QUEST 今後の歩み

コア・SOL（ ・ダイバータ）を有する
高温プラズマの定常化研究

現状分析
対策
他の項目

（定常）核融合炉開発
粒子ハンドリング

ITEM

定常トカマク QUEST
定常電源・ブスバー

高温壁

核融合炉環境を模擬

能動壁温度制御

ダイバータ
加熱
Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（現状分析）

定常核融合炉環境での粒子ハンドリング

高温壁：周囲環境を含めた能動統合制御
Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（現状分析）

54 kA : EFIT

定常GYT開発
高電流配位形成- ダイバータ -86 kA

低電子密度・温度
 ~1017m-3
 ＜ 10 eV
高圧力・高速電子
200 Pa5cm径ビーム
高密度化 < 5x1018m-3

先駆的非誘導電流立ち上げAdvanced Fusion Research Center~ 80 kA Ip Ramp-up
28GHzRF 2ndResonance layer(R ≈ 320 mm)

Ip

QUEST
TOP VIEW

e-Detector(CdTe)

Energeticelectron
Heating

Advanced Fusion Research Center28GHz-EC波光線追跡（TASK-WR）• Ray0: X-mode• Ray1: O-mode

Power Absorption••

密度分布（高速電子：3％）
 𝑛0 = 2.0 × 1018
2
1
: 𝑛 = 𝑛0 1 − 𝜌 𝑇0 = 30 eV, 高速電子Te = 60 keV
温度分布 閉磁気面領域（R = 0.22 – 0.82 m）: 𝑇𝑒 = 𝑇0 1 − 𝜌8 1
5Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（現状分析）

54 kA : EFIT

定常GYT開発
高電流配位形成- ダイバータ 高温コアプラズマ
生成・維持が困難

低電子密度・温度
 ~1017m-3
 ＜ 10 eV
高圧力・高速電子200 Pa5cm径ビーム
高密度化 < 5x1018m-3

問題点：
バルク電子圧力が低い（<10Pa)
8.2 GHz 重畳 バルク電子温度は若干、上昇
高速電子圧力上昇

Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（戦略）
圧力が高い高速電子成分が生成された後、いかにQ1. 球状トカマク・コアプラズマを形成・維持するか？

Target : 28 GHz プラズマ
高電流 ~ 86 kA
高密度・ < 5x1018m-3

オーバーデンス

8.56 GHz O-X-B EBWHCD

31_Y4_Z300_new.dat’ using 1:3:4
8e+03
6e+03
4e+03
2e+03

集束アンテナ500
400

200 kW
CW
KLY

300
200

0.4 m

100
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0100
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0Low power test
100

200

300

400

500

入射角制御
楕円偏波制御RF0が必要

Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（戦略）
圧力が高い高速電子成分を生成せずに、いかにQ2. 球状トカマク・コアプラズマを形成・維持するか？

CHI + OH + 8.56 GHz

CHI（PPPL・ワシントン大との共同研究）
Ip~50 kA 達成（閉磁気面形成は未確認）
高密度プラズマ生成【8 x 1018 m-3】
高速電子がなく、高密度プラズマ生成可能

OH primary current waveform (conceptual)

+8 kA

両振 OH
-8 kA

IGBT switching

１段目のCS立ち上げで 60 kA 程度の電流を立ち上げ
２段目のCS立ち上げで有効に誘導加熱
Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（戦略）CHI + OH + 8.56 GHz（28 GHz）+ NBCD

圧力が高い高速電子成分が生成せずに、いかに高速イオンの閉じ込めを劣化の原因
Q2. 球状トカマク・コアプラズマを形成・維持するか？
1.5

高速イオンの閉じ込めを悪くしている原因として、有限ラーマー半径効果、有限ポ イダ
有限ポロイダルラーマー半径効果
半径効果

CHS DNB の活用が挙げられるが、QUESTの場合は 後者が主要因であると考えらは、後者が主要因であると考えられる。
DNB
赤線：(Ef（イオンのエネルギー）,Bt（トロイダル磁 場強度）,Ip（プラズマ電流）)=(40keV, 0.25T, 100kA)、青線：(Ef,Bt,Ip)= (40keV,0.5T, 100kA)、黄線：(Ef,Bt,Ip)=(10keV, 0.25T, 100kA)、緑線：(Ef,Bt,Ip)= (40keV, 0.25T, 200kA)の時の粒子軌道。
(Ef,Bt,Ip)b

Beam DNB
EnergyE < 45 keV

Extracted current Ib < 3 Am Energy
Eb < 45keV 1 degree at 30 keV
Divergenceangle

racted current
Ib < 3 A
Focal length

3.24 m at 30 keV
ergence angle 1 degree at 30 keV

al length

40 kV: 101 kW
20 kV: 31 kW

イオン源の改良
定常化
高電力化[ 40keV, 0.25T, 100kA]

0.5

Z [m]

1.
2.

