QUEST	  装置における28GHz	  ジャイロトロンシステムを	  用いた連携研究の最近の成果とPWI研究の進展	  	  	  九州大学	  QUEST	  チーム	  筑波大学	  GAMMA-­‐10/PDX	  グループ	  2011-­‐2012:	  ジャイロトロン電源・周辺機器整備	  2012-­‐2013:	  ジャイロトロン管据付・発振調整	  	  2013~	  :	  QUEST	  における加熱・電流駆動実験	  Non-inductive Operation in QUEST	

2	

Gyotron Development at Tsukuba University [ 28GHz ]	]【High Power mm-Wave Source】	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

28 GHz gyrotron has beendeveloped for Gamma-PDX
projects at Tsukuba
University by themselves.
Bi-directional collaboration
among National Institutefor Fusion Science (NIFS),
Tsukuba Univ. and Kyushu
Univ. has been begunsince 2011.	  Gyotron Development at Tsukuba University [ 28GHz ]	]【High Power mm-Wave Source】	

Beam Current [A]	1MW	[2013]	

Beam Current [A]	25A	  @70/75kV	  -­‐-­‐-­‐-­‐	  Kyushu	  University	

600 kW power level is available for 2s injection.
The oscillating efficiency is improved to attain more than 1MW output.	

Oscillating Efficiency [%]	Oscillating Power ]kW]	

Oscillating Power ]kW]	

Oscillating Efficiency [%]	QUEST Advanced Fusion Research Center�[2013-] mm-Wave Heating and Current Drive [ 28GHz ]	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

2nd	  :28GHz	
Waveguide	
Gyrotron	Anode	  Power	  Supply	
1st	  :8.2GHz	

EBWH/CD	  Exp.	  Scenario： 	  1)	  1st	  	  :	  8.2	  GHz:	  producMon	  	  	  	  	  	  	  2)	  2nd	  	  :	  28	  GHz	  :	  density	  ramp-­‐up	  	  	  	  	  	  	  3)	  1st	  	  :	  8.2	  GHz	  :	  EBWCD	ECH/CD	  Exp.	  	  	  	  	  Plasma	  start-­‐up	  and	  sustainment	  	  with	  assistance	  of	  8.2	  GHz	  injecMon	  	電子ビームeeHEP3`/)=VO4!&ハイパワーなだけでなく&幅広いラインナップで最適なモデルを選択できる&5&&=UVY&^&.UU&;S&<=VO>&&&&0UVY&^&&&(U&;S&<=VO>

コレクタ

28GHz	  ジャイロトロン管電源系の整備	
series
出力窓

準光学ミラー

電磁波・コレクタ電圧・電流の制御（定常大電力クライストロンとの共用）
キャビティ
モード変換器・ジャイロトロンタンク整備
コレクタ電源(~60kV)`R0VY
・アノード電源部（電源、スイッチング、インターロック）の整備
超伝導ボディ電源(~80kV)

マグネット

5 &/)-0b&U).j&8?84&
高圧5 & !
3_.UU;
汎用高圧電源	
アノード電源(~35kV)&_=UVY プローブ	&& b&_.U;74
アノード電流検出	半導体スイッチ	特長・ クラス最小の超小型、軽量設計で省スペース化に大きく貢献

電子銃

・ 豊富なリモートコントロール機能を標準装備
・ 定電圧(CV) / 定電流(CC)モード自動切換え

・ 出力短絡保護、アーク放電保護による安全設計（別売）
によるコンピュータ制御も可能
・ USB、RS-232C、RS-485、イーサネット、GPIBインターフェース

概要
HEPシリーズは最大6.4kWのハイパワーを19インチラックサイズで実現した高性能高圧電源です。
幅広いラインナップからご用途に応じた最適のモデルを選択していただけますので、 '%)( "#& 1 b`.c74

必要以上にコストをかけることなく導入していただけます。低ノイズで安定した出力を得られるだけでなく!/) 3_.UU;74&

豊富なリモートコントロールや万全の保護機能により使いやすさと高い信頼性も兼ね備えています。

直流給電やスマートグリッドといった次世代の給電設備で用いられるIGBTやブレーカなどの各種電子部品の耐圧試験、またそれ以外の様々な用途にも安心してご利用いただける高圧電源です。

