原型炉ECHに向けたマルチMWジャイロトロン発振の研究

2018 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 トカマクシステム技術開発部, 次長(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 / 電子ビーム速度分散 / ECH / 核融合原型炉 / モード変換器

研究実績の概要

原型炉では、大型高密度のプラズマの内部加熱・電流駆動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)による加熱・電流駆動システムの構築には、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2 MWレベルの発振を目指す。ジャイロトロンの主要部品は、100kV近い電圧で100Aレベルの大電流リング状電子ビームを発生する電子銃、定常で2MW以上のミリ波発振が可能な共振器、高効率で導波管モードのミリ波を準光学ガウス状ビームにするモード変換器、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を受熱するコレクターである。特にマルチMWを目指す上で重要なのは、100Aレベルで分散の少ない高品質のビームを発生する電子銃と超高効率のモード変換器の開発である。
前年度までに改良したジャイロトロンを熱処理し、仕上げを行った。最終年度は、電子銃の改良後の予備的な性能試験をおこなったのち、高電流領域での高パワー試験の実施途中で、不具合が生じ電源の改修が必要となった。改修を終えたのち、高電流での試験を実施した。前年度までに達成した28GHz帯での世界最高となる約1.3MWを大きく超える1.65 MWを達成、2MWレベルのパワーが確認できた。前年度までの試験で明らかとなった電子銃部から発出されるリング状電子ビームの速度分散の広がりを、電子銃部の電極形状の改良と、組み立て時の軸対称性のの改善により抑制し、高電流領域での発振パワーの効率劣化を抑制した効果であると考えられる。現状の電源の限界である電子電流65Aまで、飽和することなく電流に対してほぼ直線でのパワー増大を確認できたことから、80 Aまで電流を増大できれば2MWを超える発振パワーが得られる見通しを得た。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Electron heating in over-dense plasma with dual-frequency electron cyclotron waves in the QUEST spherical tokamak (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Idei, T. Onchi, K. Mishra, H. Zushi, T. Kariya, T. Imai, O. Watanabe, R. Ikezoe, K. Hanada, M. Ono, A. Ejiri, J. Qian, K. Nakamura, A. Fujisawa, Y. Nagashima, M. Hasegawa, K. Matsuoka, A. Fukuyama, S. Kubo, M. Yoshikawa, M. Sakamoto, S. Kawasaki, A. Higashijima, S. Ide, Y. Takase, S. Murakami
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 60 ページ: 016030-016043
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab4c12
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Performance Test of Double-Disk Type Output Window of 28/35 GHz Dual-Frequency Gyrotron for CW Operation (2019)
  • 著者名/発表者名: Maki OKADA, Tsuyoshi KARIYA, Tsuyoshi IMAI, Ryutaro MINAMI, Tomoharu NUMAKURA, Yuto EBASHI, Fumiya MOTOYOSHI and Yousuke NAKASHIMA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Res. 巻: 14 ページ: 2405043
  • DOI: 10.1585/pfr.14.2405043
  • 査読あり
• [雑誌論文] Code Development for Calculating Electron Beams in the Cavities of the Future High-Power Gyrotrons (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu NUMAKURA, Tsuyoshi KARIYA, Ryutaro MINAMI, Maki OKADA, Toshitaka HOJO, Fumiya MOTOYOSHI and Tsuyoshi IMAI
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Res. 巻: 14 ページ: 2405052
  • DOI: 10.1585/pfr.14.2405052
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation and Measurement of High Intermittent Heat Flux in GAMMA 10/PDX (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryutaro MINAMI, Tsuyoshi KARIYA, Tsuyoshi IMAI, Tomoharu NUMAKURA, Maki OKADA, Toshitaka HOJO, Fumiya MOTOYOSHI, Takuya YABUSA, Nao HIMENO, Yoichi ENDO and Yousuke NAKASHIMA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Res. 巻: 14 ページ: 2402034
  • DOI: 10.1585/pfr.14.2402034
  • 査読あり
• [雑誌論文] 28-GHz ECHCD system with beam focusing launcher on the QUEST spherical tokamak (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Idei, T. Onchi, T.i Kariya, T. Tsujimura, S. Kubo, S. Kobayashi, M. Sakaguchi, T. Imai, M. Hasegawa, K. Nakamura, K. Mishra, M. Fukuyama, M. Yunoki, S. Kojima, O. Watanabe, K. Kuroda, K. Hanada, etc.
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 146 A ページ: 1149-1152
