J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.6 (2020)３
０９‐３１６

プロジェクトレビュー

核融合科学研究所双方向型共同研究
QUEST における 28 GHz 大電力ジャイロトロン管を用いた
電子サイクロトロン加熱電流駆動の連携研究
Bilateral Collaboration Research in National Institute for Fusion Science
Collaborative Research on Electron Cyclotron Heating and Current Drive
with 28 GHz High-Power Gyrotron in the QUEST Spherical Tokamak
出射浩，恩 地 拓 己，図 子 秀 樹，花 田 和 明，佐 藤 浩 之 助，假 家 強１），
今 井 剛１），中 嶋 洋 輔１），坂 本 瑞 樹１），久 保 伸２），辻 村 亨２）

IDEI Hiroshi, ONCHI Takumi, ZUSHI Hideki, HANADA Kazuaki, SATO Kohnosuke, KARIYA Tsuyoshi１）,
IMAI Tsuyoshi１）, NAKASHIMA Yousuke１）, SAKAMOTO Mizuki１）, KUBO Shin２）and TSUJIMURA Toru２）
九州大学応用力学研究所 高温プラズマ理工学研究センター，１）筑波大学プラズマ研究センター，２）核融合科学研究所（原稿受付：２０
２
０年２月７日）核融合科学研究所（NIFS）双方向型共同研究（平成２３年度〜）で推進してきた，九州大学，筑波大学（後に加えて NIFS）との連携共同研究の目的と進行状況について報告する．本研究では，プラズマ境界力学実験装置（QUEST 装置）の双方向型共同研究【連携】課題で，28 GHz 高周波を用いた高電流・高密度プラズマの生成・維持，さらに比較的波長の長い 8.2 GHz 波の高周波を用いた電子バーンシュタイン波（EBW）加熱・電流駆動（HCD）による生成・維持をめざしている．28 GHz 波で，1017 m−3 レベルの低密度プラズマであるが，54 kA
のプラズマを 0.9 s 保持し，さらに高電流となる 66 kA プラズマの非誘導立ち上げに成功した．さらに 8.2 GHz・
28 GHz の複合周波数波加熱で，8.2 GHz 遮断密度を超える 1018 m−3 レベルの 25 kA 高密度プラズマを 0.4 s 保持することに成功し，高エネルギー電子成分を含む静電波の分散関係からEBW加熱効果を考察した．本プロジェクト
は，28 GHz波の局所加熱による非誘導プラズマ立ち上げ，定常維持をめざす，第２ステージへと展開されており，
その概要・初期結果も併せて紹介する．

１．はじめに学 LATE 実験で，遮断密度を超えるオーバーデンスプラ

核融合科学研究所（NIFS）双方向型共同研究は，５つのズマの非誘導プラズマ電流立ち上げに成功している［３］．

大学・センターで，NIFS と相互的に，かつ，他大学の研究

一方，中型・球状トカマク装置である QUEST の電子バー

者が参加する全国共同利用及び共同研究の枠組みである．

ンシュタイン波加熱・電流駆動（EBWHCD）では，共鳴層本研究は，共に双方向型共同研究に供する装置を有するセへの近接性の劣化，対プラズマ体積の入射電力密度の低減

ンターである九州大学・高温プラズマ理工学研究センターが懸念された．そこで，先進高周波技術である位相配列ア（前，高温プラズマ力学研究センター），筑波大学プラズマ

ンテナによる入射ビーム集束・入射角制御が不可欠と判断

研究センター（後に加えて NIFS）とのセンター間連携の共し，同アンテナを用いた定常運転システムの開発・構築に

同研究プロジェクトである．

着手した［４，５］．低電力試験，QUEST 装置内での高電力試

九州大学高温プラズマ理工学研究センターでは，プラズ

験を経て，定常200 kW入射で，ビーム集束・制御が可能な

マ境界力学実験装置（QUEST 装置）［１］で高周波を用いた

位相配列アンテナが実装された．オーミック放電プラズマ

電流駆動，さらに高周波・非誘導立ち上げ・維持，長時間への追加熱で，遮断密度を超えるプラズマで電流増大が観放電プラズマで高温（第一）壁の温度（環境）を含めた総測され，EBWHCD 効果を確認したが，生成された高密度合・能動制御によるプラズマ・壁相互作用の研究［２］を，プラズマを維持することができなかった［６］．オーミック

