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03pA01ITER CODAC準拠制御システムによるITER用ジャイロトロンの発振シーケンス制御の実証試験
Demonstration of ITER gyrotron operation
using ITER CODAC standard control system
小田靖久、池田亮介、梶原健、大島克己、林一生、高橋幸司、坂本慶司
Dharmesh Purohit, Mark Henderson
Yasuhisa ODA, Ryosuke IKEDA, Ken KAJIWARA, Katsumi OHSHIMA, Kazuo HAYASHI,Koji TAKAHASHI, Keishi SAKAMOTO, Dharmesh PUROHIT, Mark HENDERSON
原子力機構, ITER機構
JAEA, ITER Organization
ITER の電子サイクロトロン加熱電流駆動シス テ ム は 、 170GHzRF を プ ラ ズ マ に 対 し て20MW 入射する設計であり、24 本の 1MW 出力ジャイロトロンの運転を予定している。日本は24 本のうち 8 本のジャイロトロン[1]を調達するが、これに伴い ITER で動作させるためのジャイロトロン制御システムの開発が必要となる。ITER における制御装置は、ITER の制御機器の標準化を規定する文書である Plant Control
Design Handbook(PCDH)[2]に記載される制御機器、ソフトウェアに準拠することが求められており、新たな制御装置の開発と実証試験が求められている。そこで、原子力機構のジャイロトロン試験装置のために、PCDH に準拠したジャイロトロンローカル制御装置のプロトタイプを開発し、実際のジャイロトロンを用いて RF発振制御の実証試験を行った。
ITER における標準制御システムは、主として以下の 2 種が定義されている。
・Slow Controller
装置の状態監視や比較的低速のデータ収集を目的とし、SIEMENS 社 S7 シリーズ PLC 機器を対象とする。
・Fast Controller
データ収集や比較的高速の制御を目的とし、National Instruments 社 PXI 機器などを想定している。
ジャイロトロンローカル制御システムは、ジャイロトロン駆動の電源機器に加え、超伝導コイルシステム、冷却システム、補機電源類の制御 が 必 要 で あ り 、 図 1 に 示 す よ う に SlowController ならびに、Fast Controller の両者を使用したアーキテクチャを採用している。
本プロトタイプの開発においては、ITER が提供する ITER CODAC Core System(ITER CCS)をプラットフォームとして採用した。ITER CCS
は、大規模加速器分野で開発された制御通信ソフトウェア群である Experimental Physics andIndustrial Control System (EPICS)を採用しており、ヒューマンインターフェース(HMI)などはEPICS ツールが標準採用されている。
本プロトタイプは、ITER の全システムの制御情報を統括管理することを目指して構成されている Self-Description Data(SDD)ツール[4]を通じて設計を行うとともに、Fast Controller、SlowController ともにホスト機材に EPIC ioc サーバーを構築することで、ITER CODAC ネットワークへの直接接続が可能なシステムとして開発を行った。

図 1 ITER 用ジャイロトロン ローカル制御システムのアーキテクチャ
日本が調達する ITER 用ジャイロトロンのための電源システムの構成を図 2 に示す。三極管型電子銃を有する日本の ITER 用ジャイロトロ
ンは、主電源(MHVPS)に加え、アノード電源(APS)、ならびに CPD 運転用のボディー電源

(BPS)という複数の電源を配置し、さらにダブ
ルスイッチ型アノードスイッチにより NTM に同期させた高速変調運転を実現する。原子力機
構では、ジャイロトロン試験装置を ITER における電源構成に変更し、ITER に近い環境でのジャイロトロン動作環境での試験を進めている。ITER 用ジャイロトロンの制御システムにおいては、特に各々の電源の立ち上がり時間を考慮した統括制御シーケンスが必要である。そこで、Fast Controller のデジタル入出力から各電源のスタートタイミング指令を制御するシステムを構築し、各電源の高電圧発生のスタートトリガと回路への電圧印加を制御する高電圧スイッチの動作タイミングを設定した。

制御機器を用いたジャイロトロン運転シーケンスは、長パルス運転ならびに、高速変調動作でも用いられる予定であり、現在は、長パルス動作に向けた試験の準備を進めている。

図 3 ジャイロトロンの 1ms パルス運転の運転
波形

現在、原子力機構ではITER機構からの有償タスクにより、ITER ECシステム全体の制御アーキテクチャの実証試験を目指している。ITERのECシステムは、RF発振源となるジャイロトロンのほか、電源設備、伝送系、ランチャーといったサブシステムが異なる極から調達されるため、サブシステムごとに制御システムを持たせ、これをECシステムのPlant Controller HostとなるEC Main Controllerが、ECシステム全体を統図 2 ITER 用ジャイロトロンの電源構成括制御することが求められている。なお、ECMain Controllerはトカマク本体やプラズマ制御
ITER 用ジャイロトロンの発振シーケンスでは、主電源（カソード電源）、ボディー電源、 システムなどからの制御情報のゲートウェイとしての機能を有している。原子力機構では、アノード電源をスタートさせ、同じ時刻に設定ITER用長パルスジャイロトロンの試験装置に、電圧に到達するようにスタートタイミングをITER準拠の導波管を用いた長距離伝送系の試制御する。続いて、主電源からの供給を行う
験設備、ならびにITER用水平ポートランチャー
IGBT 主回路スイッチを動作させ、カソードにの実物大モックアップを有しており、実機シス電圧を印加する。この時、ダブルスイッチ型アテムに近い条件でのシステム統合試験を実施
ノードスイッチによりジャイロトロンのアノード・カソード間電位を短絡させることにより、 することが可能である。現在は、ECシステム全体の制御アーキテクチャ案をベースとし、原子ジャイロトロンにおけるビーム電流を停止さ力機構の試験設備に適用できるアーキテクチせる。その後、所定のタイミングでアノードスャの設計を進めており、来年度中の実装と統括イッチを動作させてアノード・カソード間電圧動作の実証試験を実施する予定である。
を印加することにより、ビーム加速電圧の変化に伴う過渡的状態を経ずにジャイロトロンの参考文献ビーム電流を発生させることが可能となる。ジ
[1] K. Sakamoto, et al., “Progress of high power 170ャイロトロン試験装置での実証試験では、図 3
GHz gyrotron in JAEA,” Nuclear Fusion, 49, 095019に波形を示すように各電源の立ち上がり後、主(2009).
[2] ITER document “Plant Control Design Handbook,”
回 路 ス イ ッ チ と ア ノ ー ド ス イ ッ チ を Fast
ITER_D_27LH2V_v7
Controller より時間差をもたせて動作させ、ジャ[3] ITER document “Plant System I&C Architecture,”
イロトロンのビーム電流発生の制御を確認す
ITER_D_32GEBH_v2.4
るとともに、所定のタイミングにて 170GHz 帯[4] ITER document “Self-description Data
RF ビームを発振させることに成功した。
Documentation and Guidelines,”ITER_D_34QXCP_v2.1
ITER での運転に準拠した電源構成ならびに