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

https://doi.org/10.1088/0029-5515/51/10/103037

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。

Long pulse/high power ECRF system development in JT-60U

森山 伸一; 小林 貴之; 諫山 明彦; 寺門 正之; 澤畠 正之; 鈴木 貞明; 横倉 賢治; 下野 貢; 長谷川 浩一; 平内 慎一; et al.

Proceedings of 22nd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2008) (CD-ROM), 8 Pages, 2008/10

http://www-naweb.iaea.org/napc/physics/FEC/FEC2008/html/node62.htm#15035

JT-60Uの電子サイクロトロン周波数帯(ECRF)加熱電流駆動装置のジャイロトロン開発において、1.5MW,1秒間(110GHz)の出力を得ることに成功した。これは1秒以上のパルス幅では世界最高値である。熱応力の観点で注意深く設計された共振器,ミラー駆動ベローズのRFシールド,誘電損失の小さいセラミックを用いたDCブレークがこの出力を可能にした。一方、5kHzという高い周波数でパワー変調を行うことに成功しJT-60Uの新古典テアリングモード(NTM)抑制実験の成果につながった。ジャイロトロンのカソードヒーターパワーとアノード電圧の実時間制御によって0.4MW,30秒の長パルス入射をデモンストレーションし、伝送系部品の温度上昇を測定するとともにその健全性を確認し、さらなる長パルス入射の見通しを得た。また、4本のジャイロトロンを同時に発振させ2.9MW,5秒の高パワー入射を行って、高いシステム総合性能を示すことができた。信頼性の高い長パルス対応水冷式アンテナとして、革新的な直線駆動ミラーを用いる方式を設計した。ビームプロファイルと機械強度を評価する計算を行って実現可能性を確証した。

JT-60U ECH装置出力変調技術の開発

寺門 正之; 下野 貢; 澤畠 正之; 篠崎 信一; 五十嵐 浩一; 佐藤 文明; 和田 健次; 関 正美; 森山 伸一

JAEA-Technology 2007-053, 28 Pages, 2007/09

JAEA-Technology-2007-053.pdf:4.3MB

臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、プラズマの熱伝導率を測定し閉じ込め性能を調べるため、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置の高周波出力を数十Hzから数百Hz程度に変調し、プラズマ中へパルス的に入射している。JT-60UのECH装置の高周波出力変調は、高周波源であるジャイロトロンのアノード電圧を制御することによりジャイロトロンの主電源である特高電力を遮断することなく出力を変調させるもので、変調周波数が12.2Hz500Hzにおいて変調度が約80%の出力変調運転を行っている。しかし、今後予定されているJT-60 Super Advanced (JT-60SA)計画において、電磁流体力学(MHD)的不安定性である新古典的テアリングモード(NTM)を抑制するための手法として、その周波数に合わせて変調入射する必要性が生ずる。そこで、ジャイロトロンの高周波出力を数kHz程度に変調する技術の検証を行った結果、周波数3.5kHzで変調度が84%の発振変調に成功した。実用レベルのパルス幅としては、3.0kHzまでの発振変調が可能である。次のステップとして、アノード分圧器基板の素子をより高速なものと交換して、さらに変調周波数を上げる試験を計画している。

Development and contribution of RF heating and current drive systems to long pulse, high performance experiments in JT-60U

森山 伸一; 関 正美; 寺門 正之; 下野 貢; 井手 俊介; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; 藤井 常幸; JT-60チーム

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.343 - 349, 2005/11

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2005.06.060

JT-60Uにおいて、高プラズマの長時間維持等を目指した最大65秒間放電を継続する実験を行っている。電子サイクロトロン(EC)装置は、加熱だけでなくリアルタイムで入射角度を制御できるアンテナを開発し、電流分布制御や新古典テアリングモードの抑制による閉じ込め性能改善に貢献している。これまでに2.8MW, 3.6秒(10MJ)の入射を達成しているが、プラズマの長パルス化にあわせて0.6MW, 30秒の入射を目指している。伝送系冷却と真空排気の増強,耐ノイズ性能を高める改造とともに導波管型の1MW定常模擬負荷を用いたジャイロトロン動作の調整を行い、8.7秒間のプラズマへの入射と16秒間(400kW/ユニット)のジャイロトロン出力に成功している。ジャイロトロンのパルス幅延伸には、長時間の電子放出でカソード温度が下がりビーム電流が減少して発振条件がずれる問題への対処が重要であり、パルス中にヒータ電力,アノード電圧を上げる制御を行うことで良好な発振条件を持続させることに成功した。一方、低域混成波(LH)電流駆動装置では長年の実験で変形したステンレス製アンテナ先端を炭素化する改造を行い、入射パワーと耐熱負荷性能の向上が期待される。これまでに5.1MJまでの入射を達成しておりエージングを継続中である。