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2019.02.027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of High Power Gyrotrons for Advanced Fusion Devices and DEMO (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Kariya, R. Minami, T. Imai, M. Okada, F. Motoyoshi, T. Numakura, Y. Nakashima, H. Idei, T. Onchi, K. Hanada, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Takahashi, S. Kubo, Y. Oda, R. Ikeda, K. Sakamoto, M. Ono, K. Nagasaki, T. Eguchi, Y. Mitsunaka
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 ページ: 066009-0660018
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab0e2c
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 28/35 GHz 2周波数ジャイロトロンの定常動作に向けた出力窓の性能評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 本吉郁哉、假家強、今井剛、南龍太郎、沼倉友晴、出射浩、恩地拓己、坂本瑞樹
  • 学会等名: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] ELM模擬実験に向けたメガワット級ジャイロトロンのECHシステムへの適用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 南龍太郎, 假家強, 今井剛, 沼倉友晴, 北條俊孝, 本吉郁哉, 八房拓也, 北爪裕生, 木保孝則, 小島瑶平, 遠藤洋一, 坂本瑞樹
  • 学会等名: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Development of High Power Gyrotrons for Advanced Fusion Devices and DEMO (2018)
  • 著者名/発表者名: T. KARIYA, R. MINAMI, T. IMAI, T. NUMAKURA, M. OKADA, Y. ENDO, Y. NAKASHIMA, H. IDEI, T. ONCHI, K. HANADA, T. SHIMOZUMA, Y. YOSHIMURA, H. TAKAHASHI, H. IGAMI, T. TSUJIMURA, S. ITO, S. KOBAYASHI, S. KUBO, K. SAKAMOTO, Y. ODA, R. IKEDA, K. KAJIWARA, K. TAKAHASHI, T. KOBAYASHI, S. MORIYAMA, M. ONO, K. NAGASAKI, etc.
  • 学会等名: The 27th IAEA FUSION ENERGY CONFERENCE
  • 国際学会
• [学会発表] Performance Test of Double-Disk Type Output Window of 28/35 GHz Dual-Frequency Gyrotron for CW Operation (2018)
  • 著者名/発表者名: Maki OKADA, Tsuyoshi KARIYA, Tsuyoshi IMAI, Ryutaro MINAMI, Tomoharu NUMAKURA, Yuto EBASHI, Fumiya MOTOYOSHI and Yousuke NAKASHIMA
  • 学会等名: The 12th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Code Development for Calculating Electron Beams in the Cavities of the Future High-Power Gyrotrons (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu NUMAKURA, Tsuyoshi KARIYA, Ryutaro MINAMI, Maki OKADA, Toshitaka HOJO, Fumiya MOTOYOSHI and Tsuyoshi IMAI
  • 学会等名: The 12th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generation and Measurement of High Intermittent Heat Flux in GAMMA 10/PDX (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryutaro MINAMI, Tsuyoshi KARIYA, Tsuyoshi IMAI, Tomoharu NUMAKURA, Maki OKADA, Toshitaka HOJO, Fumiya MOTOYOSHI, Takuya YABUSA, Nao HIMENO, Yoichi ENDO and Yousuke NAKASHIMA
  • 学会等名: The 12th International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement (OS2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Loss Electron Diagnostic Systems for Measurements of High Intermittent Heat Flux in GAMMA 10 Tandem Mirror (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Minami, T. Kariya, T. Imai, T. Numakura, S. Kajino, M. Okada, T. Hojo, F. Motoyoshi, Y. Endo and Y. Nakashima
  • 学会等名: 22nd Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] EC加熱電流駆動用ジャイロトロンの開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 假家 強
  • 学会等名: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] ミリ波ジャイロトロン開発と応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 假家 強
  • 学会等名: 第35回プラズマ核融合学会年会
• [学会発表] 28/35 GHz 2周波数ジャイロトロンの性能評価試験とプラズマ加熱に向けたRF伝送試験 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡田麻希，假家強，今井剛，南龍太郎，沼倉友晴，本吉郁哉，姫野奈緒，中嶋洋輔
  • 学会等名: 第35回プラズマ核融合学会年会
• [備考] 筑波大学プラズマ研究センター
  • URL: https://www.prc.tsukuba.ac.jp/wp/