九州大学双方向型共同研究のベース課題として推進してい放電プラズマに限らず，8.2 GHz EBWHCD 実験のターゲッ

る．プロジェクト開始当初，高周波を用いた電流駆動に，トとなる高密度・高電流プラズマを如何に生成するかが議前 TRIAM-1M 装置で低域混成波電流駆動実験に用いてい論され，筑波大学で開発されていた大電力ミリ波発振管：

た（８台のクライストロン管から成る）8.2 GHz システムを

28 GHz ジャイロトロン管［７］を用いた研究展開が検討され活用することとした．QUEST 計画に先立って，京都大た．高周波数となる 28 GHz 波を用いて非誘導でプラズマ

Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Kasuga, FUKUOKA 816-8580, Japancorresponding author’s e-mai: idei@triam.kyushu-u.ac.jp

３０９!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020立ち上げ，EBWHCD で8.2 GHz波の遮断密度を超えるオー

高密度プラズマの生成といった観点で，対象となる閉じ

バーデンス・プラズマを維持することをめざし，本連携共込め磁場で高周波数となる 28 GHz を選択したが，セン
タ ー ポ ス ト（主 半 径 !"0.22 m）近 く の off-axis 位 置

同研究を開始することとした．

#（!"""0.32 m）で第２高調波共鳴となり，果たしてトカマ'%

２．プロジェクトの目的

クプラズマを生成・維持できるか，即ちプラズマ電流駆動

QUEST 装置は，球状トカマク装置であるという側面と，できるかが課題である．第２高調波共鳴の 110 GHz 波を用

高温壁を用いた統合制御による定常運転をめざすトカマク

いた DIII-D 装置のプラズマ電流立ち上げ実験では，限られ装置との両側面を持つ．球状トカマク装置は，トカマク放た領域でしか閉磁気面形成されなかった［９］．

電で必要となる中心ソレノイド（CS）コイルの設置スペー

8.2 GHz 非誘導プラズマ電流立ち上げで，効率良く高エス（センターポスト領域）が狭く，非誘導で，もしくは弱ネルギー電子が生成され，プラズマ電流に寄与している．

い誘導電場でプラズマを立ち上げることが重要である．電

28 GHz でも有効に（電流を担う）高エネルギー電子を生成

子サイクロトロン波は，プラズマと非接触な高周波ランし，非誘導プラズマ電流立ち上げられるかを試みる．これチャーから波動励起（入射）でき，定常トカマク運転に必までの 8.2 GHz 波を用いた非誘導プラズマ電流立ち上げで要となるプラズマ電流駆動が可能で，さらに非誘導プラズ

検討・実施されてきたシナリオ・手法を用い，プロジェク

マ電流立ち上げができれば，炉設計に対するインパクトはトを推進する．8.2 GHz より高周波数である 28 GHz 波を有大きい．QUEST 実験で，既に 8.2 GHz 波を用いて 25 kA

効 に 用 い て ト カ マ ク プ ラ ズ マ を 非 誘 導 で 立 ち 上 げ，程度の非誘導 プ ラズ マ 立 ち 上 げ に 成 功 し て い た が［５］，

8.2 GHz 波の遮断密度を超えるオーバーデンスプラズマを

QUEST 計画の目標の一つである，プラズマ電流 100 kA

維持することを目的とする．ジャイロトロン管を用いたシの非誘導立ち上げは達成されておらず，28 GHz高周波によステム構築が必要となるが，その有効性の確認のため，最る非誘導高電流プラズマ立ち上げ・維持への取り組みも，もシンプルなシステムを設計・検討した．

