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論文

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

 被引用回数:7 パーセンタイル:46.37(Nuclear Science & Technology)

JT-60Uにおいて、高$$beta$$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。

論文

低域混成波を用いた電流分布制御と先進トカマク/定常プラズマ運転への応用

井手 俊介

プラズマ・核融合学会誌, 81(3), p.167 - 170, 2005/03

プラズマ核融合学会誌の小特集「高周波による核融合プラズマ制御の進展」の低域混成波に関する章で、低域混成波を用いた非誘導電流駆動研究の最新のトピックスについて解説を行った。装置の進展,最近の実験研究の進展そして将来の展望について述べた。特に、LHCDによる長時間トカマク運転とそこでのエネルギーと粒子に関する研究、及び先進トカマク開発における分布制御への応用研究に重点を置いて解説を行った。

論文

JT-60プラズマ電流分布実時間制御計算機システムの開発

細山 博己*; 末岡 通治; 鈴木 隆博

KEK Proceedings 2003-16 (CD-ROM), 4 Pages, 2004/02

トカマク型核融合装置JT-60では、プラズマ性能の向上を目指してプラズマ電流分布を制御する実験が計画されている。プラズマ電流分布制御は、プラズマ制御パラメータ,プラズマ最外殻磁気面データ,トロイダル磁場コイル電流値,プラズマ電流値、及びプラズマ内部磁場計測信号等の入力データから実時間で電流分布または安全係数分布を算出し、その結果から所定の分布になるようにより高い電流密度分布、または安全係数が最小となる位置にアクチュエータであるLHRF(Lower Hybrid Radio Frequency)パワーを入射するものである。そのシステムを構築し、前述した制御ロジックを専用の計算機に組込み、その初期実験を行った。本発表では、そのシステム概要,ハードウェア構成,ソフトウェア機能,今後の課題について報告する。

報告書

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。

報告書

JT-60U LHRF加熱装置用クライストロンの低出力・長パルス試験

下野 貢; 関 正美; 寺門 正之; 五十嵐 浩一*; 石井 和宏*; 高橋 正己*; 篠崎 信一; 平内 慎一; 佐藤 文明*; 安納 勝人

JAERI-Tech 2003-075, 29 Pages, 2003/09

JAERI-Tech-2003-075.pdf:4.62MB

第一壁洗浄に有効な電子サイクロトロン共鳴(ECR)放電洗浄(DC)をJT-60Uで実証するために、高周波源としてJT-60U低域混成波(LHRF)加熱装置用クライストロンの低出力・長パルス試験を行った。LHRF加熱装置用クライストロンは、2GHz帯で単管当たり1MW-10秒出力性能を持つが、長パルス運転のために動作条件を変更しなければならない。そのために、まず電源性能から長パルス運転が可能となるビーム電流を評価した。この結果、ビーム電圧72kV,ビーム電流4.4Aにおいて電源は定常運転が可能であることが判明した。このビーム電圧及び電流において空洞共振器を調整した結果、クライストロン出力40kWを得た。さらに、出力40kWレベルで模擬負荷を用いて60秒の長パルス試験を行い、クライストロンのコレクター温度が約20秒で120$$^{circ}$$Cの飽和温度になり、コレクター冷却性能から定常運転が可能と判断した。JT-60UでのECR-DC実験では、約30kW-45分の運転に成功した。

論文

Development and operation of the Lower Hybrid Range of Frequency system on JT-60U

関 正美; 池田 佳隆; 前原 直; 森山 伸一; 内藤 磨; 安納 勝人; 平内 慎一; 下野 貢; 篠崎 信一; 寺門 正之; et al.