主な用途

給電ルート
変更

インバータやパワーデバイスの検査、評価
ATE（Automatic Test Equipment）、X線装置、電子部品エージング、電子ビーム、イオンビーム、イオンインプラテーション、キャパシタ充電、絶縁耐圧試験、各種高圧実験など

2・耐電圧試験： 75kV	  １０分 良好	  ・アノード過電流検出でのアノード電圧：	  	  	  高速遮断 １μs以下	  ・アノード過電流検出でのカソード電圧	  	  	  高速遮断 5.4μs(10μ以内が条件）	  ・耐ノイズ試験:	  クローバ動作でも、大きなノイズなし	  	  	  高圧デッキ	

導波管サポート	

冷却水ヘッダ	

ジャイロトロ	  サポート	  ・タンク	
アノード電源	
冷却水配管	

Installation of Gyrotron System in QUEST 	QUEST Advanced Fusion Research Center�

３月２１日：SCM,	  FC75	  チラー、コイル電源等の搬入、据付	  
３月２２日：ジャイロトロン管の搬入	

DCブレーク	

QUEST 本体真空窓	

Non-inductive Start-up and Sustainment [28GHz]
High Density Operation	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

Thomson	  Scaaering	

8.2GHz	  Cutoﬀ	  Density	

28GHz	  220kW	  1s	Including	  Bremss	

4	  gas	  puﬃngs	

Ztop	

Zbottom	Rout	Non-inductive Start-up and Sustainment [28GHz]
Low Density / High Temperature Operation	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

The	  plasma	  current	  of	  25	  kA	  was	  sustained	  in	  low	  density	  plasma.	
28GHz	  2２0kW	  1s	

Shot # 22445

0.5
0.4
0.3
0.2

The	  density	  was	  as	  low	  as	  a	  half	  of	  8.2	  GHz	  cutoﬀ	  density	  with	  no	  gas	  puﬃng.	  

Z [m]

0.1
0-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5

0.2

0.4

0.6

0.8
R [m]

11.2

Non-inductive Start-up and Ramp-up [28 GHz]	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

28GHz	  350kW	  1s	28GHz	  270kW	  1.7s	

Line-integrated density [1018m-2]	

Non-inductive Start-up and Sustainment [28 GHz]	
QUEST Advanced Fusion Research Center�28GHz	  入射条件	

R〜1.5mで放射	  Cold	  Resonance	  は0.32m	

RNφ=const.	

垂直入射でもNφ ∼ 0.4	  程度	  の斜め入射成分を持つ	Inductive Start-up and Non-inductive Sustainment [28GHz]
High Current Operation	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

InducMve	

28GHz	  350kW	  1s	28GHz	  Superposed RF Injection to Ohmic Plasma	
QUEST Advanced Fusion Research CenterRF	  power	  is	  injected	  into	  the	  30	  kA	  ohmic	  plasmas	  controlled	  by	  feedback	  regulaMon	  of	  the	  center	  solenoid	  coil	  current	  to	  maintain	  the	  constant	  plasma	  current.	
w/	  and	  w/o	  PAA	

N//	  scan	  Experiments	

The	  densiMes	  are	  clearly	  increased	  beyond	  the	  cutoﬀ	  by	  the	  RF	  injecMon	  with	  N//,	  compared	  to	  the	  perpendicular	  (without	  N//)	  injecMon,	  while	  the	  changed	  plasma	  currents	  and	  loop	  voltages	  do	  not	  depend	  on	  the	  incident	  N//	  condiMons	  well.	

Propagation and Deposition Analysis with TASK/WR + α code	
QUEST Advanced Fusion Research Center

NO	  PropagaMon	  Without	  N//	The	  minus	  (-­‐)	  sign	  of	  NPAA//	  is	  changed	  into	  posiMve	  (+)	  N//along	  the	  propagaMon	  aier	  the	  	  	  mode	  conversion.	  	  	  

