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論文

Progress of divertor simulation research toward the realization of detached plasma using a large tandem mirror device

中嶋 洋輔*; 武田 寿人*; 市村 和也*; 細井 克洋*; 大木 健輔*; 坂本 瑞樹*; 平田 真史*; 市村 真*; 池添 竜也*; 今井 剛*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 463, p.537 - 540, 2015/08

 被引用回数:15 パーセンタイル:5.53(Materials Science, Multidisciplinary)

A divertor simulation experimental module (D-module) with a V-shaped divertor target is installed in the west end-sell in GAMMA 10 large tandem mirror device, and a hydrogen plasma irradiation experiment to the target have been started to investigate radiation cooling mechanism on the target. A gas injection system is installed in the D-module and Langmuir probe and calorie meter array are mounted on the target plate. During the plasma irradiation, the highest electron density of 2.4 $$times$$ 10$$^{18}$$ m$$^{-3}$$ and a significant reduction of the electron temperature from a few tens of eV to 2 eV are achieved on the target plate by hydrogen and noble gas injection into the D-module.

論文

Development of divertor simulation research in the GAMMA 10/PDX tandem mirror

中嶋 洋輔*; 坂本 瑞樹*; 吉川 正志*; 大木 健輔*; 武田 寿人*; 市村 和也*; 細井 克洋*; 平田 真史*; 市村 真*; 池添 竜也*; et al.

Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2014) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/10

In the large tandem mirror device GAMMA 10/PDX, a divertor simulation experimental module (D-module) with a V-shaped divertor target have been installed in the end-mirror. A massive gas injection of hydrogen and noble gases (argon and xenon) into the D-module during hydrogen plasma irradiation onto the target was performed, and plasma detachment from the target was investigated. Electron temperature measured by Langmuir probe array on the target was significantly reduced from a few tens of eV to $$<$$ 3 eV, and particle flux was also reduced. A bright H$$alpha$$ emission in the upstream region of the D-module and strong reduction near the target were observed by a two-dimensional image of H$$alpha$$ emission in the target observed with a high-speed camera. Molecular activated recombination (MAR) process is expected to contribute to the reduction of the electron temperature and the particle flux.

論文

Development of a high power gyrotron operating at 28 and 35 GHz

假家 強*; 南 龍太郎*; 今井 剛*; 江口 濯*; 坂本 慶司; 満仲 義加*; 沼倉 友晴*; 遠藤 洋一*

Plasma and Fusion Research (Internet), 8, p.1205107_1 - 1205107_2, 2013/10

An experimental and design study has been commenced for a dual-frequency gyrotron (28 and 35 GHz). The target output power at 28 GHz is 2 MW. For a modified 28 GHz 1 MW gyrotron, an output power of 1.25 MW and operation of 0.6 MW for 2 s have been achieved at 28 GHz. For the 35.45 GHz oscillation test, a cavity oscillation power of 1.2 MW and an efficiency of 33.9% have been confirmed by considering the calculated transmission efficiency of 72%. These results support the development of dual-frequency gyrotrons for lower frequency ranges.

論文

Development of multi-purpose MW gyrotrons for fusion devices

南 龍太郎*; 假家 強*; 今井 剛*; 沼倉 友晴*; 遠藤 洋一*; 中林 英隆*; 江口 濯*; 下妻 隆*; 久保 伸*; 吉村 泰夫*; et al.

Nuclear Fusion, 53(6), p.063003_1 - 063003_7, 2013/06

The latest development achievements in University of Tsukuba of over-1 MW power level gyrotrons required in the present-day fusion devices, GAMMA 10, LHD, QUEST, Heliotron J and NSTX are presented. The obtained maximum outputs are 1.9 MW for 0.1 s on the 77 GHz LHD tube and 1.2 MW for 1 ms on the 28 GHz GAMMA 10 one, which are new records in these frequency ranges. In long pulse operation, 0.3 MW for 40 min at 77 GHz and 0.54 MW for 2 s at 28 GHz were achieved. A new program of 154 GHz 1 MW development has started for high density plasma heating in LHD. On the first 154 GHz tube, 1.0 MW for 1 s was achieved. As a next activity of 28 GHz gyrotron, we have already carried out the development of over-1.5 MW gyrotron and design study of the 28 GHz cavity and mode converter has shown the possibility of 2 MW level output and CW operation with several hundred kW. Besides, a new design study of dual frequency gyrotron at 28 GHz and 35 GHz has been started, which indicates the practicability of the multi-purpose gyrotron.