Fusion Science and Technology (JT-60 Special Issue), 42(2-3), p.452 - 466, 2002/09

 被引用回数:14 パーセンタイル:66.88(Nuclear Science & Technology)

JT-60U用低域混成波(LHRF)システムの開発及び運転結果について総合的にレビューする。LHRFシステムは、2GHz帯で1MWの大出力クライストロンを24本持ち、3つの通常型アンテナを用いて約8MWの入射を行った。電流駆動効率や放射スペクトラム制御性の改善及び入射電力の向上のため、既存のアンテナを3分岐型へ、さらに12分岐型のアンテナへと開発を進めた。12分岐型アンテナでは、既存の伝送系導波管数を1/4に削減でき、システムの簡素化に成功した。さらに7MWの入射電力を実現するほか、3.6MAの世界最高の非誘導駆動電流や3.5$$times$$10$$^{19}$$m$$^{-2}$$AW$$^{-1}$$の世界最高の電流駆動効率を達成した。アンテナからのガス放出は、コンディショニングを行うことで、約1$$times$$10$$^{-6}$$Pam$$^{3}$$/sm$$^{2}$$と低くすることができ、従来から使用されて来た専用の真空排気装置を不要とできることを実証した。アンテナとプラズマの結合可能距離は、中性ガスを注入することで遠隔化できることを明らかにした。JT-60UのLHRFシステムは、世界をリードする電流駆動研究の原動力として稼動し、上記の成果をあげ、さらに次世代のLHRFアンテナの設計指針を与えるなど大きく貢献している。

論文

ITER物理R&Dの成果,5; 加熱・電流駆動の物理

福山 淳*; 高瀬 雄一*; 井手 俊介; 牛草 健吉

プラズマ・核融合学会誌, 76(2), p.127 - 137, 2000/02

トカマクプラズマにおける加熱・電流駆動の物理に関するITER物理R&Dの成果をまとめた。(1)電子サイクロトロン周波数帯(ECRF)、(2)イオンサイクロトロン周波数帯(ICRF)、(3)低域混成周波数帯(LHRF)の電磁波と(4)中性粒子ビーム入射(NBI)各々の種類の手法について検討した。ITERにおける各手法による、加熱・電流駆動特性について検討し、適切なパラメータの選定によりECRF,ICRF,NBIにより中心加熱が、ECRF,LHRFにより周辺電流駆動が、またECRF,ICRF,NBIにより中心電流駆動が各々ITERで要求されるレベルで行えることを示した。

論文

Electron cyclotron resonance discharge cleaning by using LHRF system on JT-60U

牛草 健吉; 関 正美; 菅沼 和明; 豊島 昇; 池田 佳隆

Fusion Engineering and Design, 45(2), p.137 - 144, 1999/05

 被引用回数:19 パーセンタイル:79.54(Nuclear Science & Technology)

第1壁が炭素タイルで覆われたJT-60Uにおいて、2GHzの低域混成波加熱・電流駆動システムを用いて、電子サイクロトロン波による放電洗浄を行った。電流駆動用アンナテから、高周波電力125kW,パルス幅$$sim$$60秒の高周波をトロイダル磁場0.06Tを印加した真空容器内に繰返し入射し放電洗浄プラズマを生成した。電子サイクロトロン波による放電洗浄は、グラファイト壁のリサイクリング率を増大するとともに、壁から水分子を顕著に放出することが判明した。さらに、重水素実験により第一壁の蓄積されているトリチウムを効果的に放出していることを明らかにした。これは、電子サイクロトロン波放電洗浄を利用したトカマク炉内のトカマクインベントリー低減化を示唆している。

論文

ITER physics basis, 6; Plasma auxiliary heating and current drive

高エネルギー粒子加熱及び電流駆動専門家G

Nuclear Fusion, 39(12), p.2495 - 2539, 1999/00

ITERの追加熱・電流駆動方式として、電子サイクロトロンシステム、低減混成波帯システム、イオンサイクロトロン波帯システム、中性粒子ビーム入射システムの4つの方式を検討した。日、米、露、欧の4極の専門家グループを中心に、世界中のITER物理R&Dの成果をレビューし、それぞれのシステムごとに達成度、有効性、今後の課題を摘出し、実験炉ITERの加熱電流駆動方式として持つべき性能を提言した。

