Compact antenna for two-dimensional beam scan in the JT-60U electron cyclotron heating/current drive system

森山 伸一; 梶原 健*; 高橋 幸司; 春日井 敦; 関 正美; 池田 佳隆; 藤井 常幸; JT-60チーム

Review of Scientific Instruments, 76(11), p.113504_1 - 113504_6, 2005/11

https://doi.org/10.1063/1.2130967

JT-60Uにおいて、電子サイクロトロン周波数帯(ECRF)での加熱・電流駆動実験を行うことを目的とするECRF装置用の新しいアンテナを設計製作した。プラズマにミリ波ビームを入射する際、旧型のアンテナでは1方向のみのスキャンが可能であったが、新アンテナはトロイダル,ポロイダルの両方向にビームスキャンが可能である。ポロイダルスキャンでは電流駆動の位置を制御し、トロイダルスキャンでは駆動電流の方向を制御することができるため、実験の自由度を飛躍的に向上させることができる。真空容器に支持された可動平面鏡と、真空容器外から支持された導波管先端に取り付けた回転式焦点鏡の組合せによって2次元のビームスキャンを可能にした。あえて二つの鏡を分離して支持することで、設計の自由度を確保し、非常に浅いポートの限られた空間(20cm54cm20cm)で、最大限のスキャン角度範囲を実現した。平面鏡は3mの長尺ドライブシャフトを介してサーボモーター駆動し、焦点鏡はエアシリンダーで駆動することで、JT-60Uの強磁場環境下での動作を可能にした。焦点鏡ベアリングに関する小改造を行って以降、3年間実験に使用して、信頼性の高い動作を実証した。電流分布制御をはじめとするECRF加熱・電流駆動実験に貢献している。

JT-60U ECH装置用ジャイロトロンにおけるアノード電圧制御による出力変調運転

寺門 正之; 関 正美; 下野 貢; 五十嵐 浩一*; 満仲 義加*; 諫山 明彦; 安納 勝人; 池田 佳隆

JAERI-Tech 2003-053, 25 Pages, 2003/06

JAERI-Tech-2003-053.pdf:3.23MB

臨界プラズマ試験装置(JT-60U)では、電子サイクロトロン加熱(ECH)装置を用いて、局所的にプラズマを加熱あるいは電流駆動しプラズマの性能向上実験を実施している。また、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、ECH装置の高周波源であるジャイロトロンの高周波出力を数十から数百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では、ジャイロトロンのアノード電圧を制御することで高周波出力の変調運転に成功した。アノード電圧を約10%変化させることで、変調度が約80%の出力変調運転を行うことができる。変調周波数は、12.2Hz~500Hzである。なお、出力変調運転中に主モードの発振効率が低下することにより放射器が加熱される。この原因は、放射器入口部における寄生発振と推測される。しかし、放射器の温度を監視することでジャイロトロンを保護することができる。

Recent progress of the high power ECRF system on JT-60U

関 正美; 森山 伸一; 梶原 健; 池田 佳隆; 坂本 慶司; 今井 剛; 藤井 常幸

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.5, p.337 - 341, 2002/00

JT-60U用ECRFシステムは、プラズマ加熱や電流駆動を目的として、大電力の高周波(110GHz)を入射する装置である。大電力の高周波は、主電源の安定性が1%程度でも、エネルギー回収型のジャイロトロンにより効率良く発振できていた。しかし、1MW以上の大電力の発振のために、加速電圧を高くすると過渡的に高くなったボディー電圧により加速電源での過電流が発生し運転の障害となっていた。そこで、加速電圧の立ち上がり速度を10から50msへ最適化することにより、安定な発振を得た。1MWの発振を2秒程度に伸ばす場合には、寄生発振によるビーム電流の急激な増加が問題であった。寄生発振対策として、RF吸収体をジャイロトロン内部に取付ける改良を行い、1.1MW-3.2秒の発振に成功した。アンテナへと導く伝送系は、約60mの円形導波管からなり伝送効率は約60%と低かったが、導波管の敷設を精度良く再度実施することで、80%の高い伝送効率を達成できた。これらの成果により、2.8MWの大電力入射による負磁気シアプラズマの加熱を実施し、約13keVの高電子温度の発生に成功した。