論文

Development of multi-purpose MW gyrotrons for fusion devices

南 龍太郎*; 假家 強*; 今井 剛*; 沼倉 友晴*; 遠藤 洋一*; 中林 英隆*; 江口 濯*; 下妻 隆*; 久保 伸*; 吉村 泰夫*; et al.

Nuclear Fusion, 53(6), p.063003_1 - 063003_7, 2013/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:37.83(Physics, Fluids & Plasmas)

The latest development achievements in the University of Tsukuba of over-1 MW power level gyrotrons required in present-day fusion devices, GAMMA 10, Large Helical Device (LHD), QUEST, Heliotron J and NSTX, are presented. The obtained maximum outputs are 1.9 MW for 0.1 s on the 77 GHz LHD tube and 1.2 MW for 1ms on the 28 GHz GAMMA10 one, which are new records in these frequency ranges. In long-pulse operation, 0.3 MW for 40 min at 77 GHz and 0.54 MW for 2 s at 28 GHz are achieved. A new programme of 154 GHz 1 MW development has started for high-density plasma heating in LHD. On the first 154 GHz tube, 1.0 MW for 1 s is achieved. As a next activity of the 28 GHz gyrotron, an over-1.5 MW gyrotron is designed and fabricated to study the multi-MW oscillation. The possibility of 0.4 MW continuous wave and 2 MW level output in operations of a few seconds, after the improvements of output window and mode converter, is shown. Moreover, a new design study of dual-frequency gyrotron at 28 and 35 GHz has started, which indicates the practicability of the multi-purpose gyrotron.

論文

Development of 28 GHz and 77 GHz 1 MW gyrotron for ECRH of magnetically confined plasma

假家 強*; 南 龍太郎*; 今井 剛*; 坂本 慶司; 久保 伸*; 下妻 隆*; 高橋 裕己*; 伊藤 哲*; 武藤 敬*; 満仲 義加*; et al.

Fusion Science and Technology, 55(2T), p.91 - 94, 2009/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:34.49(Nuclear Science & Technology)

A new 28 GHz 1 MW and a 77 GHz 1 MW gyrotrons are developed for ECRH system of tandem mirror GAMMA10 and Large Helical Device (LHD), respectively. The detail design study of 28 GHz 1 MW gyrotron such as cavity, magnetron injection gun (MIG) has been done. We obtained the oscillation power of 1.37 MW and the oscillation efficiency of 42.7% with the pitch factor of 1.2. Two 77 GHz 1 MW gyrotrons have been fabricated and tested. The maximum output power of 1.1 MW was obtained. The pulse width with 0.46 MW extended to 5s with the short aging time of only 65 hours. A plasma injection for LHD with MOU output of 0.81 MW 3.6s was performed.

論文

Achievement of robust high-efficiency 1 MW oscillation in the hard-self-excitation region by a 170 GHz continuous-wave gyrotron

坂本 慶司; 春日井 敦; 高橋 幸司; 南 龍太郎*; 小林 則幸; 梶原 健

Nature Physics, 3(6), p.411 - 414, 2007/06

 被引用回数:176 パーセンタイル:2.05(Physics, Multidisciplinary)

