01pC04
核融合炉へ向けた大電力ジャイロトロンの開発研究
Development of High Power Gyrotron for Nuclear Fusion Reactor
假家強 1、今井剛 1、南龍太郎 1、津村康平 1、江橋優斗 1、岡田麻希 1、中嶋洋輔 1、出射浩 2、花田和明 2、下妻隆 3、久保伸 3、小田靖久 4、池田亮介 4、坂本慶司 4、小野雅之 5
KARIYA Tsuyoshi1, IMAI Tsuyoshi1, MINAMI Ryutaro1, TSUMURA Kohei1, EBASHI Yuto1,
OKADA Maki1, NAKASHIMA Yosuke1, IDEI Hiroshi2, HANADA Kazuaki2,SHIMOZUMA Takashi3, KUBO Shin3, ODA Yasuhisa4, IKEDA Ryosuke4, SAKAMOTO Keishi4,ONO Masayuki5
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筑波大プラ研(PRC)、2 九大 応力研、3 核融合研、4 量研機構、5 プリンストン大
1PRC Univ. of Tsukuba, 2AFRC, RIAM Kyushu Univ., NIFS, 4QST, 5PPPL筑波大学 PRC では、核融合原型炉に向けた核融合プラズマ加熱研究のための多様な大電力ジャイロトロンの開発を進めている。ジャイロ
トロンは、数 10～数 100GHz の周波数においてMW レベルの電磁波を発振可能で、ECH、ECCD、EBW 加熱等を行う上で重要な電力源である。
これまでに、28GHz-1MW ジャイロトロンを開発し、最大出力 1.2MW、長パルス運転で 0.6MW-2秒を達成した。本ジャイロトロンは、共同研究として、九州大学の QUEST に適用され、70kA のプラズマ電流立上げや、8.2GHz のカットオフ密度より高い 1×1018m-3 を超えるオーバーデンスプラズマの生成等の成果を得た[1]。NIFS とのジャイロトロン共同研究において、2014 年度までに開発した 3 機の 77GHz ジャイロトロンと 2機の 154GHz ジャイロトロンは、LHD 実験に供されている。全入力電力は 5.4MW に達し、高密度での高電子温度達成（Te=10keV, 2×1019m-3 ）、
39 分 の 定 常 プ ラ ズ マ 保 持 （ Te=2.5keV,1.1×1019m-3 ）、電子系内部輸送障壁(electronITB)実験等に大きく貢献している[2]。
1．28/35GHz 2 周波数ジャイロトロンの開発
筑波大学の GAMMA10/PDX におけるダイバータ模擬実験において、より高い熱流束を生成するためにジャイロトロンの開発を進めている。このジャイロトロンは、共同研究を有効に進める
た め 、 QUEST 、 PPPL の NSTX-U 、 京 都 大 学 のHeliotron J で必要とされる性能（28GHz-2MW-3秒、28GHz-0.4MW-CW、35GHz-1MW-3 秒）を 1 本のジャイロトロンで動作可能な 2 周波ジャイロトロンである。28GHz 帯の 2 号管となる 2 周波ジャイロトロンは、2016 年 6 月に製作を完了し、試験を開始した。

図 1 28GHz 出力と効率のビーム電流依存性

図 2 28GHz 出力（Po）、出力効率(ηo)、総合効率(ηt)、アノード電流(Ia)、ボディ電流(Ib)のビーム電流依存性
図 1 に出力窓に取付けた短パルス用ダミーロードにより測定した、ビーム電圧 Vk=80kV における RF 出力と効率のビーム電流依存性を示す。
周波数 28.045GHz において 1.27MW のガウス状ビーム出力が得られた。又、34.83GHz において、0.48MW のガウス状ビーム出力を確認した。更に28GHz 発振における、RF 出力の空胴共振器磁場強度に対する依存性、RF 出力のアノード電圧に対する依存性を取得し、大きな問題が無いことを確認した。本 2 周波数ジャイロトロンは、発振相互作用を終えた後の電子ビームのエネルギーを回収する電位降下型コレクタ(CPD)を採用している。図 2 に CPD 電圧特性を示す。CPD
電圧 Vcpd とともに発振出力は減少しているが、エネルギー回収により Vcpd=30kV において、総合効率ηt=50%が得られた。
現在、ダブルディスク窓の性能評価（出力、冷却媒体流速に対する窓温度上昇）を行うべく、長パルス化のためのエージングを進めている。
2. 154/116GHz 2 周波数ジャイロトロンの設計
NIFS との共同研究において、LHD におけるプラズマ実験領域拡大のため、154GHz と 116GHzの両方で動作可能な 2 周波数ジャイロトロンの設計を開始した。154GHz と 115.5GHz 近傍の両周波数に対し、同一電子銃で良い電子ビームパラメータが得られ、同一空胴共振器で発振可能で、同一放射器で同じ放射角を持ち、同一出力窓でマッチングが取れ、同一コレクタで低熱負荷運転が可能な空胴発振モードの組み合わせを検討し、154GHz で TE28,9 モード、116GHz でTE21,7 モードを採択した。空胴共振器の Q 値を下げ、ビームで電流 10A 程度の低電流では発振しないが、50A 以上の大電流での発振効率を上げ、両周波数において 2MW 以上の発振が可能な設計とした。

図 3 に 154GHz、図 4 に 116GHz における、発振電力と発振効率のビーム電流依存性の計算結果を示す。電子ビームのピッチファクタα=1、ビーム電流 Ik=70A で、1.5MW 以上の発振が期待される。その他、電子銃、放射器、コレクタの設計を完了している。
3．300GHz 帯ジャイロトロンの開発
QST との共同研究として、Demo 炉用 300GHz帯ジャイロトロンの開発を進めている。2015 年の動作試験において、299.84GHz で 522kW、295.65GHz で 542kW、301.8GHz で 528kW が得られた。300GHz 帯における 500kW を超える ms オーダーの発振は、世界で最初の成果である。
2016 年には、240GHz 近傍の発振試験を実施し、磁場調整範囲において 300kW 程度の 7 つの発振モードを確認した。空胴磁場強度、電子ビーム入射位置、RF 出力の電力ピーク半径/回転方向より、発振周波数は 226～254GHz であると推定でき、サブミリ波領域での周波数可変ジャイロトロンの基礎となる多周波数の発振を確認した。図 5 は、各周波数で得られた出力である。

図 5 300GHz ジャイロトロンにおける 220～260GHz 帯発振試験（推定周波数に対する出力）

図 3 154GHz 空胴発振特性(Vk=80kV)

図 4 116GHz 空胴発振特性(Vk=80kV)

本研究の遂行にあたり御助力いただいた、東芝
電子管デバイス株式会社、株式会社 IDX、QST、NIFS の関係各位に感謝いたします。
本 研 究 は 、 NIFS 双 方 向 型 共 同 研 究(NIFS13KUGM080, NIFS16KUGM106：筑波大-九大間 セ ン タ ー 連 携 研 究 , 及 び NIFS14KUGM095,NIFS14KUGM086)、 NIFS-筑波大間ジャイロトロ
ン 開 発 共 同 研 究 (COD27077) 、 科 研 費 補 助 金(26249141, 15H05770, 25249135)による。
[1] H. Idei, et al., in Proceedings of the 26th IAEA
Fusion Energy Conf., (2016).
[2] H. Takahashi, et al., Phys. Plasmas 21 (2014) 061506.