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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

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

Bipartite magnetic parent phases in the iron oxypnictide superconductor

平石 雅俊*; 飯村 壮史*; 小嶋 健児*; 山浦 淳一*; 平賀 晴弘*; 池田 一貴*; Miao, P.*; 石川 喜久*; 鳥居 周輝*; 宮崎 正範*; et al.

Nature Physics, 10(4), p.300 - 303, 2014/04

 被引用回数:61 パーセンタイル:3.68(Physics, Multidisciplinary)

High-temperature (high-$$T_{rm c}$$) superconductivity appears as a consequence of the carrier-doping of an undoped parent compound exhibiting antiferromagnetic order; thereby, ground-state properties of the parent compound are closely relevant to the superconducting state. On the basis of the concept, a spin-fluctuation has been addressed as an origin of pairing of the superconducting electrons in cuprates. Whereas, there is growing interest in the pairing mechanism such as an unconventional spin-fluctuation or an advanced orbital-fluctuation due to the characteristic multi-orbital system in iron-pnictides. Here, we report the discovery of an antiferromagnetic order as well as a unique structural transition in electron-overdoped LaFeAsO$$_{1-x}$$H$$_x$$ ($$x sim 0.5$$), whereby another parent phase was uncovered, albeit heavily doped. The unprecedented two-dome superconducting phases observed in this material can be interpreted as a consequence of the carrier-doping starting from the original at $$x sim 0$$ and advanced at $$x sim 0.5$$ parent phases toward the intermediate region. The bipartite parent phases with distinct physical properties in the second magnetic phase provide us with an interesting example to illustrate the intimate interplay among the magnetic interaction, structural change and orbital degree of freedom in iron-pnictides.

口頭

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。

口頭

Development and preparation for JT-60SA ECH system

森山 伸一; 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; et al.

no journal, , 

JT-60SAのECHシステムに使用する複数周波数ジャイロトロンの長パルス運転を開始した。0.4MW, 0.7MW出力におけるパルス幅はそれぞれ2秒及び1秒であり、調整及びエージングによって伸長を続けている。発振効率は十分高く30%であり、回折損失は1MWの長時間出力時に支障の無い量であることを熱的測定によって確認した。導波管のスリットに挿入した窒化珪素ディスクを瞬時に引き抜いて、伝送ミリ波ビームのパワー密度の空間分布を測定する装置の高パワー試験に初めて成功した。

口頭

Optical design of EC launcher in JT-60SA

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

no journal, , 

JT-60SAに向けた従来の電子サイクロトロン波入射ランチャーの設計では、110GHzの電子サイクロトロン波を効果的に使用するため-15度から+15度のトロイダル入射角度を予定していた。しかしながら、2周波数ジャイロトロンを用いて138GHzを第二の周波数として加えることが考えられ、トロイダル入射角度範囲についても修正を検討している。本報告では、大きなトロイダル入射角度を得るために検討している第二ミラー傾き有無での、トロイダル入射角度範囲の変化について、新規に計算した結果を報告する。また、第一ミラー及び第二ミラーの曲率を変更した場合のビーム発散特性の変化についても、計算結果を報告する。これらの計算結果を参考に、JT-60SAファーストプラズマにおけるトロイダル入射角度範囲が、JT-60SA物理検討チームにより決定される予定である。

口頭

Prototype development for gyrotron local controller and integration test plan

小田 靖久; 大島 克己; 池田 亮介; 梶原 健; 高橋 幸司; 林 一生*; 坂本 慶司; Purohito, D.*; Henderson, M.*

no journal, , 

To develop the gyrotron local controller for ITER, a prototype controller was developed according to ITER CODAC standard hardware and software. The prototype controller was installed into JAEA gyrotron test stand for test operation using a high power gyrotron. JAEA gyrotron test stand includes several high-voltage(HV) power-supplies(PS). Since every PS has different ramp-up time sequence, the controller adjusts the start-up timing of each PS for synchronization. The integration test of gyrotron local controllers and other subsystem controllers is planned. The functional architecture design of ITER EC plant control system was started and the EPICS-based interface of subsystem controllers will be implemented for integration test. In JAEA test stand, integration test of the gyrotron, the transmission line, and the equatorial launcher controller is planned.

口頭

ITER CODAC準拠制御システムによるITER用ジャイロトロンの発振シーケンス制御の実証試験

小田 靖久; 池田 亮介; 梶原 健; 大島 克己; 林 一生*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; Purohito, D.*; Henderson, M.*

no journal, , 

ITERの電子サイクロトロン加熱電流駆動システムは、170GHzのミリ波をプラズマに対して20MW入射する設計であり、24本の1MW出力ジャイロトロンの運転を予定している。日本は24本のうち8本のジャイロトロンを調達するが、これに伴いITERで動作させるためのジャイロトロン制御システムの開発が必要となる。今回、そのITER用ジャイロトロン制御装置の開発を目的として、原子力機構が有するジャイロトロン試験装置の電源システムに接続し、170GHzジャイロトロンの発振実験を行った。制御系は、ITERのプラント制御デザインハンドブック(PCDH: Plant Control Design Handbook)で指定されるシステム構成に準じており、世界的に見ても、ITER CODAC(計測・制御系)の体系で実際の機器を駆動する初めての例である。また、この試験では、新たに開発した電子ビーム加速電源を用いていることも特長であり、ITERジャイロトロンシステムの調達に向け大きな進展が得られた。