発振モードTE31,8の170GHzジャイロトロンにおいて、効率が55%以上の安定1MW発振を世界で初めて達成した。複数のジャイロトロンパラメータを発振中能動的に制御する手法を世界で初めて開発し、その結果、発振条件をいわゆる高効率発振が得られる難自己発振領域に容易に確立できることを実証した。さらに、目的のTE31,8モードが、近傍のTE30,8モードの寄生モードとして成長し、最終的に系を支配してしまうという新たな非線形過程を発見した。この効果により、TE31,8モードの安定自己発振領域が大きく広がることを見いだした。

論文

Development of the 170GHz gyrotron and equatorial launcher for ITER

坂本 慶司; 春日井 敦; 高橋 幸司; 南 龍太郎*; 假家 強*; 満仲 義加*; 小林 則幸

Proceedings of 21st IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2006) (CD-ROM), 8 Pages, 2007/03

ITER用に開発を行っている170GHzジャイロトロンとランチャー開発の最近の成果を報告する。ジャイロトロンの発振モードをガウス型ビームに変換する内蔵型モード変換器の効率向上設計に成功したこと,電子銃の速度分散の抑制に成功し、発振の高効率化に成功したことにより、出力0.6MWでITERに必要な600秒の安定発振を達成した。ITERの目標である1MWでの1000秒クラスのジャイロトロン開発に向け、大きな進歩である。また、次数の高い発振モード(現状TE$$_{31.8}$$モードに対し、TE$$_{31,12}$$モード)の短パルス発振実験を行った。発振モードの次数を上げることにより、空洞共振器のサイズが大型化でき、電気抵抗損失による熱負荷を大きく下げることができるため、さらなる大電力化,長寿命化が可能となる。その結果、1ミリ秒ながら1.6MWの安定発振に成功した。円筒空胴におけるTE$$_{31,12}$$クラスの高次モードの安定発振は非常に難しいとの予測を覆すもので、モード競合理論の再構築を迫る結果である。一方、ITERの水平ポートに装着する電子サイクロトロン電流駆動用ランチャーの設計では、フロントシールド,RFビーム角度制御用可動ミラーとその駆動機構,ランチャー内RF伝送系の設計を行い、その実現可能性を示した。また、ランチャーのキーコンポーネントであるミラー駆動系,高安全性真空封じ窓の開発を行い、ランチャーに使用できることを示した。

論文

High power and high efficiency operation of 170GHz gyrotron

春日井 敦; 南 龍太郎*; 高橋 幸司; 小林 則幸; 假家 強*; 満仲 義加*; 坂本 慶司

Fusion Science and Technology, 51(2T), p.213 - 216, 2007/02

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

原子力機構では、ITER用170GHzジャイロトロンの開発を精力的に継続している。長パルス化を阻害する要因として、発振に重要な役割を果たす電子ビーム電流が、動作中に徐々に減少し、それに伴い出力が減少するあるいはほかの不要モードを誘起し目的の発振モードを維持できないという課題が指摘されていた。そこでこの課題を解決し、ジャイロトロンの長パルス動作を実証するために、カソードヒータの制御にプレプログラミング制御を導入し、ビーム電流を維持することを試みた。その結果、安定なビーム電流制御に成功し、200kWの出力ではあるものの、ITERで必要とされる1000秒間の安定な発振を実現するとともに、プレプログラミング制御の有効性を実証した。出力はジャイロトロンの出力をダミーロードまで導くための伝送系内部の発熱により制限されたが、ジャイロトロンに搭載されているモード変換器のモード変換効率を向上させることで、伝送系内部の高周波損失も抑制することができる。そこで今回新たに、モード変換効率を向上させたジャイロトロンを製作し、実験を開始した。放射器内部のわずかな歪みも排除するように製作上や輸送上の問題点を克服し、ジャイロトロン内部の位相補正を行わずミラー枚数を減らした結果、RFの内部損失がこれまでの約10パーセントから約2パーセントへ大幅に改善できた。これにより、エネルギー回収を行った場合のジャイロトロンの総合効率が、1MW出力において50パーセントとなった。ITER用170GHzジャイロトロンの開発に向けた大きな成果である。

論文

Upgrade program of ECRH system for GAMMA10

今井 剛*; 立松 芳典*; 沼倉 友晴*; 坂本 慶司; 南 龍太郎*; 渡辺 理*; 假家 強*; 満仲 義加*; 鎌田 康宏*; 町田 紀人*; et al.