報告書

ECR discharge cleaning on JT-60U

池田 佳隆; 牛草 健吉; 関 正美; 菅沼 和明; 豊島 昇

JAERI-Research 97-075, 15 Pages, 1997/10

JAERI-Research-97-075.pdf:0.89MB

グラファイトタイルから成る第1壁を有するJT-60Uにおいて、電子サイクロトロン共鳴放電洗浄(ECR-DC)を調べた。低域混成波帯熱装置の2GHz帯を用いてトロイダル磁場約0.6TにおいてECR-DCを実施し、最大入射電力125kWまでの準定常運転を行った。グラファイトタイルに対してECR-DCは、リサイクリング率を低下させるが、重水素ECR-DCは重水(m/e=20)脱離に有効であった。さらにグラファイトからのトリチウム除去に対して重水素ECR-DCが効果的であることを明らかにした。

論文

Low electric field (0.08V m$$^{-1}$$) plasma-current start-up in JT-60U

芳野 隆治; 関 正美

Plasma Physics and Controlled Fusion, 39(1), p.205 - 222, 1997/01

 被引用回数:32 パーセンタイル:71.51(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおいて、ヘリウム初期ガスとLHRF加熱を併用することにより、0.08V/m$$^{-1}$$(1.7V)の低電圧(低ループ電圧)でのプラズマ着火を達成した。1.5~3.0$$times$$10$$^{-6}$$Torr(2-4$$times$$10$$^{-4}$$Pa)と低い初期ガス圧にもかかわらず、逃走電子は発生していない。LHRF加熱では、初期電離を起こしていないが、放射障壁を通過する時間を短くし、それにつづく30kA以下でのプラズマ電流立上げを安定化した。その結果として、35kAから1MAまで、1.8V以下で、0.2MA/sの電流立上げを実現した。ヘリウム初期ガスは、プラズマ着火電圧を低減するとともに、プラズマ着化を安定化するため、ITERの着火条件を緩和するのに有効である。

論文

Design of a 5GHz window in a lower hybrid r.f. system

前原 直; 池田 佳隆; 関 正美; 今井 剛

Fusion Engineering and Design, 26, p.343 - 349, 1995/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:60.09(Nuclear Science & Technology)

将来の5GHz LHRFシステムでは、システムの簡素化のために500kW-CWに耐える高周波真空窓の開発が必要である。周波数2GHz帯では、750kW-10秒CWに耐える標準サイズのピルボックス型高周波窓の開発に成功したが、周波数5GHzでは、矩形導波管およびピルボックス部の幾何学的寸法が小さくなり、同じ高周波電力に対して、電力密度が約6.7倍、また真空封じの仕切り板であるセラミックス表面の最大電界強度が約2.7倍となることが解析コードにより明らかになった。このためピルボックス部をオーバサイズにし、さらにセラミックス材として、熱伝導率がベリリアとほぼ同等で、熱膨張係数が約半分である窒化アルミナを使った解析を行った。その結果、電力密度が約2.42倍またセラミックスの電界分布は標準サイズと異なるが、最大電界強度が1.62倍に押さえられた幾何学的構造が得られた。本講演では、これらの解析結果について詳細に述べる。

論文

Development of high RF efficiency 5GHz klystron for LHRF system in next tokamak machine

前原 直; 今井 剛; 永島 孝; 伊藤 聡志*; 手塚 勝彦*; 三宅 節雄*; 米澤 宏*; 大家 圭司*

Fusion Technology 1994, 0, p.561 - 564, 1995/00

将来のLHRFシステムの総合効率50%以上及びシステムの簡素化のために、RF効率60%以上かつRF出力700kW以上を目指した5GHzクライストロンの開発を進めている。設計では、出力空洞での熱負荷を最小限に押さえ、設計条件を満足する各パラメターの最適化を行った。この結果、ビームパラメターとして、低パービアンス0.7$$mu$$P(入力電力1.3MW)およびホロー・ビームを採用することにより、設計条件を満たすことが分かった。またパルス幅15$$mu$$sec.における試作球の出力試験において、上記性能を確認した。本講演では5GHzクライストロンの設計およびパルス幅15$$mu$$sec.における試作球における出力試験結果について、詳細に報告する。