高温壁を用いた総合・能動制御による非誘導プラズマの定３．プロジェクトの基本構想［１２］常維持とともに重要な課題である（目標は，当時，8.2 GHz

九州大学応用力学研究所は，炉心理工学研究センター，

EBWHCD を意識して設定されている）．
QUEST 装置（大半径 0.64 m，小半径 0.42 m）は，中心磁

高温プラズマ力学研究センター，高温プラズマ理工学研究

場が 0.25 T で，28 GHz 波は中心位置で第４高調波共鳴とな

センターと，長時間トカマク放電の実現とそれに関わるプ

る．但し，低アスペクト比の球状トカマク装置であるため，

ラズマ・壁相互作用の研究を推進してきた．炉心理工学研"#
28 GHz の第２高調波電子サイクロトロン共鳴（""$&）の究センター・超伝導強磁場トカマク TRIAM-1M 装置で，0.5 T が装置内に存在する．図１に QUEST 装置のポロイダ

国際熱核融合実験炉 ITER 同様の強い閉じ込め磁場で電子"#"#
ル断面図（""$& 位置：!"'%，8.2 GHz 基本波・第２高調波共

サ イ ク ロ ト ロ ン 加 熱・電 流 駆 動 す る こ と を 念 頭 に，

"
#!
"
#!
"
#!
"
鳴"
，アンテナ設置の赤道面ポー
"
!#!
"
!
$
&!
$
& 位置：!!() "'%170 GHz 電子サイクロトロン加熱・電流駆動（ECHCD）シト）を示す．

ステムが構築された．当時，ITER の Upper Launcher として検討されていた Remote Steering Antenna で動作入射角度の拡張に成功し，基本波 X モード斜め入射による電子サ
イクロトロン電流駆動実験を行った［１０］．
用いられたダイオード・ジャイロトロン管運転に，高圧
カソード電源（75 kV・25 A）システムが整備されていたが，筑波大学で開発していたジャイロトロン管にアノード電極があり，アノード電源システムが必要となった．制御性を欠くものの安定度に優れた一般的な高圧電源と，高速スイッチングを可能とする多段 MOSFET スイッチを併用
し，アノード電源（50 kV・80 mA）を構築した．ジャイロ
トロン管は通常，80 kV のカソード電圧で運転されていたため，九州大学で 70−75 kV のカソード電圧で運転できるか，筑波大学で動作確認された［１１］．
伝送系は，図２に示すように１つの９０度マイターベンドと 63.5 mm 径円形コルゲート（CC）導波管によるシンプルなシステムとした［１２］．トロイダル磁場に平行方向電場の28 GHz 波が，サファイヤシングルディスク窓，電気絶縁部

図１を介し，!"1.5 m 位置のコルゲート導波管アンテナから入28 GHz 第２高調波共鳴位置［R 28，8.2 GHz 基本波・第２2nd］
8.2
高調波共鳴位置［R 8.2とアンテナ設置の赤道面ポー
1st・R 2nd］

射される．コンパクトなジャイロトロンタンク，さらにトが示された QUEST 装置のポロイダル断面［８］．Reproduced with Permission by IAEA, from H. Idei et al., Nucl.
Fusion 60, 016030 (2020). Copyright 2020 IAEA.

ジャイロトロンマグネット，マイターベンド取り付けのアークセンサなど必要な周辺機器を整備した．アークセン
３１０

Project Review

Bilateral Collaboration Research in National Institute for Fusion Science Collaborative Research on Electron Cyclotron Heating and Current Drive with 28 GHz High-Power Gyrotron in the QUEST Spherical Tokamak

H. Idei et al.

４．計画の進捗状況・成果
４．
１ 28 GHz 電子サイクロトロン波の加熱電流駆動・プラ
ズマ電流立ち上げ［１２］!）off-axis 第２高調波・加熱電流駆動効果
センターポストから 0.1 m : off-axis 位置の第２高調波共鳴で有効な加熱電流駆動できるか，実験・検証した．図３に CS コイル電流でプラズマ電流を一定に制御したオーミック放電プラズマに 220 kW・28 GHz 波で追加熱した際の CS コイル電流，プラズマ電流，周回電圧の時間変化を示
図２

す．低いトロイダル磁場（!!）で 28 kA オーミックプラズ

28 GHz 電 子 サ イ ク ロ ト ロ ン 加 熱 シ ス テ ム［１２］．
Reproduced with Permission by IAEA, from H. Idei et al., Nucl.
Fusion 57, 126045 (2017). Copyright 2017 IAEA.