Review of JT-60U experimental results from February to October, 1999

JT-60チーム

JAERI-Review 2000-035, 164 Pages, 2001/02

JAERI-Review-2000-035.pdf:10.14MB

1999年は、負磁気シア放電の長時間化について、(1)DT等価核融合増倍率Q(nT(0)~410m・keV・s)~0.5の0.8秒維持,(2)80%が自発電流の完全電離駆動を実現した。負磁気シア放電の内部輸送障壁(ITB)の物理に関連して、さまざまな研究が進められた。高性能(=2.4,H=2.56)の高 H-modeプラズマ(I=1.5MA,B=3.7T,q=4.2)において、92%の電流駆動を得た。この時のNNB(3.4MW,360keV)による電流駆動効率は、ビーム電流駆動としては最高の1.310A/W/mであった。H-mode研究では、しきいパワー、高プラズマ密度領域での閉じ込めの劣化とペデスタル構造が研究された。1999年より周波数110GHz、入射パワー0.75MW(トーラス入射パワー)のECRF加熱系が稼働を開始した。プラズマへの入射により電流分布の変化、テアリング不安定性及び鋸歯状振動に対する抑制効果が観測された。真空容器壁による安定化効果が大きい配位で、負磁気シアプラズマにおいて最高値の=2.8を得て、ディスラプション時に抵抗性壁モーデを観測した。プラズマの安全係数を2あるいは3以下に落とすことにより、逃走電子の消滅することが示された。プラズマ制御では、新たに蓄積エネルギー、放出損失量ほかの実時間制御が実験で日常的に使用されるようになった。重水素及び不純物中性粒子排気の増強のため、1999年にはW型ダイバータにおいて外側排気口が追加され、両側ダイバータからのポンプ排気が可能となった。排気速度が最大となる配位では、ビーム加熱放電でX点MARFEが存在してもZeffが2.3-2.6に低減した。ヘリウム排気実験においても、従来より45%改善して*/~2.8を得た。放射損失を増大させるAr等の不純物量のフィードバック制御により、高密度(Greenwald密度の70%)で従来より高い閉じ込め性能(H~1.4-1.5)のELMy H-modeプラズマが得られた。ダイバータ領域を空間分解能16chで見込む可視分光器に導入とともに、化学スパッタリングの研究が進展した。

ECRF Experiments in JT-60U

諫山 明彦; 池田 佳隆; 井出 俊之; 鈴木 隆博; 森山 伸一; 高橋 幸司; 梶原 健; 及川 聡洋; 濱松 清隆; 鎌田 裕; et al.

AIP Conference Proceedings 595, p.267 - 274, 2001/00

https://doi.org/10.1063/1.1424190

JT-60Uでは1999年よりECRF実験を開始し2000年には入射装置を3ユニットに増強した。各ユニットは、CPDジャイロトロン,計2枚のダイアモンド窓,可動鏡,偏波偏光器,コルゲート導波管等から構成されている。入射パワー・入射時間とも着実に進展し2000年には3ユニットから3秒間入射することに成功した。このECRF装置を用いて次の結果が得られた。(1)新古典テアリング不安定性の完全な抑制に成功した。最適な入射角は放電中の可動鏡スキャンにより決定した。また、実時間で不安定性を検出しEC波を入射する制御システムを構築して安定化実験も行った。(2)EC波による駆動電流分布を実験的に評価し計算コードの結果とよく一致することを示した。(3)EC波の入射方向や入射位置を変えることにより鋸歯状振動が制御できることを示した。

High power and long pulse ECRF system in JT-60U

梶原 健; 春日井 敦; 高橋 幸司; 池田 佳隆; 今井 剛; 安納 勝人; 芳賀 浩一*; 坂本 慶司; 横倉 賢治; 下野 貢; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.3, p.372 - 375, 2000/00

ITERや定常トカマク炉においてはECRFによる局所的な電流駆動により電流分布を制御しMHD不安定性を抑制することが期待されている。これを達成するために電子サイクロトロン周波数帯での発振管であるジャイロトロンの長パルス化や、入射位置の実時間制御の技術が不可欠である。現在、JT-60U用の高パワー長パルスECRFシステムを構築している。本システムは1MWジャイロトロン3本からなり、5秒以上の入射を目標としている。これまでにすでに1系統が稼動し、1MW-2秒、0.5MW-6秒の世界トップクラスの運転に成功した。この時の各部の温度上昇を調べたところ、いずれも設計値に近く長パルス化に対して熱負荷による問題は起こらないことを確認した。また、低電力RF試験により、アンテナからのビームの広がりがプラズマ位置で約10cm程度であり計算値に近いことを確認した。さらに、高パワーのプラズマ入射においては局所的な電子加熱を検証した。今後、アンテナの位置の実時間制御を実現し、3MW化と合わせ不安定性抑制の本格的な実証実験を行う予定である。

Operation and control of JT-60U ECRF system

篠崎 信一; 下野 貢; 寺門 正之; 安納 勝人; 平内 慎一; 池田 佳隆; 池田 幸治; 今井 剛; 春日井 敦; 森山 伸一; et al.

