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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

Progress and status of the gyrotron development for the JT-60SA ECH/CD system

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。

論文

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

 被引用回数:11 パーセンタイル:27.07(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。

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

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

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

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

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.

論文

A Method for gyrotron beam coupling into a corrugated waveguide

小田 靖久; 梶原 健; 高橋 幸司; 坂本 慶司

Fusion Science and Technology, 61(3), p.203 - 208, 2012/04

 被引用回数:7 パーセンタイル:36.37(Nuclear Science & Technology)

In the radio-frequency (rf) power transmission system of the electron cyclotron heating and current drive (EC H&CD) system, a gyrotron power should couple with a fundamental mode of the corrugated waveguide (HE$$_{11}$$ mode) for a low loss long-distance power transmission and direct Gaussian-like beam radiation from waveguide end. To achieve high HE$$_{11}$$ mode purity, a beam coupling method with the measurement of transmission mode in the waveguide was examined using a 170 GHz high power gyrotron. In beam coupling, the offset and tilt angle of the input beam at waveguide inlet was minimized by controlling angles of mirrors in the matching optical unit (MOU) to minimize unwanted LP$$_{11}$$ mode in the waveguide. According to analyzed mode content, the HE$$_{11}$$ mode content was optimized. After optimization procedure of beam coupling, 95% of HE$$_{11}$$ mode purity in the waveguide was achieved, which is a first demonstration of the criteria of EC H&CD system of ITER.

論文

Development of dual-frequency gyrotron with triode magnetron injection gun

梶原 健; 小田 靖久; 春日井 敦; 高橋 幸司; 坂本 慶司

Applied Physics Express, 4(12), p.126001_1 - 126001_3, 2011/12

 被引用回数:25 パーセンタイル:20.87(Physics, Applied)

A dual frequency gyrotron is designed and tested in JAEA. The design is based on a 170 GHz single frequency gyrotron with a triode magnetron injection gun (MIG). The other frequency of 137 GHz is selected in order to use 1.853 mm thickness single disk output window. The cavity modes for 170 GHz and 137 GHz are TE$$_{31,11}$$ and TE$$_{25,9}$$, respectively. They are selected for a high efficiency internal mode converter. In short pulse experiments, the maximum power of more than 1.3 MW with high efficiency for both frequencies are achieved. These results show the successful design of the dual frequency gyrotron with the triode MIG.

論文

Progress in ECRF antenna development for JT-60SA

小林 貴之; 諫山 明彦; 長谷川 浩一; 鈴木 貞明; 平内 慎一; 佐藤 文明; 和田 健次; 横倉 賢治; 下野 貢; 澤畠 正之; et al.

Fusion Engineering and Design, 86(6-8), p.763 - 767, 2011/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:50.38(Nuclear Science & Technology)

JT-60SAの電子サイクロトロン波加熱装置アンテナ開発の進展を報告する。本アンテナにはポロイダル方向,トロイダル方向へのビーム入射角度の大きな自由度を持つ駆動機構が、100秒間のパルス幅を実現するための高い信頼性を持ったミラー冷却機構とともに求められる。現在、直線駆動型アンテナ方式によるランチャー(アンテナ,サポート及び駆動機構)の機械,構造設計を進めている。ポロイダル入射角度を変化させるための長尺ベローズと、トロイダル入射角度を変化させるためのベローズが本アンテナの重要な要素である。駆動部の試験体を製作してその性能を検証した結果、ポロイダル及びトロイダル入射角度として、それぞれ-10度から+45度, -15度から+15度の範囲を駆動できるアンテナが成立することを確認した。この角度はJT-60SAで求められる角度範囲と合致しており、本アンテナの実現に見通しが得られた。また、本アンテナの熱、構造解析の結果についても報告する。

論文

Progress of ITER equatorial electron cyclotron launcher design for physics optimization and toward final design

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

Fusion Engineering and Design, 86(6-8), p.982 - 986, 2011/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:44.04(Nuclear Science & Technology)