Fusion Science and Technology, 51(2T), p.208 - 212, 2007/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:37.95(Nuclear Science & Technology)

筑波大学のミラー型プラズマ閉じ込め装置GAMMA10で、プラグ部と中央部に、原子力機構と共同開発した500kW級28GHzジャイロトロンを用いた電子サイクロトロンを用い、新記録となる3kVのイオン閉じ込めポテンシャルの生成に成功した。これは、従来のミラー閉じ込め装置で得られたポテンシャルの約4倍となる画期的な成果である。また、中央部の400kWレベルのECHにより、初期結果として500eVの電子温度を得た。

論文

Optimization of 28GHz gyrotron output performance for ECRH experiment of the GAMMA 10

假家 強*; 満仲 義加*; 今井 剛*; 斉藤 輝雄*; 立松 芳典*; 坂本 慶司; 南 龍太郎*; 渡辺 理*; 沼倉 友晴*; 遠藤 洋一*

Fusion Science and Technology, 51(2T), p.397 - 399, 2007/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:56.65(Nuclear Science & Technology)

原子力機構と共同開発した500kW級28GHzジャイロトロンの出力特性の最適化を行った。ジャイロトロンは従来の200kW級小型ジャイロトロン用マグネットに装着し、かつ大型電子エミッターの使用が可能となるように2極電子銃を用いている。また、準光学モード変換器を内蔵し、大電力化,長パルス化に対応できる構造となっている。実験の結果、これまでの200kWを大きく上回る500kWの出力が可能となり、また低電流領域では発振効率50パーセントを超える成果が得られた。

論文

Characteristics of 28 GHz gyrotron for ECRH on GAMMA10

鎌田 康宏*; 今井 剛*; 立松 芳典*; 渡辺 理*; 南 龍太郎*; 斉藤 輝雄*; 坂本 慶司; 假家 強*; 満仲 義加*; 町田 紀人*; et al.

Fusion Science and Technology, 51(2T), p.412 - 414, 2007/02

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

ガンマ10用28GHzジャイロトロンの発振特性を研究した。1号ジャイロトロンでは、(1)出力の飽和レベルが予想より低い、(2)ボディ電流が多い,(3)ビーム過電流が生じる、等の現象が見られた。そこで2号管では、モード変換器を変更し内部寄生発振を抑制するとともに、コレクタ形状を電子の反射を抑制する形状に変更した。その結果、出力が516kWから570kWに上昇するとともにボディ電流も減少し、さらにビーム過電流の出現回数も半減した。

論文

Long pulse operation of 170 GHz ITER gyrotron by beam current control

春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸; 坂本 慶司

Fusion Engineering and Design, 81(23-24), p.2791 - 2796, 2006/11

 被引用回数:8 パーセンタイル:43.15(Nuclear Science & Technology)

日本原子力研究開発機構では、170GHz ITER用ジャイロトロンの開発を精力的に継続している。長パルス化を阻害する要因として、発振に重要な役割を果たす電子ビーム電流が、動作中に徐々に減少し、それに伴い出力が減少するあるいは他の不要モードを誘起し目的の発振モードを維持できないという課題が指摘されていた。そこでこの課題を解決し、ジャイロトロンの長パルス動作を実証するために、カソードヒータの制御にプレプログラミング制御を導入し、ビーム電流を維持することを試みた。プレプログラミング制御の結果、発振を伴わないビーム電流引き出し試験において、ITERで必要とされる安定なビーム電流を1000秒間維持することを実現し、プレプログラミング制御の有効性を実証した。また、170GHzジャイロトロンの長パルス発振試験においても、ビーム電流一定制御を実現し、動作時間中で0.5A以内の変動幅に抑えることができた。その結果、約200kWで、最大約8分間の安定した発振を実現し(ダミーロードから求められるパワーが一定)、管内真空度も安定であった。達成した成果は出力エネルギーとしては、原研が開発したジャイロトロンの中では最大である。一方で、パルス幅はジャイロトロン内部の発熱により制限されたが、1MW出力時に発生しうる不要RFのパワーによるジャイロトロン内部の発熱の軽減、及び除熱を強化すべき箇所を明らかにでき、1MW出力時の冷却性能向上に見通しを得た。