Proceedings of the 18th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering (SOFE '99), p.403 - 406, 1999/10

JT-60Uにおける局所的な加熱及び電流駆動を目的として試作開発してきた110GHz,1MWのECRFシステムの構成・機能及び運転・制御について述べる。本システムはジャイロトロン、高圧電源、全長60mにおよぶ伝送系、駆動ミラーを有するアンテナから構成される。これらの機器すべてを統括し、その運転を制御する制御設備はシーケンサ、VME、タイミング制御板等から構成される。これらの内、特に重要な構成機器はタイミング制御板であり、ジャイロトロンの運転に欠かせない高圧電源の入・切制御を行うためのものである。これによりブレークダウン等の発生から数秒以内に高圧電源を遮断し、ジャイロトロンを保護することができる。また、ジャイロトロン、伝送系等の操作のために、マンマシンインターフェイス部分にタッチパネルを導入した。これにより、起動、停止やパラメータ入力等の運転操作が大幅に簡素化され、容易な運転を可能とした。

定常炉心試験装置の設計研究,第7編; ECRF加熱装置

山本 巧; 牛草 健吉; 坂本 慶司; 今井 剛; 宮 直之; 栗田 源一; 永島 圭介; 北井 達也*; 森 活春*; 菊池 満; et al.

JAERI-Research 97-006, 77 Pages, 1997/02

JAERI-Research-97-006.pdf:2.47MB

ECRF加熱装置には、初期プラズマ電流立ち上げ補助及び高磁場中第一壁洗浄用プラズマ生成機能を有するECR予備電離/放電洗浄装置とプラズマ加熱及び電流駆動を効果的に行い、高性能な炉心プラズマを定常的に安定に維持する機能を有する電子サイクロトロン加熱(ECH)装置がある。これらの2つのタイプのECRF加熱装置について、定常炉心試験装置におけるトリチウム取扱の安全性また放射線遮蔽と深く関係するアンテナシステム及び主要コンポーネント(ジャイロトロン)の製作を重点的に設計検討を行った。その結果、これらのECRF加熱装置はいずれも技術的に成立することが可能であることが明らかとなった。本報告書では、これらの概念検討結果を示すものである。

Experimental study of high-power millimeter wave transmission of sapphire window for electron cyclotron range of frequencies system

春日井 敦; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 山本 巧; 恒岡 まさき; 假家 強*; 今井 剛

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 36(5A), p.2883 - 2887, 1997/00

https://doi.org/10.1143/JJAP.36.2883

大電力・長パルスジャイロトロンの高周波出力窓としてのサファイアディスクの性能が原研の大電力ジャイロトロンの高周波試験装置を用いて研究された。その誘電損失係数は、ディスク温度300Kから600Kの範囲で、周波数110GHzにおいて1.810(T/300)、170GHzにおいて2.610(T/300)が得られた。温度上昇に伴うサファイアディスクの誘電率の変化のため、出力窓での高周波の反射が増加することを実験結果は示し、サファイア窓の透過電力はサファイア窓の熱暴走よりも高周波の反射により制限されていることを示した。さらに、高周波の電力分布を平らにし、かつ直径18cm以上のサファイアダブルディスクを用いた、2ボートのジャイロトロンにすれば、170GHz-1MW-連続ジャイロトロンは製作可能であることを示した。

核融合次期装置設計,昭和61年度設計報告書; 高周波加熱・電流駆動設備の概念検討

中島 国彦*; 岡野 邦彦*; 宮元 和宏*

JAERI-M 87-154, 106 Pages, 1987/09

JAERI-M-87-154.pdf:2.49MB

FERの高周波加熱、電流駆動用設備についてのシステム検討結果のまとめである。FERシナリオでは3種の周波数帯の高周波設備(ICRF、LHRF、ECRF)が設定されている。ここでは放射電力とアンテナ(ランチャ)との整合の見通しを得ることの観点からランチャの構成検討に重点が置かれている。アンテナ方式はデータベースの観点からループアンテナアレー(ICRF)、グリルアンテナ(LHRF)開口導波管系と空間伝送の組み合せ(ECRF)が選択されている。放射電力密度の評価基準を高めていること、LHRFについては加熱・電流駆動に共用できるグリル寸法を選択していることに特徴がある。高周波発振増巾系規模の評価においては、発振・増巾管出力は、現実的な値を設定している。冷却水容量、伝送部真空排気の必要性、増巾管室配置についても検討しシステム全体を明らかにすると共に分解保守手順についても基本思想を形作っている。