マを立ち上げ，CS コイル以外による垂直磁場（!"）は一定である．プラズマ電流を一定とする CS コイル電流制御のもと，28 GHz加熱・電流駆動効果を相殺するために逆周回

サは，NIFS で用いられているシステムを改良し，整備した．

電圧が必要となり，CS コイル電流が Recharging する，明導波管開口アンテナからの入射で伝搬波が広がってしま

確な 28 GHz 波による加熱・電流駆動効果が観測された．

うことに加え，磁場に平行電場の O モード入射のため，第逆電圧にも関わらず，プラズマ電流は徐々に上昇してい２高調波共鳴で有効な一回通過吸収は見込めないが，真空く．

容器壁での多重反射で mode scrambling された X モード波"）28 GHz入射による高プラズマ電流の非誘導立ち上げと吸収が期待される．入射 O モード波の吸収は，高エネル

その維持

ギー電子に対して，基本波アップシフト共鳴領域が，強い

図４に 270 kW・28 GHz 波による非誘導プラズマ電流立

ドップラー効果でセンターポスト位置より低磁場側に広ち上げ時の実験パラメータの時間変化を示す．5 kW のがった場合に期待できる［１２］．

8.2 GHz 波が予備プラズマ生成に用いられている．プラズ

8.2 GHz 波を用いた非誘導プラズマ電流立ち上げで，磁場マ電流の立ち上りによる逆周回電圧に抗って，一定の垂直に平行方向速度 #!!の #"!
!$方向での電子閉じ込めの非対磁場でプラズマ電流が立ち上がっていく．1017 m−3 レベル称性が議論されてきた．プラズマ立ち上げ時，垂直磁場での低密度プラズマであるが，54 k A のプラズマを 0.9 s 保持

上下に繋がった磁力線で荷電分離を解消するように流れるした 8.2 GHz 入射を用いない単独 28 GHz波による非誘導プ

電子の速度成分と，電子ドリフト速度成分が相殺され，#!!

ラズマ立ち上げでも 40 kA レベルのプラズマ電流を達成し方向によっては粒子閉じ込めが改善される［１３］．粒子閉じた［１２］．トカマク平衡 EFIT コード［１４］で解析された平衡

込めの #!!方向の非対称性で，生成・維持される高エネル!#!!方向で非対称となれば，多重反射でギー電子成分も"!
符号の異なる磁場に平行方向屈折率（"!!）を併せて考える
場合でも，ドップラーシフト効果で #!!方向で選択的な共鳴加熱が起き，電流駆動効果が見込まれる［１２］．より高いエ
ネルギ ー の 電 子が プ ラ ズ マ 中 心 付 近 で 生 成 さ れ れ ば，第３・第４高調波共鳴加熱による電流駆動効果も期待される．
まず，プラズマ電流を一定制御したオーミック放電プラ
ズマに 28 GHz 波で追加熱することで，有効な加熱・電流
駆動効果があるかを検証する．28 GHz波による非誘導プラ
ズマ立ち上げでは，平衡に必要な垂直磁場を一定にかけ，電流立ち上げ・維持を試みる．併せて垂直磁場をランプアップした際，より高電流のプラズマを非誘導で立ち上げられるか検証する．8.2 GHz 波を用いない，28 GHz 波のみによる単独・非誘導プラズマ電流立ち上げも視野に入れ，
28 GHz 波で有効に高電流プラズマが生成・維持できるか検証する．
さらに，高周波数となる 28 GHz 波を用いた非誘導立ち