論文

JT-60のLHRF電流駆動実験

今井 剛; 牛草 健吉; 池田 佳隆; 内藤 磨; 吉田 英俊; 関 正美; 伊丹 潔; 永島 圭介; 上原 和也; 永島 孝

核融合研究, 65(SPECIAL ISSUE), p.99 - 118, 1991/03

低域混成波帯(LHRF)の電流駆動実験を行い、2MA、3秒の非誘導電流駆動、最大電流駆動積(ne・R$$_{p}$$・I$$_{RF}$$)~12.5$$times$$10$$^{19}$$m$$^{-2}$$MAを実現した。ダイバータ配位が、ホットスポットを抑制するのに有効である。電流駆動効率を改善するには、高Te、低有効電荷数が良いことがわかるとともに、マルチジャンクション型の結合系を用いることにより、磁場方向の屈折率(N$$_{11}$$)のスペクトルを最適化することが有効であることを実験的に示し、通常の電流駆動用結合系に比し、30~40%の改善を達成するとともに、最大3.4$$times$$10$$^{19}$$m$$^{-2}$$A/Wの電流駆動効率を実現した。低域混成波電流駆動により電流分布制御、及び、鋸歯状振動の抑制が可能であること、また、電流立上げ時の磁束節約が可能であることを、明らかにした。

論文

Hモード実験

嶋田 道也; 鈴木 紀男; 中村 博雄; 辻 俊二

核融合研究, 65(SPECIAL ISSUE), p.185 - 200, 1991/03

JT-60におけるHモード実験の総括。JT-60は重水素が使用できないという制約がある一方(1)外X点と下X点ダイバータの比較(2)低域混成は、イオンサイクロトロン波による高周波加熱とNBIとの複合加熱が可能(3)低域混成波による電流駆動が可能(4)高加熱入力、長パルスの実験が可能などの特徴を生かした実験が可能である。結果をまとめると(1)外X点、下X点の両方においてHモードに特有の現象を確認した。下X点の方が再現性よく、ELMのない状態が持続する。エネルギー閉じ込めの改善は10%程度であった。(2)高周波加熱とNBIを組み合わせることにより再現性及びHモードの持続時間が長くなる。(3)チタン・ゲッターによって不純物制御を行い閾値パワーを14MWから9MWに低減しエネルギー閉じ込めの改善を30%にすることができた。(4)LH電流駆動によるHモードを世界ではじめて達成した。

論文

Construction and testing of the new multijunction LHRF launcher for JT-60 upgrade

関 正美; 池田 佳隆; 小西 一正*; 今井 剛; 高橋 春次; 横倉 賢治; 沢畠 正之; 菅沼 和明; 佐藤 稔; 藤城 賢司*; et al.

Fusion Technology 1990, p.1060 - 1064, 1991/00

高効率の電流駆動を目指して高周波特性のよいランチャを製作するためには、導波管の薄い「仕切り板」の変形を極力抑えられる製作技術の確立が重要であった。JT-60Uの新型マルチジャンクションLHRFランチャの製作にあたっては、拡散接合を応用した製作技術を開発しその有用性をプロトタイプにて確認するとともに実機に採用した。製作されたランチャを使って高周波の性能試験を行い、位相量とパワー分配比が測定されその誤差は高帯域の周波数にわたって許容範囲内にあり、ほぼ設計値の放射スペクトルが期待され実験条件に合わせて最適のスペクトルが選択できる。大電力の高周波パワーを真空容器内に入射することによって耐電力試験を行いながら同時にランチャーのプリエーシングを順調に進め、単パルスながら入射パワーが一導波管当り~400kWまでに達した。このパワーは、実機の最大運用値の約1.6倍にもなり、電流駆動実験等において安定に大電力のパワーを入射できると期待できる。JT-60Uの高温度プラズマにて本ランチャによる電流駆動実験により、定常化トカマクへのデータベースが得られると思われる。

