インピーダンス整合速度改善のためのポンプの自動化○神田基成 A)、 野村

吾郎 A)、 齋藤健二 B)、

寛史 B)、 關良輔 B)、 関哲夫 B)

笠原A)
B)

自然科学研究機構 核融合科学研究所 技術部

自然科学研究機構 核融合科学研究所 研究部

1. ICRF 加熱

電力を減らす（以下、整合を取る）装置で、液面高核融合科学研究所では大型ヘリカル装置（以下さ測定のため差圧計が取り付けてある。また、入射「LHD」Large Helical Device）を用いて定常高温高密電力と反射電力は、高周波発振器とスタブの間の同度プラズマの閉じ込め研究を行い、将来のヘリカル軸伝送路に設置してある 2 つの方向性結合器でそれ型核融合炉を見通した様々な視点から学術研究を推ぞれ測定している。本研究所では、1 台のスタブの進している。LHD で使用されているプラズマ加熱方

液面高さを変動させるのに、1 台のポンプ及び複数法の一つに、数十 MHz の電磁波を用いたイオンサの電磁バルブを使用する方法とパルスモーターによイクロトロン周波数帯（以下「ICRF」Ion cyclotronり駆動するシリンダを使用する方法の 2 通りを採っrange of frequencies）加熱がある。ている。図 2 に液体スタブチューナーの構成を示す。

ICRF 加熱装置は大きく分けて高周波発振器、同軸伝送路そしてアンテナで構成されている。図 1 に本研究所の ICRF 加熱装置の概略図を示す。

図 1 ICRF 加熱装置の概略図
2. 液体スタブチューナーについて
プラズマ実験では、実験シーケンスの放電開始か
図 2 液体スタブチューナーの構成

ら、あらかじめ設定された放電時間の間、加熱パワーを入射してプラズマを生成し、インターバル（以下、放電間）を経た後、再び放電するという最短約3 分のシーケンスを繰り返す。その放電中にプラズマ負荷抵抗やアンテナインピーダンスの時間変動により反射電力が生じる。この反射電力は ICRF 入射パワーの悪化だけでなく、高周波発振器の損傷に繋がることもある。
反射電力を軽減するための装置として、同軸伝送路の一部に 2 本または 3 本の液体スタブチューナー（以下、スタブ）を設置している。スタブは、その同軸伝送管の外導体と内導体の間にシリコンオイルを入れ、その液面高さを変化させることによって反射

これまで、整合最適化のフィードバック制御には、ポンプの起動やバルブの開閉による制御時間遅れがあることから、ポンプ駆動は使用せずに、シリンダ駆動を使用してきた[1]。しかし、近年のアンテナ改造に伴い、アンテナインピーダンスの変動速度が上がり、また、整合が取れる液面高さ（以下、整合位置）の変化量が増加し、シリンダのストローク量の限界近くになった。そのため、フィードバック制御における液面高さの変化量及びその速度の増加が必要になり、シリンダに加えてポンプも使用することとした。

2019 年度までは、次の放電の初期整合位置への調整は、放電間にシリンダ制御システムが自動で行っていたが、フィードバック制御にポンプを使用することでシリンダのみでは初期整合位置に調整することができなくなることがあった。その場合、手動制御によるポンプ操作で初期整合位置に調整していた。
そのため、ポンプ制御を自動化することとし、そのプログラムを LabVIEW で作成した。この自動制御方法をポンプ補助方法と呼ぶこととした。
3. 模擬試験
3.1 ポンプの制御プログラム
図 3 にポンプ補助方法における放電中のポンプ制

図 4 放電間のポンプ制御のフローチャート

御のフローチャートを示す。可変容量コンデンサをプラズマ負荷と見立てた模擬試験では、ポンプ補助

3.2 模擬試験の実験結果

方法におけるポンプの駆動条件を、整合位置と現在

図 5 に ICRF パワーの反射率を示す。この図より、の液面高さの差が 0.05m 以上になると整合位置に近パワーの反射率が 23 秒以降、大きく改善しているこづけるようポンプを駆動させるとした。とが分かる。

図 3 放電中のポンプ制御のフローチャート
放電間では、予想される次の放電の初期整合位置に調整しなくてはならない。シリンダ駆動に関しては過去の実験条件から次の放電の駆動方向を予想することができる。シリンダのストローク量には限界

図 5 模擬実験における ICRF パワー反射率があるが、その方向を考慮して放電開始時のシリンダの位置を決めることで、駆動方向のストロークを2 つの制御方法における 3 本のスタブのそれぞれ大きく取ることができる。このように放電間にはシの液面高さ速度をスムージングしたものを図 6 と図リンダの初期位置を設定し、さらにその位置に移動7 に示す。反射率が大きく変化した 23 秒時の液面高させる必要がある。また、シリンダの制御にはスタさ速度を比較すると、ポンプ補助方法がシリンダ駆ブの液面高さを初期整合位置に調整するプログラム動のみのフィードバック制御に比べ、約 1.6 倍となが働いているため、ポンプでシリンダの初期位置をっていることが分かる。

間接的に変えることができる。そこで、図 4 のようまた、放電間にシリンダのストローク量以上に液にシリンダの位置を調整するプログラムを組み込ん面高さの調整が必要な場合のポンプ制御も正常に機だ。

能していた。

図 6 ポンプ補助方法におけるスムージングした図 8 模擬試験におけるポンプ補助方法での整合位

各スタブの液面高さ速度[m/s]

置と液面高さの差[m]また、その影響でスタブの液面高さを測定する差圧計の信号に入るノイズを拾い、ポンプの駆動がチャタリングしやすくなった。そのため、図 9 のようにポンプ制御のフローチャートを改善した。この制御では、放電中のポンプの駆動条件を整合位置と現在の液面高さの差が 0.035m 以上になると、0.015m未満になるまでポンプを駆動する、という駆動条件を設定した。

図 7 シリンダ駆動のみのフィードバック制御におけるスムージングした各スタブの液面高さ速度[m/s]
4. プラズマ実験
4.1 制御プログラムの変更
図 8 に模擬試験におけるポンプ補助方法での整合図 9 実験中のポンプ制御のフローチャート

位置とスタブの液面高さの差を示す。この図のように最大 0.2m 以上あることから、これを減少させるため、ポンプの駆動条件を緩和することとした。

4.2 実験結果
プラズマ実験での ICRF パワーの反射率を図 10 に示す。この図より 8 秒以降でポンプ補助方法がシリンダ駆動のみのフィードバック制御に比べ、ICRF パワー反射率が大きく減少していることが分かる。

参考文献[1] K. Saito et al., “Real-time impedance matchingsystem for ICRF heating in LHD”, Fusion Eng. Des. 83,
245-248 (2008).

図 10 プラズマ実験における ICRF パワー反射率
また、ポンプ補助方法における整合位置と液面高さの差を図 11 に示す。この図より、制御プログラムの変更後は整合位置と液面高さの差が 0.2m 以内に収まったことが分かる。

図 11 ポンプ補助方法における整合位置と液面高さの差[m]5. まとめスタブチューナーの制御に従来のシリンダ駆動にポンプを加えたことで、液面高さ速度が約 1.6 倍になり、ICRF パワー反射率を大幅に減少させられた。
また、これまで手動での操作の必要であった放電間の初期整合位置への調整を自動化することで、装置の運転効率が向上し、LHD 実験の ICRF システムに貢献することができた。