酸化物分散強化型(ODS)フェライト鋼の接合技術開発

関 正之; 石橋 藤雄; 木原 義之; 平子 一仁*; 塚田 竜也*

JNC TN8410 2005-009, 131 Pages, 2005/04

JNC-TN8410-2005-009.pdf:41.38MB

ODS鋼の接合技術開発は、昭和62年頃から融接法であるタングステンイナートガス(TIG)溶接法及びYAGパルスレーザ溶接法を用いて開始した。しかし融接法では、溶接金属部に多数の気泡を形成するとともに、母材中に均一分散させた酸化物が凝集粗大化し、接合強度を著しく低下させるため、加圧抵抗接合法(PRW法)などの固相接合法の開発に着手した。 PRW接合部の接合強度を確認するために、接合条件の最適化の後に引張試験、内圧バースト試験及び内圧クリープ試験を行った。その結果、接合部の強度は、被覆管母材と同等の強度であることを確認した。また、接合技術の開発と平行して接合部の健全性を検査するために超音波探傷検査法の非破壊検査法の開発も行った。

MARICO-2・CMIR-6 ODS鋼試験片の製造; 製造条件設定試験および試験片製造結果

関 正之; 石橋 藤雄; 木原 義之; 塚田 竜也*; 平子 一仁*

JNC TN8430 2004-002, 49 Pages, 2005/03

JNC-TN8430-2004-002.pdf:72.34MB

ODS鋼被覆管の照射特性を把握することを目的として、MARICO-2およびCMIR-6照射試験片の製作を行った。MARICO-2試験片およびCMIR-6試験片は、マルテンサイト系ODS鋼とフェライト系ODS鋼の2鋼種の被覆管を用いて製作した。試験片形状は、2鋼種共通仕様である。マルテンサイト系ODS鋼の製作は、平成16年2月19日から平成16年3月11日にかけ行い、その製作本数は、MARICO-2:38本(予備+QA用試験片11本を含む。)、CMIR-6:6本である。フェライト系ODS鋼の製作は、平成16年8月17日から平成16年9月22日にかけ行い、その製作本数は、MARICO-2:32本(予備+QA用11本を含む。)、CMIR-6:6本である。試験片の製作は無事終了し、マルテンサイト系ODS鋼製試験片は、平成16年5月上旬に、フェライト系ODS鋼製試験片は、10月上旬にそれぞれ大洗工学センターシステム部核燃料グループへ支給した。

露BOR-60でのODSフェライト鋼燃料ピンの限界照射試験,1; 契約締結から照射試験開始まで

皆藤 威二; 鵜飼 重治; 関 正之; Mayorshin, A. A.*; O.V.SHISHALOV*

JNC TY9400 2003-032, 243 Pages, 2004/03

JNC-TY9400-2003-032.pdf:8.3MB

JNCで開発したODSフェライト鋼被覆管の実用化見通しを早期に判断するため、日露FBRサイクル協力の下で、RIARの高速実験炉BOR-60を用いて先行的に限界照射試験を実施することとした。本報告書は契約締結から照射試験開始までに実施してきたJNCでの被覆管製造および上部端栓溶接、RIARで実施した先行溶接試験、燃料ピン設計、燃料ピンおよび燃料集合体の製造・検査についてまとめたものである。

Pressurized Resistance Welding Technology Development in 9Cr-ODS Martensitic Steels