論文

Study of divertor heat flux in auxiliary heated discharges in JT-60

伊丹 潔; 福田 武司; 池田 佳隆; 今井 剛; 河野 康則; 久保 博孝; 西谷 健夫; 嶋田 道也; 辻 俊二; 牛草 健吉

Journal of Nuclear Materials, 176-177, p.504 - 511, 1990/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:57.82(Materials Science, Multidisciplinary)

JT-60の中性粒子加熱及びLHRF加熱放電におけるダイバータ熱流束が研究されている。エネルギーバランスの観点では、中性粒子加熱放電では入力パワーの50%、LHRF放電では75%のパワーがダイバータへ入力する上限のパワーである。熱流束のプロファイルはスクレイプオフ層の厚みを反映するが、中性粒子加熱放電とLHRF加熱放電の間に大きな違いはない。半値巾は約4cmから6cm程度で、主プラズマ近傍でのスクレイプオフ層の厚みに直すと、1cmから2cmの厚みに相当する。ダイバータへの熱負荷を減少させる試みとしてX点スウィングを行なった。この実験では20MWの中性粒子加熱入力を3秒間行い、ダイバータ板温度上限が約20%抑制された。

論文

Volt-second saving by lower hybrid current drive in JT-60

内藤 磨; 牛草 健吉; 池田 佳隆; 今井 剛; 木村 晴行; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 30(6), p.1137 - 1139, 1990/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:24.05(Physics, Fluids & Plasmas)

非誘導電流駆動により、トカマクのジュール一次側電源の負担を軽減することは、将来装置のコイル、電源の簡素化、運転領域のマージンをとる上で有効である。JT-60では2MW、2.5秒の低域混成波入射により2.5V・Sまでの磁束節約が行われた。節約された磁束は低域混成波のパワー密度の時間積分に比例して増大し、ITERクラスの装置では数十V・Sの磁束節約が期待できる。また、この低域混成波による磁束節約は、安全係数が3以下になるときでも概ねMHD不安定性を起こすことなく使えることがわかった。

論文

Enhancement of energy confinement by acceleration of fast ions in combined lower hybrid and neutral beam heating on JT-60

今井 剛; 牛草 健吉; 池田 佳隆; 根本 正博; 草間 義紀; 松岡 守; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 30(1), p.161 - 168, 1990/01

 被引用回数:11 パーセンタイル:48.1(Physics, Fluids & Plasmas)

中性粒子ビーム(NB)入射による高速イオンを低域混成波(LHW)により加速し、イオン・テイル温度60keVの非常に強力なイオンテイルを生成した。LHW加熱と組合せた、NB加熱によるインクレメンタル・エナージ閉じ込め時間が2倍以上改善され、110msに達した。高速イオンの閉じ込めが良く、この高速イオンによる寄与により、閉じ込め改善の説明が可能である。このビームイオンの加熱過程は、準線型理論によく一致する。

論文

Development of super high power klystron-system for JT-60 LHRF heating and current drive

今井 剛; 池田 佳隆; 前原 直; 藤井 常幸; 坂本 慶司; 三枝 幹雄; 本田 正男; 横倉 賢治; 沢畠 正之; 上原 和也; et al.

Fusion Engineering and Design, 13, p.177 - 185, 1990/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:31.79(Nuclear Science & Technology)

2GHz帯の1MWクライストロンを24本用いた高周波加熱装置が、JT-60において、開発され、成功りに運転された。装置の性能を、実際のプラズマ負荷で調べた。超大電力のクライストロン・システムは、サーキュレータ無で、不安定なプラズマ負荷に対し安定に動作した。4段8列の3つの結合系から、11MW迄・プラズマへ入射し、そのRF源での出力は、17MW迄に達した。

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