[ 40keV, 0.5T , 100kA]

10[ 40keV, 0.25T, 200kA]-0.5[ 10keV, 0.25T, 100kA]-1-1.5
1.5

00.5

11.5

R [m]

・高密度化 ~ 1.0x1019 m-3・高電流化 > 100 kA・高エネルー化 ~>10 keV

3.24 m at 30 keVAdvanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（高性能化）
Q3. トロイダル磁場を上げられるのか？
【 28 GHz 中心加熱の可能性】

0.5 T / 1s

これまでの計算機制御が困難
高速 AO / AI が扱えるPLC の活用

MG 再生

2017年度：
新たなPLC 制御で補機運転を確認

TFC 電源改造
LTFC
ISN
RTFC

より高い電圧が必要【TR等の要改造】

ITFPS

ブスバー
取り合い改造Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（高性能化）
少なくともバックアップ管が必要

Q4. 定常ジャイロトロン開発は 28 GHz で良いか？
28GHz 1MW 1s Gyrotorn for PRC(Tsukuba)
Frequency
28GHz
Output Power
1MW
Pulse Width1s
Output Efficiency
35% (W/O CPD)
Beam Voltage
80kV
Kyushu Univ. HVPS
Beam Current
40A
75 kV / 25 A =>MIG
triode max. 0.4 MW
Cavity Oscillation mode
TE8,3
Built-in Mode Converter
withOutput mode
Gaussian like
Output Window
Sapphire Single Disk
Aperture diameter 112mmCollector
W/O CPD
Sweeping coils

2nd1st0.25T
CW

2nd0.50T
1s

Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（内蔵物）
Q4. QUEST本体装置内で改造はあるのか？

センターポストカバー

熱輸送シミュレーション結果 （熱源400℃，溶接座CP面 100℃，水温30℃）

延び解析から 2mm 程度のスペースが必要か？
Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（内蔵物）
Q5. QUEST本体装置内で改造はあるのか？
Rogowski Coil
従来従来仕様JT60SA- style
CHI仕 耐熱様

長さ6.9m6.3m

6.3m6m

巻き数~16k~14k~7k~13k

鎖交面積 ~50m/turn
m2~50m
m2~50m ~22m
耐熱m2m2Q-styleD：10 mmQ-style
取り外す

JT60SA- style耐熱取り外しなし

パネル１枚取り外す
設置・撤去作業を簡便にAdvanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み（計測）
EBW直接散乱波計測

Grating 鏡を使ってプローブ・散乱ビームを制御

磁気計測
ロゴスキーコイル（プラズマ電流）
ミルノフコイル（磁場揺動，平衡解析）
フラックスループ（平衡解析）熱流束・壁温度計測
静電プローブ群
熱電対群
赤外線カメラプラズマ温度・密度計測
トムソン散乱（双方向）模擬輻射源を用いたマイクロ波干渉計（双方向） アダプティブアレイ解析
静電プローブ群
プラズマ分光（双方向）中性粒子計測
QMS
材料分析
TDS
GDOES
EBW散乱直接計測（NIFS・福井大）
輻射計測
Advanced Fusion Research Center

QUEST 今後の歩み

参考資料Advanced Fusion Research CenterCC WG

Beam Steering
1st Convex Mirror

Full Wave
2nd Focusing
Simulation
Mirror

The beam can be steered mainly in thetoroidal direction to have the refractive
parallel index N// from 0 to 1.

Low power
test results

Advanced Fusion Research CenterBeam Focusing
The irradiant HE11 beam was converted to Gaussian
beam and expanded at the 1st mirror. The mirror
was designed onFull
theWavephase surfaces to be matchedbetween the incident
HE11 and output Gaussian
Simulation
beams using a developed Kirchhoff integral code.

Full wave simulation
at the ECR layer fora launching beamfrom a 2.5-inch CC WG.

The 2nd large mirror sharply focused the expanded
Gaussian beam to a narrow beam with a 5-cm waist
size at the ECR layer.

Low power
test results

Advanced Fusion Research Center

8.56 GHz ECH system
RFConcave Mirror

EyEx
Vacuum Window

 Model：VKX-7864B1, CPI
 Peak frequency：8.56 GHz
 Run time：CW Max. power & Gain：< 250 kW, 44dB

Phasing to
Excite Ex/Ey
Advanced Fusion Research Center

8.56 GHz ECH system
quasi-Perpendicularinjection

EC wave focused by aquasi-optical mirror

4_Z300_new.dat’ using 1:3:4
8e+03
6e+03
4e+03
2e+03

500
400
300
2000.4 m

100
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0Low power test
100

200

300

400

500

0for EBWHCD

100
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

for ObliqueInjection

RFOblique Injection
with Optimized
N //for EBWHCD
Elliptical-polarization
Control

Ex, Ey: using 4-port Magic-Tee
with Power Combinerfor 1st O-mode / 2nd X-mode
ECHCD
Focusing Beam

4-port Hybrid
Phase-Shifter

Ortho-mode
Transducer
Advanced Fusion Research Center

8.56 GHz クライストロン電源
IGBT54 kV / 13 A高圧電源
ヒータ
トランス

昇圧
変圧器

QUEST で取り合いの高圧スイッチ・IGBTを開発

クライストロン電源

SCR
降圧
変圧器

クライストロン

28 GHz システム
同時入射が可能に
8.56 GHz KLY システムを用いた 定常実験を計画

ジャイロトロン
電源・模擬負荷

ジャイロトロン

Advanced Fusion Research CenterPower supply for the Klystron• Output voltage：10 ~ 54 kVDC
• Polarity：Negative• Output current：13 A max• Voltage regulation：SCR control• HV shutdown time：10 𝝁s
SD Trans. SCRs
AC IGBT &HV-switch

6.6 kV  1.7 kV
972 kVASU Trans.