論文

Conceptual study of ECH/ECCD system for fusion DEMO plant

坂本 慶司; 高橋 幸司; 春日井 敦; 南 龍太郎; 小林 則幸*; 西尾 敏; 佐藤 正泰; 飛田 健次

Fusion Engineering and Design, 81(8-14), p.1263 - 1270, 2006/02

 被引用回数:4 パーセンタイル:64.03(Nuclear Science & Technology)

本論文は、炉システム研究室が提示した発電実証炉の仕様をベースに、DEMO炉の電子サイクロトロン共鳴加熱(ECH/ECCD)システムを検討したものである。具体的には、発電実証炉のトロイダル磁場から、周波数の第一候補を300GHzとし、これに対応する超高次モード(TE31, 20)を用いた300GHz帯エネルギー回収型ジャイロトロンの設計,300GHz帯ダイヤモンド窓,伝送系,遠隔ミラー制御型結合系の概念設計を行った。併せて、必要な技術開発の方向を明らかにした。

論文

The Designs of high efficiency launcher of quasi-optical mode converter for high power gyrotrons

南 龍太郎; 春日井 敦; 高橋 幸司; 小林 則幸*; 満仲 義加*; 坂本 慶司

International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 27(1), p.13 - 24, 2006/01

 被引用回数:8 パーセンタイル:51.84(Engineering, Electrical & Electronic)

高出力ジャイロトロン用の高効率モード変換器について、解析計算コードを用いて設計し、変換効率が99%以上のモード変換器を設計した。低電力試験を行い、その計算結果と実験結果の比較から、その高性能なモード変換を実証した。また、今後のジャイロトロン高性能化に向けた、モード変換の周波数依存性の検討、周波数可変型や熱負荷低減に有効な高次モード化への検討を行った。

論文

Development of high power and long pulse 170GHz gyrotron

坂本 慶司; 春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸; 假家 強*; 満仲 義加*

Proceedings of 14th Joint Workshop on Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating (EC-14), p.517 - 525, 2006/00

ITERに向け、原子力機構で開発中の大電力長パルス170GHzジャイロトロンと、高次モード発振研究のための短パルスジャイロトロンの開発研究の成果を発表する。大電力長パルスジャイロトロン(発振モードはTE31,8)は、長パルス化の障害であったビーム電流のショット中の減少を抑えるため、電子銃用ヒーターの入力制御による電流値一定制御機能を導入し、ITERのパルス幅である1000秒の安定発振を得た(出力0.2MW)。一方、大電力化の障害となるジャイロトロン内不要RFの発生原因が、ジャイロトロン内蔵モード変換器の微小なそりであることを明らかにし、これを改良したモード変換器を製作し、改良型ジャイロトロンの製作を行った。また、短パルスジャイロトロンでは、発振モードとして、1.6MWの連続出力が可能となるTE31,12モードにおいて、目標の1.6MWの単一モード発振を実証した(パルス幅1ミリ秒)。この結果、将来のジャイロトロンの大電力化,長寿命化の可能性を明らかにした。

論文

大電力ジャイロトロンの定常運転に向けた改良

南 龍太郎; 春日井 敦; 高橋 幸司; 小林 則幸; 假家 強*; 満仲 義加*; 林 健一*; 坂本 慶司

信学技報, 105(498), p.39 - 42, 2005/12

日本原子力研究開発機構では、核融合プラズマの加熱・電流駆動のための大電力ミリ波源ジャイロトロンの開発を行っている。今回、安定な長パルス動作を妨げる問題点の対策として、モード変換器放射器内部形状を解析的に最適化し、ビーム電流生成部のヒーターの入力パワーをプレプログラミング制御によりブーストすることで、電流減少を補償する実験を行った。その結果、これまでに、0.13MW/600秒,0.2MW/550秒,パルス幅1000秒の安定な電子ビーム運転を実証している。