Nf	Any	  incident	  (+/-­‐)	  NPAA//	  	  becomes	  large	  posiMve	  (+)	  value	  in	  the	  Bernstein	  wave-­‐propagaMon,	  	  	  and	  are	  +2	  +4	  at	  the	  Doppler-­‐	  shiied	  absorpMon	  layers,	  expecMng	  Fish-­‐Boozer	  eﬀects	  	  	  so	  as	  to	  increase	  the	  plasma	  current.	

Change of N// sign along propagation	

0.1	

QUEST Advanced Fusion Research Center�
0	Vertical(Poloidal)
N scanning.

y [m]

0.4

Group Velocity	
Z [m]	

0.8+1.5+2.5
final N//= +3.30	

Q-0.5
-1.5
B
-2.0
0.0

-0.1	
0	100	

I

p-0.4

0	

Cold
Resonance
0.5
1x [m]>>	

1.5

QIn the electrostatic B-wave, Nθ or kθ contribution
is dominant in the N// evolution not near themid-plane of the torus.	

Ray trajectories
in poloidal sections 	

-0.1	-300	
300	

Phase Velocity	

Bθ	0.4	0.8	kθ Bθ	k//	kθ Bθ	1.2	R [m]	kϕ Bϕ	
k evolutions along
the propagations	k//	
0	-200	0	kϕ Bϕ	0.4	0.8	1.2	R [m]	

密度勾配調整への試み 内側→外側ガスパフ	
QUEST Advanced Fusion Research Center�

外側ガスパフでの高密度運転・密度	  勾配調整への試み	  	  Ø 2	  x	  1018m-­‐3：高密度化	  Ø 上下対称	

28	  GHz	  2nd	  Resonance	   8.2	  GHz	  1st	  周辺（R~0.8m付近）で、高い密度勾配	  Resonance	  	  8.2	  GHz	  共鳴層付近で加熱効果？	  

内側ガスパフ	外側ガスパフ	外側ガスパフ	PF35-­‐2	  による縦長断面制御	  8.2GHz	  入射時に	  Bz~0.02T	  	  8.2GHz	  入射時に遮断密度	  8.2GHz	

28GHz	
（垂直磁場の影響?）	  	  1.3	  s	  設定が <	  1s	  	  28	  GHz	28	  +	  8.2	  GHz	

Nθ,	  Nφ, 偏波面スキャン	

再現性の範囲を超えた明確なNθ,	  Nφ, 偏波面依存性はない。	  	  8.2	  GHz入射 で電流増加する条件なし	

今後の予定：		  	  	  トムソン散乱計測で8.2GHz	  重畳入射時の電子温度・密度分布計測	  	  	  	  モード変換条件の検討 	  	  入射条件の考察	  	  ８月２８日：
９月：	  

	  電源改修で 450kW	  入射調整 完了	  ~150ms	  発振	  	  450kW	  1s	  実験	600	  kW	

できれば、引き続き、斜め入射アンテナシステムを準備し、本格的なECHCD	  実験を目指したい	Historical development for SSO on QUEST	

Pulse Duration (s)100
10LimiterIBnullDivertor

10.1

2010

2011
A/W

S/S

10000

S/S

15000
Shot No.

A/W

2012
S/S

A/W

20000

How to estimate deposited power tothe vacuum vessel	
4#18836-18883

Energy to Vacuum Vessel (MJ)

Vacuum Vessel Temp.

50454035

Upper 315
Upper 45Lower 326
Lower 5630250

5101520

Time (sec)

25 30x10

3Vacuum	  vessel	  temperature	  is	  a	  good	  monitor	  of	  deposited	  energy,	  because	  thermal	  insulaMon	  of	  the	  vessel	  is	  quite	  good	  as	  shown	  in	  the	  temperature	  ﬂatness	  during	  lunch	  Mme.	  	