図３

上げプラズマに 8.2 GHz 波で追加熱し，もしくは 8.2 GHz・
28 GHzの複合周波数波で同時加熱し，高エネルギー電子生
成・電流立ち上げと共にバルク電子加熱を実現し，非誘導で 8.2 GHz 波の遮断密度を超える高密度・高電流プラズマを立ち上げ・維持できるかを検証する．
３１１

CS コイル電流制御でプラズマ電流を一定とするオーミッ
ク放電プラズマへの 28 GHz：220 kW 入射実験時の（a）
トロイダル磁場（Bt），垂直磁場（Bv），入射時（w/）・非入射時
，（d）
周
（w/o）
：（b）
CS コイル電流，（c）
プラズマ電流（Ip）
回 電 圧 の 時 間 変 化［１２］．
Reproduced with Permission by
IAEA, from H. Idei et al., Nucl. Fusion 57, 126045 (2017).
Copyright 2017 IAEA.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

図４

図６

28 GHz:270 kW 入射による非誘導プラズマ電流立ち上げ時，プラズマ電流（Ip），（b）
周回電圧，（c）の（a）
垂直磁場（Bv）の 時 間 変 化［１２］．Reproduced with Per線 平 均 密 度（n!）
mission by IAEA, from H. Idei et al., Nucl. Fusion 57,
126045 (2017). Copyright 2017 IAEA.

28 GHz：270 kW 入射で垂直磁場（Bv）
ランプアップした際，（b）
周回電圧，（c）
線平均密度の（a）
Bv，プラズマ電流（Ip）の 時 間 変 化［１２］．Reproduced with Permission by（n!）
IAEA, from H. Idei et al., Nucl. Fusion 57, 126045 (2017).
Copyright 2017 IAEA.

マに，一定の垂直磁場のもと，8.2 GHz 波による追加熱実験
#!
"
#!
"
を行った． $
!0.55 m プラズマ中心近くに位"# 位置は !!(
)

#!
"
#!
"
置し，"
$
$
& 位置は !"'%!1.1 m で 28 GHz ターゲットプラズ

マの外側境界より内側に位置する（図１）．8.2 GHz 追加熱効果による電子圧力上昇に伴うシャフラノフシフトの増大でプラズマ平衡・形状が変化し，プラズマ電流が減少し始めた．プラズマ電流が減少すれば，一定に印加されていた
垂直磁場は最早，強すぎてしまい，プラズマは内側に押されて閉磁気面領域が削られる．プラズマ電流がさらに減少
し，さらにプラズマ半径・電流が減少していく．プラズマ
半径が0.45 mから0.25 m，プラズマ電流は30 kAから10 kAまで減少し，漸く平衡が保たれた［８］．
図５増加するシャフラノフシフトへの対応，さらにプラズマ

28 GHz 非誘導立ち上げプラズマ（54 kA）のトカマク平衡
EFIT コードで解析された平衡磁気面［１
２］
．

"
!
外 側 最 外 殻 位 置 を !"#位 置 よ り 内 側 に 押 す た め に，'%

8.2 GHz 波の追加熱時に垂直磁場を上げた．垂直磁場の上磁気面を図５に示す．!!1.2 m まで広がったポロイダル断

昇で，プラズマ半径が僅かに減少したが磁気軸位置は変化

面プラズマが評価されているが，平衡解析で評価される中せず，平衡は保たれた．その際，垂直磁場上昇で有意な周心プラズマ（電子）圧力は 300 Pa 程度で，バルク電子圧力

回電圧が生じたが，その後，プラズマ半径 0.3 m の 40 kA

では説明できず，大きな高エネルギー電子圧力の存在が示

プラズマを非誘導で安定に 0.4 s 保持した．安定な平衡配位唆された．硬 X 線計測でプラズマ電流に寄与する 50 keVのもと，密度が上昇していったが，線平均密度で僅かに程度の高エネルギー電子成分を観測している．平衡解析で8.2 GHz 波の遮断密度を超えることはなかった［１５］．

