal, ,
The recent scope of high power gyrotorn development in JAEA was experiment of the multi frequency gyrotron. This gyrotron was designed to produce RF beam of 170 GHz, 137 GHz and 104 GHz. These cavity modes for multi frequency operation were selected to adjust the transparent frequency of the output window and internal mode converter. The long pulse operation of gyrotorn was examined. RF power generated by the gyrotron was coupled into the transmission line and multi frequency operation was demonstrated. The transmission power was measured.
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.
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 文明; 横倉 賢治; 星野 克道; et al.
no journal, ,
2019年の実験開始を目指して、JT-60SAの組立が進んでおり、その電子サイクロトロン加熱(ECH)システムの開発と準備も順調に進捗している。ジャイロトロン2基に電力を供給する電源は欧州が調達することになっており、2015年7月に調達取り決めが調印された。2016年に製作、2017年に据付試験を行う計画である。ジャイロトロン開発においては1MW100秒間の発振を行うことがJT-60SAに向けた性能目標であったが、2014年、110GHzと138GHzの2周波数を出力できるジャイロトロンを用いて、両方の周波数でこの目標を達成した。同じジャイロトロンから82GHzで1MW 1秒を出力する試験にも成功し、この付加的な周波数は基本波共鳴による着火や放電洗浄のために用いることが期待されている。導波管コンポーネントおよびランチャーの開発も順調に進んでいる。
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.
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 文明; 横倉 賢治; 星野 克道; 諫山 明彦; et al.
no journal, ,
JT-60SAのファーストプラズマに向けて、電子サイクロトロン加熱装置(ECRF装置)設計及び開発を進めた。既に110/138GHzの2周波数で1MW/100秒の出力を実証したジャイロトロンにおいて、第3の周波数である82GHzで、基本波によるプラズマ着火や放電洗浄に有効と考えられる1MW/1秒の発振に成功した。さらに、1MWを上回る高出力化を目指した試験を行い、これまでに110GHzで1.5MW/5秒、1.8MW/1秒及び138GHzで1.3MW/1秒発振が得られた。今後、発振調整を進めて更なる高出力化・長パルス化を目指す。電源, ランチャー, 伝送路等を含めたECRF装置の設計及び開発の進展を報告する。