関 正之; 河野 秀作; 木原 義之; 皆藤 威二; 鵜飼 重治; 平子 一仁*

Journal of Nuclear Materials, 329-333, p.1534 - 1538, 2004/00

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.172

JNCにおいては、高速炉燃料ピン製作のためのODS被覆材料と端栓の接合技術開発を実施している。この接合方法である抵抗溶接(PRW)法は、材料の電気抵抗加熱により、材料を溶融させないで行う固相接合であり,一連の溶接工程は、その条件(電流、電圧、および加圧力)をプログラマブル・システムによって制御し、実行される。さらに製品の溶接時の残留応力を軽減するために溶接部の熱処理を実施している。PRW法による溶接は、本来の被覆管マルテンサイト組織に影響なく溶接されており、引張試験、内圧クリープ試験において溶接部の健全性も実証された。さらに、接合部の非破壊検査法として超音波探傷検査方法を開発した。この抵抗溶接法で製作したODS燃料ピンは、JNC-ロシア共同研究においてロシアの高速炉BOR-60で2003年6月から照射試験を実施している。

JT-60U LHRF加熱装置のアンテナ先端部の損傷対策

石井 和宏*; 関 正美; 下野 貢; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 高橋 正己*

JAERI-Tech 2003-079, 22 Pages, 2003/10

JAERI-Tech-2003-079.pdf:3.01MB

JT-60Uでは、定常化運転を目指した開発研究の一つとして、低域混成波帯(LHRF)の高周波を用いた電流駆動の研究を行っている。その研究において、装置技術的課題は、LHRF加熱装置の重要な機器である大電力LHRFアンテナの開発である。LHRFアンテナは、効率的に高周波をプラズマに入射するために、プラズマから近い位置に置かれている。そのためLHRFアンテナは常にプラズマからの熱にさらされ、また大電力高周波の入射が要請されるため、先端部におけるプラズマからの熱負荷による溶融や高周波放電による溶融・変形が問題となっていた。その結果、プラズマへの入射パワーは徐々に減少してきた。この対策として、LHRFアンテナのエージングを行って、耐高周波電界性能の向上を図った。また、赤外線カメラによるLHRFアンテナの温度監視,LHRFアンテナ位置の調整,入射パワーを断続的に変調する電流駆動法の開発、そしてアークセンサによる高周波放電を検知して、LHRFアンテナ先端部の損傷を防止する保護対策を実施してきた。

超音波探傷法による抵抗溶接部品質保証法の開発 -抵抗溶接部用STBの試作と探傷試験-

河野 秀作; 関 正之; 石橋 藤雄; 平子 一仁*; 塚田 竜也*

JNC TN8430 2003-010, 28 Pages, 2003/07

JNC-TN8430-2003-010.pdf:2.18MB

抵抗溶接部に発生する欠陥は、微細であるため、従来からのX線による検査では、その欠陥を識別できないため、X線検査法に変わる手法としてより欠陥の分解能が高い、超音波法の適用について開発を行ってきた。超音波は、X線よりも物質内部へ伝わり易く、直進性も良いため、欠陥の検出能力に優れているが、超音波で得られる欠陥信号の強度と欠陥の大きさは必ずしも相対しない。これは、超音波の欠陥からの反射エコーの大きさが、反射源である欠陥の形状、向きに大きく影響されるためである。そこで、パルスモーターで探触子と試料回転軸を駆動制御させ、欠陥位置データと超音波エコーを組み合わせて画像処理を行い、欠陥の寸法及び位置を正確に把握できる溶接部超音波検査装置を開発した。しかし、超音波検査法は、あくまで比較検査法であるため、検査装置の持つ欠陥検出能や探傷感度の保証には、既知の欠陥を持つ、標準試験片や対比試験片が必要となる。標準試験片は、JIS等でも規定されているが、抵抗溶接部のような特殊な部位に発生する特異な欠陥に対しては、その形状に特化した標準試験片が必要となる。そこで、標準試験片加工方法の検討を行い、放電加工と拡散接合により標準試験片を試作した。この試作標準試験片の人工欠陥を用いて探傷感度、データ画像処理用しきい値の校正を行い、超音波による探傷結果とその部位の金相試験による実測と比較した結果、欠陥深さ方向分解能が3m、欠陥寸法、接合長さ測定において誤差が10m以内の探傷性能を持つことが判明し、標準試験片による探傷条件校正の有効性が確認された。また、溶接部欠陥の出来方と探傷画像に特異なパターンが存在することも探傷結果と金相試験の対比により確認された。