Heater PS• -10 kV < VKLY < -54 kV• IKLY < 13 A

8.56 GHz
Klystron

IGBT Stack
1.7 kV  23 kV (x 2)876 kVA HV shutdown  IGBT stack AC shutdown  AC IGBT & HV-switch
Advanced Fusion Research Center

Upgrade of OH Power Supply◎To achieve Ip > 100 kA• Primary CS current (±8 kA)
1. Ramp down (PS, +8 kA)
2. Fast ramp-up (Cap. Bank，≤ 2 kV)
3. Slow ramp-up (NS, -8 kA)

IGBT stack 1

IGBT stack 2

OH primary current waveform (conceptual)

+8 kA

-8 kA

IGBT switching

Circuit diagram of upgaraded OH
Advanced Fusion Research Center

0.3

0.25

Rt=50cmRt=60cm
Rt=70cm
Rt 80cm
Rt=80cm
Rt=90cm

0.2

Rt=50cm
Rt=60cm
Rt=70cm
Rt=80cm
Rt80cm
Rt=90cm

0.80.

ne = ne(0) [ 1-r 8 ]0.619[m]Te = Te(0) [ 1-r 2 ]0.4
40keV中性水素ビームを5割程度イオン化するには1x10
Rt=50cm以上の中心電子密度が必要。高速イオンの閉じ込めを考慮
Rt=60cm
Rt=70cm0.2に入れると、Rt=80cm近辺で入射するのが最適。
Rt=80cm
Rt=90cm
また、counter方向に入射した高速イオンは殆ど閉じこまらな0い。
02468
100.1519-3n ((0)) [[x10 m ]e

ビームイオン化率

0.100.0505

1.50
布を体積平均して、加熱分布を評価。
00.511.5
Normalized radiusρ [ r /a ]

0.8

0.8

0.60.4
Rt=50cm

Rt=60cm
高速イオンの存在確率分布を体積平均して、加熱分布を評価。
QUEST
プラズマではRt=70cm
40keV中性水素ビームを5割程度0.2
Rt=80cm
電子へDeposition
NBCD
Rt=90cm
イオン化するには1x1019[m]0以上の中心電子密度が必要
024681019-3n ((0)) [[x10 m ]
e

0.

0.

Te(o): 300 eV

ビーム閉じ込め率110.

電子温度分布及び、密度分布として、ne(ρ)=ne(0)x(1心電子温度を300eVとした。

eConfinement RateρR t : 接線半径V]/co.)Deposition Rate(40[keV0.5

e[a.u.]
eating profile
Expected heET(Bt=0.25[T]/Ip=100[kA])

1eConfinement Rate

T. Osakabe, Y. Takeiri
QUEST(Bt=0.25[T]/Ip=100[kA])

ビームイオン化率V]/co.)Deposition Rate(40[keVm程度とした場合はビームことが予想される。
6近傍に局在化する
布は
布はr=0.6近傍に局在化する
NBI 0軌道・加熱計算[ 40 keV ]る。

0.6

Rt=50cm
Rt=60cm
Rt=70cm
Rt 80
Rt=80cm
Rt=90cm

0.4

0.200246819 -3
Advanced Fusion
ResearchCentern ((0)) [[x10m ]e10

原因NBI 検討[ 40keV, 0.5T , 100kA]

2015年度：NIFS:
九大:[ 40keV, 0.25T, 100kA]

2016 年度：具体的な方法について検討を開始[ 40keV, 0.25T, 200kA]

2017年度 ：CHS-DNB の活用を模索
九大で経験を積む（ < 30 keV: 100 kW ベース）

1.5

1Z [m]

0.5

0-0.5[ 10keV, 0.25T, 100kA]-1-1.5
1.5

00.5

11.5

R [m]

東北大:で打ち合わせを始める

2017-2018年度：
NIFS でイオン源アーク放電の確認（九大の実験参加）
2016年度：OH-Cbankを用いた高周回電圧実験

・高密度化 ~ 1.0x1019 m-3・高電流化 > 100 kA・高エネルー化 ~>10 keV

2017年度：高密度・電流プラズマの達成【28GHz】
80 kA, 4 x 1018 m-3【CHI】
40 kA, 8 x 1018 m-3
2018年度：両振りOH電源回路開発
Advanced Fusion Research Center