原型炉ECHに向けたマルチMWジャイロトロン発振の研究

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26249141
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 今井 剛 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80354637)
• 研究分担者: 假家 強 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30451678) ; 南 龍太郎 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70370476) ; 下妻 隆 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80270487) ; 坂本 慶司 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉材料研究開発部, 部長(定常) (90343904) ; 森山 伸一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, 上席研究員(定常) (90354654)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: ジャイロトロン / ECH / プラズマ加熱 / モード変換器 / 円筒共振器 / エネルギー回収 / 原型炉 / 電子ビーム分散

研究実績の概要

核融合原型炉では、大型の高密度プラズマの内部加熱・電流駆動とその制御が不可欠であり、100MWレベルの加熱パワーが必要となる。核融合炉に適した電子サイクロトロン加熱（ECH)でこれを構築するには、ミリ波帯で単管3ー5 MWジャイロトロン・マイクロ波管の開発が切望されている。本研究では、2MWレベルの発振を目指す。必要な電子管の主要部品は、100kV近い電圧で100A近い電子ビームを生成する電子銃部、2MW以上の発振が可能な共振器、効率よくミリ波をガウス状ビーム様の波形にするモード変換器・ミラー系、発振後の電子ビームの受熱器のコレクター、高パワー密度のマイクロ波の出力窓である。２６年度に設計と部品製作、２７年度にはモード変換器等の主要部品を製作し、全体組み立て、高温真空排気を終えた。本年度は、ジャイロトロン管としての仕上げを行い、筑波大の試験設備へ据え付けを行い、通電試験を開始した。電子銃の特性等の基本動作を確認した後、28GHzでの発振試験を開始し、主磁場超伝導コイルの調整を行うとともに、出力の主磁場依存性、電子ビーム電流依存性、アノード電圧依存性、エネルギー回収電圧依存性等の発振の基礎特性の初期試験まで実施した。電源の制限のため、55 A程度迄の試験が限界であったが、最大約1.3MWの出力を確認するとともに、28GHzでの設計通りのモードの発振を確認、電子ビームの分散が設計よりも大きいことを示唆するデータを取得し、今後の、実験調整点や設計改良点を抽出できた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

予定通り2MW級ジャイロトロンの製作が完了して初期試験を実施し、基礎特性の取得と、28GHzで最大約1.3MWのマイクロ波出力を得るとともに、設計通りの発振モードの確認や電子銃等の改良点の抽出ができた。

今後の研究の推進方策

２９年度はさらなる発振調整と電源の増力により、性能を向上し、1.5MW程度の出力を達成し、さらに改造のポイントを明確にして、改良設計を行い、最終年度迄に改造実施し、また、電源設備の準備を進め、2MWレベルの発振を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Measurement of effect of electron cyclotron heating in a tandem mirror plasma using a semiconductor detector array and an electrostatic energy analyzer (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Minami, T. Imai, T. Kariya, T. Numakura, M. Uehara, K. Tsumura, Y. Ebashi, S. Kajino, Y. Endo, and Y. Nakashima
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 ページ: 11E306
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4959574
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of new mirror antenna for generation of high intermittent heat flux in GAMMA 10 tandem mirror (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Minami, T. Imai, T. Kariya, T. Numakura, K. Tsumura, Y. Ebashi, S. Kajino, Y. Endo and Y. Nakashima
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1771 ページ: 030003
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4964159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of 28/35GHz dual-frequency gyrotron for ECH study (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Kariya, T.Imai, R.Minami, K.Tsumura, Y.Ebashi, H.Idei, K.Hanada, M.Ono, K.Komurasaki, T.Numakura, Y.Endo, Y.Nakashima
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1771 ページ: 030020
  • DOI: doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.4964176
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Code development for the calculations of time-dependent multimode oscillations in the cavity of the future high-power gyrotrons (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Numakura, T. Imai, T. Kariya, R. Minami, K. Tsumura, Y. Ebashi and S. Kajino
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1771 ページ: 030023
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4964179
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 核融合プラズマ加熱用ジャイロトロン開発研究の進展 ー筑波大学に於ける研究を中心にー (2017)
  • 著者名/発表者名: 今井 剛
  • 学会等名: 「GHz～THz帯における高電力発振源の開発と応用」研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所（岐阜県土岐市）
  • 年月日: 2017-01-29 – 2017-01-29
  • 招待講演
• [学会発表] 高出力発振ジャイロトロンのための計算コード開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 沼倉友晴,今井 剛,假家 強,南龍太郎,津村康平,江橋優斗,梶野悟史,岡田麻希,中嶋洋輔
  • 学会等名: 第33回 プラズマ・核融合学会 年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] 核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 假家 強
  • 学会等名: 第33回 プラズマ・核融合学会 年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Over MW Gyrotrons for Fusion at Frequencies from 14 GHz to Sub-terahertz (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kariya, T. Imai, R. Minami, T. Numakura, K. Tsumura, Y. Ebashi, Y. Endo, R. Ikezoe, Y. Nakashima, K. Sakamoto, Y. Oda, R. Ikeda, K. Takahashi, T. Kobayashi, S. Moriyama, T. Shimozuma, S. Kubo, Y. Yoshimura, H. Takahashi, H. Igami, T. Mutoh, H. Idei, K. Hanada, K. Nagasaki, M. Ono, T. Eguchi, Y. Mitunaka, et.,al.
  • 学会等名: IAEA-FEC2016
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center,Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • 国際学会
• [学会発表] Non-inductive Electron Cyclotron Heating and Current Drive with Dual Frequency (8.2 /28 GHz) Waves in QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Idei, T. Onchi, T. Kariya, K. Hanada, T. Imai, A. Ejiri, H. Togashi, T.I. Tsujimura, S. Kubo, O. Watanabe, K. Mishra, K. Nakamura, A. Fujisawa, Y. Nagashima, M. Hasegawa, S. Kawasaki, A. Higashijima, T. Nagata, H. Zushi, Y. Takase and A. Fukuyama
  • 学会等名: IAEA-FEC2016
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • 国際学会
• [学会発表] Code Development for the Calculations of the Time- dependent Multimode Oscillations in the Cavity of the Future High-Power Gyrotrons (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Numakura, T. Imai, T. Kariya, R. Minami, K. Tsumura, Y. Ebashi, S.Kajino
  • 学会等名: 11th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement. Budker Institute of Nuclear Physics
  • 発表場所: Novosibirsk, Russia
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-12
  • 国際学会
• [学会発表] Development of 28/35 GHz dual-frequency gyrotron for ECH study (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Kariya, T.Imai, R.Minami, K.Tsumura, Y.Ebashi, H.Idei, K.Hanada, M.Ono, K.Komurasaki, T.Numakura, Y.Endo, Y.Nakashima
  • 学会等名: 11th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement. Budker Institute of Nuclear Physics
  • 発表場所: Novosibirsk, Russia
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-12
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of ECH Effect in a Tandem Mirror Plasma Using a Semiconductor Detector Array and an Electrostatic Energy Analyzer (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Minami, T. Imai, T. Kariya, T. Numakura, M. Uehara, K. Tsumura, Y. Ebashi, S. Kajino, Y. Endo and Y. Nakashima
  • 学会等名: the 21st Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD)
  • 発表場所: Madison, Wisconsin, USA
  • 年月日: 2016-06-05 – 2016-06-09
  • 国際学会
• [備考] プラズマ研究センター
  • URL: http://www.prc.tsukuba.ac.jp/wp/