ITERの物理性能最適化のために、水平ランチャーの3つのビーム束のうち一つを逆方向電流駆動を行うためにひっくり返す設計改良を行った。同時に、ランチャーからのビームパワーをプラズマ中心で効率よく結合する改良として、上下にあるビーム束の入射角度をそれぞれ5度ずつ傾ける設計とした。さらに、ランチャー先端の遮蔽ブランケットの開口サイズも遮蔽性能を維持するための最適化を行った。その結果、ビームパワーの伝送効率低下は0.3%程度であることが判明した。また、ランチャーの可動ミラーについては、設計信頼性,製作性,保守性を考慮し、遮蔽ブロックと一体化した設計とした。

論文

Repetitive gyrotron operation for ITER

梶原 健; 小田 靖久; 春日井 敦; 高橋 幸司; 坂本 慶司; Darbos, C.*; Henderson, M. A.*

Fusion Engineering and Design, 86(6-8), p.955 - 958, 2011/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:38.67(Nuclear Science & Technology)

A repetitive operation corresponding to ITER is performed 8 successive days. The pulse width is 600 sec and the interval is 20-30 min. The output power is 800 kW. The electrical efficiency including depressed collector is 53-57%. The total shots are 88 shots. The successful 600 s shots are 72 shots. Therefore, the gyrotron reliability is measured as 82%. Shot by shot stability of the voltage, current, power and frequency is measured. The successful of the stable 72 shots shows that the present gyrotron system can be utilized for ITER operation.

論文

Progress of high-power and long-pulse ECRF system development in JT-60

小林 貴之; 諫山 明彦; 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; 佐藤 文明; et al.

Nuclear Fusion, 51(10), p.103037_1 - 103037_10, 2011/10

 被引用回数:14 パーセンタイル:34.8(Physics, Fluids & Plasmas)

電子サイクロトロン波加熱装置(ECRF装置)において、運転開始直後の短時間(100ミリ秒程度)にアノード電圧を制御することにより電子のピッチファクターを最適化することで効率を向上させる新手法を開発した。これにより高出力化の課題であったコレクタ熱負荷を低減することが可能となり、世界で初めて1.5MW, 4秒間のジャイロトロン出力を達成した。このときのコレクタ熱負荷は従来より約20%低いことが確認され、今後さらに長パルス化が可能と考えられる。長パルス運転を制限したジャイロトロン内の不要高周波による熱負荷を低減するため、モード変換器を改良したジャイロトロンを製作して、既に調整運転を開始し1MW出力で31秒までパルス幅が伸張した。また、課題であった不要高周波は約1/3に低減できたことが実験的に確認され、近い将来の定常運転に見通しが得られた。これらの成果はJT-60SAに向けたECRF装置の高出力・長パルス化に大きく貢献するものである。

論文

核融合のための高周波加熱装置の開発

小林 貴之; 森山 伸一; 諫山 明彦; 星野 克道; 坂本 慶司; 高橋 幸司; 梶原 健; 小田 靖久; 春日井 敦

電気学会研究会資料,原子力研究会(NE-11-6), p.11 - 15, 2011/09

ITERやJT-60SA等の磁場閉じ込め核融合装置におけるプラズマ加熱・電流駆動のため、高周波加熱装置の開発が行われている。これまでの高周波加熱装置開発の実績及び現状と、将来の装置で求められる性能を示す。また、原子力機構における最近の電子サイクロトロン波加熱装置開発、特にJT-60SAに向けた開発の進展及び課題について報告する。

論文

A One-dimensional propagation of shock wave supported by atmospheric millimeter-wave plasma

小田 靖久; 山口 敏和*; 白石 裕也*; 小紫 公也*; 梶原 健; 高橋 幸司; 春日井 敦; 坂本 慶司

Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 32(6), p.877 - 882, 2011/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:49.89(Engineering, Electrical & Electronic)

A shock wave supported by an atmospheric breakdown plasma caused by a high-power millimeter-wave beam was studied. The shadow graph image in a shock tube visualized the one-dimensional shock-wave generated by the millimeter-wave breakdown in atmosphere for the first time. It was revealed that a normal shock wave propagated through the tube at the constant velocity while it was detached from the ionization front of the plasma whenever the propagation velocity of the ionization front was supersonic or subsonic. And it was visually clarified that the atmospheric millimeter-wave breakdown had the combined structure of the normal shock wave and the heating region of the millimeter-wave plasma. The measured pressure of the shock front was as equal as the normal shock which propagated at measured Mach number.

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