344.2kW210~60%	  of	  Pin	020

406080100

RF pulse length (s)Injected	  power	  was	  70kW	  and	  63%	  of	  the	  injected	  power	  was	  deposited	  on	  the	  vacuum	  vessel.	  	6050

LimiterIBnullDivertor

Vessel140

Fitted Parameters:
β :0.41558
Inner
MovablepDivertor
β :2.9955t
Limiter
30 Limiter
li:1.011
q95:4.811
20
δ : 0.20597
upδ
down: 0.20597
10
κ: 1.0582
Estor: 3736.2507J
0IP: -108500.1 A+
IP: 0 A
Summary	  of	  heat	  load	  distribuMon	  on	  various	  magneMc	  conﬁguraMon.	  	  Inner	  limiters	  locate	  on	  center	  stuck,	  and	  divertor	  limiters	  on	  divertor	  plates,	  and	  a	  movable	  limiter	  locates	  on	  outer	  vessel.	  	

JRZ shot:10760 Time: 1440ms

0.8

0.6

0.4

0.2

Z/m

Power fraction (%)

Calorimetric measurement was applied to investigate
heat load distribution in various magnetic configuration

0-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

0.2

0.4

0.6

0.8

R/m

1

1.2

1.4

Measu
IP: -1
IPF17:
IPF26:IPF35:
IPF42A
IextraP
IHCUL
FittedIP: -1
IPF17:
IPF26:IPF35:
IPF42A
IextraP
IHCULCurRCurZ:
MagRMagZ

Various types of magnetic configurations are applied.	  
Limiter	  ,	  Non-­‐inducQve	  SN	  Divertor	  ,	  High	  βp (	  Natural	  Divertor	  )	  	  	   	0.80.6

rameters:
586.2507J
00.1 A

0.4

0-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

Measured
1.0 Parameters:
IP: -108499.797
13417 t=10s
IPF17: 1077.304
IPF26: 1241.405
IPF35: -6.7895
0.5 : -600.9293
IPF42AB
IextraPF: 0
IHCUL: -1.3646
Fitted Parameters:
IP: -108500.094
0.0
IPF17: 1077.3015
IPF26: 1241.3992
IPF35: -6.7894
IPF42AB: -600.9293-0.5: 0IextraPF
R0 : 0.76[m]
IHCUL: -1.3646<a> : 0.38[m]A : 2.01
CurR: 0.76
κ : 1.65
CurZ: 1.04e-004
δ : 0.45
MagR:-1.0 0.81
MagZ:
1.05e-004
0.2
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2Z(m)

0.2

Z/m

597
20597

JRZ shot:10760 Time: 1440ms

0.2

0.4

0.6

0.8R/m11.2

1.4

1.011991 t=2.66s

0.5Z(m)

10.0

-0.5

-1.00.2

R0 :0.79 m
a :0.27 m
A :2.92
εβ p :1.50.4

0.6

0.81.01.2

R(m)Fig.	  1	  	  Typical	  waveform	  of	  (a)Ip,	  (e)	  bp+li/2	  and	  R,(f)	  Prf	  and	  Bv	R(m)Fig.	   2	   (L)	   standard	   SN	   divertor	   and	   (R)	   high	   bp	   plasma	   with	   a	  natural	  divertor.	

A=1.4	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  2.0	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  2.9	26	

Three time scales of interest in particle balance	
One	  Shot	  	  ECRDC	

One	  day	  	  One	  experimental	  campaign	  2012 _6/11～7/27（50days）
Qgas Red : total amount of Gas
Qpump Blue : total pumped gas particles
Qwall black : wall retention
Total discharge duration <<< 50 days

Qwall = Qgas − Q pumped

Heat load can be removed in SSO on QUEST	Divertor	 Limiter	Rf	  power=40	  kW	ParQcle	  recycling	

PFC Temp. is constant	
Heat	  load	  on	  PFCs	

3	  min	  in	  IBN@	  40	  kW	  with	  cooling	  the	  limiters	  and	  for	  	  107	  s	  @	  100	  kW	  in	  SN-­‐Lim.	  These	  28	were	  demonstrated	  without	  using	  recycling	  FB	  control.	  	  	Future Plan – Hot wall –	RadiaMon	  Shield	Heater	Cooling	  paneHot	  wall	

Vacuum	  Vessel	

Thermal	  Isolator	

29	

Some	  cooling	  channels	  will	  be	  installed	  on	  the	  vessel