口頭

JT-60SA電子サイクロトロン加熱電流駆動装置の2周波数化開発の進展

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。

口頭

ITER電子サイクロトロン波加熱・電流駆動用170GHz/1MWジャイロトロン開発の進展

池田 亮介; 梶原 健; 小田 靖久; 高橋 幸司; 青木 貴志; 大島 克己; 坪田 直明; 小林 貴之; 森山 伸一; 坂本 慶司

no journal, , 

ITERに向けて170GHz/1MWジャイロトロンの開発を進めている。発振モードTE$$_{31,8}$$を用いたジャイロトロンでは、発振出力/発振時間/総合効率が1MW/800s/55%などITERの要求性能を実現してきたが、将来的に1MWを十分に超える性能を有するジャイロトロンを実現するには共振器における熱負荷の増大が懸念された。そのため、共振器径を広げて、より高次数の発振モードを用いた低熱負荷のジャイロトロン開発を進めている。開発中のジャイロトロンではTE$$_{31,11}$$を採用しており、利点として熱負荷低減だけでなく、共振器磁場強度を変えることでTE$$_{25,9}$$にて137GHz、TE$$_{19,7}$$にて104GHzの発振をほぼ同じ放射角度でダイヤモンド窓を無反射で抜けることができる多周波数ジャイロトロンの特性を有する。現在、170GHz発振を中心に動作試験を進めており、2秒発振試験ではビーム電圧80kV、ビーム電流56Aの条件にて発振出力/発振効率/総合効率1。2MW/27%/43%、長パルス試験では発振出力/発振時間/総合効率870kW/100s/41%を得ている。

口頭

Development of 110GH/138GHz ECH system for JT-60SA

森山 伸一; 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; et al.

no journal, , 

JT-60SAのECHシステムに使用する複数周波数ジャイロトロンの長パルス運転を開始した。1MW出力におけるパルス幅は両方の周波数において10秒に達し、調整及びエージングによって伸長を続けている。発振効率は十分高く30%であり、回折損失は1MWの長時間出力時に支障の無い量であることを熱的測定によって確認した。一方、導波管のスリットに挿入した窒化珪素ディスクを瞬時に引き抜いて、伝送ミリ波ビームのパワー密度の空間分布を測定する装置の高パワー試験に初めて成功した。

口頭

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$$_{31,11}$$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$$_{11}$$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$$_{11}$$モード純度の低損失伝送を実現した。

口頭

Progress on development of mega-watt multi-frequency gyrotron 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$$_{31,11}$$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。

口頭

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。

口頭

Development of multi frequency gyrotron and study of high power transmission line in JAEA

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.

口頭

ITER ECシステムに向けた長パルスジャイロトロンの開発

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, , 

原子力機構では、ITERにおける電子サイクロトロン波加熱・電流駆動装置の実現に向けて長パルスジャイロトロンの開発を進めている。開発中のジャイロトロンは、空胴共振器にて170GHzのTE$$_{31,11}$$モードを発振させ、内蔵モードコンバータを介してガウスビームとして出力する。2秒の発振試験において、1.2MWまで出力に成功しており、電力総合効率は43%が得られている。長パルス発振試験では、0.5MWにて1000秒の発振に成功した。本ジャイロトロンは、発振磁場を変えることで他の周波数の発振およびガウスビーム出力が可能な設計となっており、主磁場5.35T付近にてTE$$_{25,9}$$モード(137GHz)、4.05T付近にてTE$$_{19,7}$$モード(104GHz)が発振する。この2つの低周波数モードにおいても、21MW出力(2秒発振)を実証した。さらにこれら3つの周波数において40mの導波管伝送試験を行い、伝送効率として90.7%(170GHz), 89.6%(137GHz), 80.5%(104GHz)を得ることに成功した。

口頭

電子サイクロトロン波加熱電流駆動性能向上のためのITER水平ECランチャー設計の改良

高橋 幸司; 阿部 岩司; 磯崎 正美; 池田 亮介; 小田 靖久; 梶原 健; 坂本 慶司; 小林 則幸*; 飯田 浩正*; 小松崎 学*; et al.

no journal, , 

ITER水平ポートより入射ミリ波ビームの角度可変方向をトロイダルからポロイダルへ変更することにより、プラズマ半径位置$$rho$$=0.4$$sim$$0.6での電流駆動効率が倍増する解析結果が得られ、その特性を生かすべく設計変更を進めている。水平ポートランチャーのミリ波伝送部について、入射ミリ波ビームのポロイダル可変と、伝送効率99%以上を満たすミリ波設計を見いだし、構造設計に反映させた。講演では、そのミリ波設計の最適化や、ポロイダルビーム可変を可能とする遮蔽ブランケット設計の改良などについて報告する。

口頭

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。

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