論文

Development of reliable diamond window for EC launcher on fusion reactors

高橋 幸司; Illy, S.*; Heidinger, R.*; 春日井 敦; 南 龍太郎; 坂本 慶司; Thumm, M.*; 今井 剛

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.305 - 310, 2005/11

 被引用回数:11 パーセンタイル:33.84(Nuclear Science & Technology)

核融合炉におけるECランチャー用銅コーティングダイヤモンド窓を開発した。ダイヤモンド窓は周辺冷却で設計するが、そのディスクエッジに銅コーティングを施し、エッジが破損したとしても冷却水が伝送系内に浸透しないという機能を持つ。また、冷却構造を付加するためにディスクエッジにアルミロウ付けでインコネル製筒を接合するが、銅コーティングはそのロウ付け部の腐食防止にも効果的である。この窓の冷却性能を調べるため、170GHz、大電力伝送実験を行った。高周波パワーは55kW、パルス幅は3.0秒である。この時の温度上昇は45度程度となり、tan$$delta$$=4.4$$times$$10$$^{-4}$$,熱伝導率1.9kW/m/Kでの計算結果とよく一致する。実験で使用したダイヤモンドは誘電損が通常より20倍程高く(4.4$$times$$10$$^{-4}$$)、今回の実験で得られた温度上昇(誘電損失)は、実際使用する高品質ダイヤモンドにおける1MW伝送と同レベルである。本実験結果から、銅コーティングは冷却性能を阻害しないことを実証した。また、窓エッジ破損によるトラブルも回避できるという観点から、銅コーティングによりダイヤモンド窓の信頼性が向上したと言える。

論文

Development of long pulse and high power 170 GHz gyrotron

坂本 慶司; 春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸*

Journal of Physics; Conference Series, 25, p.8 - 12, 2005/00

日本原子力研究所で行っているITER用170GHzジャイロトロン開発の最新結果を報告する。これまで、0.5MWで100秒の発振に成功したが、時間とともにビーム電流が低下する、ジャイロトロン内にもれRFが多いなどの問題が確認された。前者は、電流引出しによるヒーターの温度低下が原因であり、この対策として、ヒーターの入力を時間的にプレプログラム制御する手法を導入し電流の一定化を行った。また、後者には放射器の内面形状を、回折損失が最小となるよう数値計算にて最適化し、従来の損失を1/5に低減する設計に成功した。ビーム電流出力実験において、約1.6MWの電子ビームを1000秒間安定に制御できることを実証した。今後、実際のRFを出力させ、長時間発振を行う。

論文

核融合用ミリ波帯大電力ジャイロトロンの長パルス化

春日井 敦; 南 龍太郎; 高橋 幸司; 小林 則幸*; 假家 強*; 満仲 義加*; 林 健一*; 坂本 慶司

信学技報, 104(520), p.37 - 42, 2004/12

日本原子力研究所では核融合に必要な電子サイクロトロン加熱/電流駆動のための大電力ミリ波発振管ジャイロトロンの開発に取り組んでいる。日本,EU等6極が共同で建設を計画している国際熱核融合実験炉ITER用170GHzジャイロトロンにおいては、0.9MW/9秒,0.75MW/17秒,0.5MW/30秒等の成果を数年前に達成したものの、発振管内部の局所的な発熱とそれに起因するアウトガスがパルス幅を制限した。局所的な発熱部分の同定と冷却の強化等の対策により0.5MW/100秒の準定常動作を達成し、連続動作化の見通しを得るとともに、さらに安定した発振と連続動作化のための課題を明らかにした。

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