原型炉ECHに向けたマルチMWジャイロトロン発振の研究

2017 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(名誉教授), 名誉教授 (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 / 電子ビーム速度分散 / 核融合原型炉 / モード変換器

研究実績の概要

原型炉では、100 MWレベルの加熱パワーで大型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る。原型炉の厳しい環境に適した電子サイクロトロン加熱(ECH)システムによる構築には、単管3-5 MWのマルチMWジャイロトロン開発が切望されている。本研究では単管2MWレベルの発振を目指す。ジャイロトロンの主要部品は、100 kV近い電圧で、100A近い大電流リング状電子ビームを発生する電子銃、定常で2MW以上の発振が可能な共振器、効率よく導波管モードの電磁波をガウス状の準光学モードに変換するモード変換器・ミラー系、高パワーのミリ波を透過させる出力窓、発振後の電子ビームのエネルギーの受熱用コレクターである。特にマルチＭＷを目指す上で重要な開発要素は、分散の少ない電子ビームを発生する電子銃と、高効率のモード変換器である。H27年度までに、これらの主要部品を設計製作し、H28年度初頭にジャイロトロン管として仕上げ、試験を開始し、既存電源の限界の電子ビーム電流55Aまでの試験を実施し、高効率のモード変換器の性能確認と約1.3 MWの出力を得たが、高電流領域での効率の低下が観測された。 本年度は、ジャイロトロン軸等の調整でさらなる高パワーを目指したが、改善を見られなかった。その原因を追求するために詳細な電圧電流特性や磁場特性、さらには、コレクターへの電子ビームの当たり具合を実験的に調べたところ、電子ビームの速度分散が設計より大幅に大きく、その原因が、電子ビームの軌道が歪んでいることからきていることが判明した。この結果を踏まえて、電子銃の電極の設計改良とジャイロトロンの組み立て時の軸対称性の改善などの対策を入れた改造管を製作、本年度末に完成し、また、電源についても、既存の電源を一部増力し、さらなる高電流領域での実験ができるよう改造、最終年度の実験に向けた準備が整った。

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

計画に沿って発振調整を進め、パワーの更新はならなかったが、高電流領域での低効率の原因が、分散の増大であることを明確にできるとともに、その大きな原因と考えられる問題点が電子ビームの軌道の歪みであることを突き止めた。これらの結果をフィードバックした電子銃部の設計改良、及び、ジャイロトロン組み立て時の軸対称性の改善対策を入れ込んだジャイロトロンの改造を行い、予定通り、本年度中に改造管の製作を完了するとともに、電源の増力改造も計画通りに進めることができ、次年度からの改造管による実験準備がほぼ整った。

今後の研究の推進方策

最終年度となる３０年度は、改造したジャイロトロン管と増力した電源を組み合わせて、実験を実施し、2 MWレベルの発振出力を目指す。出力パワーの電子ビーム電流依存性等を詳細にとることにより、円筒型共振器でのさらなる高パワーの可能性についての知見を得る。

研究成果

• [雑誌論文] Development of over-MW gyrotrons for fusion at 14 GHz to sub-THz frequencies (2017)
  • 著者名/発表者名: Kariya T.、Imai T.、Minami R.、Sakamoto K.、Oda Y.、Ikeda R.、Shimozuma T.、Kubo S.、Idei H.、Numakura T.、Tsumura K.、Ebashi Y.、Okada M.、Nakashima Y.、Yoshimura Y.、Takahashi H.、Ito S.、Hanada K.、Nagasaki K.、Ono M.、Eguchi T.、Mitsunaka Y.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 066001～066001
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6875
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Fully non-inductive second harmonic electron cyclotron plasma ramp-up in the QUEST spherical tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: Idei H.、Kariya T.、Imai T.、Mishra K.、Onchi T.、Watanabe O.、Zushi H.、Hanada K.、Qian J.、Ejiri A.、他11名
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 126045～126045
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa7c20
  • 査読あり
• [雑誌論文] 核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 假家強，今井剛，南龍太郎，津村康平，江橋優斗，岡田麻希，中嶋洋輔，出射浩，花田和明，下妻隆，久保伸， 小田靖久，池田亮介，坂本慶司，小野雅之
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 93 ページ: 146～149
• [学会発表] Fully Non-inductive Plasma Current Start-up by Focused Millimeter-Wave Beam in QUEST (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Idei, T. Kariya,, T. Onchi, K. Hanada , T. Imai , A. Ejiri, T.I. Tsujimura , S. Kubo , O. Watanabe, H. Ohwada, K. Yamazaki, K. Nakamura, A. Fujisawa, Y. Nagashima, M. Hasegawa , A. Higashijima, T. Nagata, S. Kawasaki, H. Zushi, Y. Takase, A. Fukuyama
  • 学会等名: the 22nd Topical Conference on Radiofrequency Power in Plasmas.
  • 国際学会
• [学会発表] Code Development for the Calculation of Time-dependent Multimode Oscillations in the Cavity of the Future High-Power Gyrotrons (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Numakura, T. Kariya, R. Minami, Y. Ebashi, S. Kajino, M. Okada, T. Imai
  • 学会等名: 2017 US-EU-JPN RF Heating Technology Workshop and the US-JPN RF Physics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental Study on Generation of High Intermittent Heat Flux by ECH Modulation in GAMMA 10 Tandem Mirror (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Minami, T. Kariya, T. Numakura, Y. Ebashi, S. Kajino, M. Okada, Y. Endo, T. Imai, Y. Nakashima
  • 学会等名: 6th International Workshop on Plasma Material Interaction Facilities for Fusion Research (PMIF2017)
  • 国際学会
• [学会発表] 電子サイクロトロン高密度プラズマ加熱連携研究における2周波数(28/35GHz,14/21GHz)ジャイロトロンの開発とECH実験への適用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 假家強, 今井剛, 南龍太郎, 沼倉友晴, 津村康平, 江橋優斗, 梶野悟史, 下妻隆, 久保伸, 吉村泰夫, 高橋裕巳, 伊神弘恵, 出射浩, 花田和明, 長崎百伸, 斉藤輝雄, 立松芳典, 山口裕資
  • 学会等名: 平成29年度筑波大学プラズマ研究センタ－シンポジューム, 核融合エネルギーフォーラムITER・BA技術推進委員会, ダイバータ研究開発加速戦略方策検討評価WGフォローアップ会合
• [学会発表] Status of Collaborative Research of Gyrotron Developments at University of Tsukuba (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kariya, R. Minami, T. Imai, T. Numakura, Y. Ebashi, T. Shimozuma, S. Kubo, K. Sakamoto, H. Idei, K. Hanada, T. Eguchi, Y. Mitsunaka, Y. Nakashima
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] The Performance Test of 28/35 GHz Dual Frequency-Gyrotron Output Window for CW Operation (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Okada, T. Kariya, T. Imai, R. Minami, T. Numakura, Y. Endo, F. Motoyoshi, Y. Nakashima
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
• [学会発表] Code Development for the Mode Competition in the Cavity of Future High-Power Gyrotrons (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Numakura, T. Kariya, R. Minami, Y. Ebashi, S. Kajino, M. Okada, T. Hojo, F. Motoyoshi, T. Imai, Y. Nakashima
  • 学会等名: Plasma Conference 2017