評価された圧力は，電流を担う（バルク電子密度の数％程

28 GHz 波で生成・維持されたターゲットプラズマへ度の）高エネルギー電子で説明される．さらに非誘導でプ

8.2 GHz 波で追加熱せず，同時複合周波数波加熱で非誘導

ラズマ電流立ち上げ後，垂直磁場をゆっくりランプアップ

プラズマ電流立ち上げ・維持する実験を試みた［８］．同時し，低密度ではあるが 66 kA プラズマの非誘導立ち上げに入射で平衡が保たれた 25 kA プラズマに比較的強いガス供も成功した（図６）［１２］．

給をしたところ，線平均密度が 8.2 GHz 波の遮断密度に達４．
２ 8.2 GHz・28 GHz

した．その後，遮断密度を維持できずに密度減少したが，複合周波数波を用いた高密度プ

ラズマ立ち上げとその維持［８］さらに減少を続ける，もしくは密度減少が止まり自発的に

28 GHz波で電流立ち上げした30 kAのターゲットプラズ

上昇に転じて，8.2 GHz 遮断密度を超えるといった分岐現
３１２

Project Review

Bilateral Collaboration Research in National Institute for Fusion Science Collaborative Research on Electron Cyclotron Heating and Current Drive with 28 GHz High-Power Gyrotron in the QUEST Spherical Tokamak

H. Idei et al.

象が観測された［８］．高密度プラズマ立ち上げ・維持をめ

度目の SDJ で広域的な密度上昇が起き，コア部で大きく遮

ざし，複数回ガス供給して密度を上昇させる同時複合波加断密度を超えて電子圧力が上昇し，遮断密度に到達する

熱実験を行った．ガス供給タイミングは供給ガスタンクの"!0.93 m で電子温度，圧力が共に上昇した．また，#'$&!
#

差圧計信号で確認した．%"ライン強度信号は，ガス供給時

以後に，遮断密度を超えるコア部で，0.4 keV 以上の軟 Xに応じて上昇するが，密度は必ずしも応答せずに，異なる線に感度があるAXUV信号が３倍程度に増加し，バルク電二 度 の タ イ ミ ン グ（#'$&"!
#）で 自 発 的 に 密 度 上 昇 し，子，及び軟 X 線計測で感度がある高エネルギー電子成分へ

8.2 GHz 波の遮断密度を超えて 0.4 s 保持された（図７）．

の加熱効果が確認された［８］．用いた 8.2 GHz システムの

図８にトムソン散乱計測で観測された電子温度，密度，圧クライストロン管は TRIAM‐１M 実験を含め２５年以上運転!1.85 s）に，力分布を示す．２回目のSDJ時（#'$&!
#）以前（#

した経年劣化のため，順次，運転不能となり，複数のアン

既にプラズマ中心付近の密度は遮断密度を超えている．２

テナ素子による位相配列アンテナを用いたビーム集束・制
御ができなかった．観測された加熱効果は，ビーム集束・制御に基づく光線追跡解析でなく，高エネルギー電子成分を含む静電波の分散関係を用いた波動励起・吸収解析で評価した．解析から 0.5〜1.0 keV 程度の高エネルギー電子がEBW 加熱され，さらにその緩和過程でバルク電子が加熱されると考察した［８］．また，大きく遮断密度を超えたコ
ア部で観測された，500 keV 程度の高エネルギー電子の維持について，28 GHz 波の相対論的ドップラー共鳴の速度
ピッチ解析で，有効な高次高調波，複合高調波共鳴のシナ
ジー・アップシフト加熱・電流駆動効果を考察した［８］．

５．第２ステージへ
28 GHz波加熱の有効性を確認するため，システム構成は最もシンプルなものとしたが，当初のプロジェクトの目的をほぼ達成し，28 GHz 波を用いた非誘導立ち上げで 54 kA
プラズマを 0.9 s 維持し，8.2 GHz 波との同時複合周波数加熱で 8.2 GHz 波の遮断密度を超える２５kA プラズマを 0.4 s
図７

複合周波数入射実験時のプラズマ電流（Ip），供給ガスタン
クの差圧計信号（#P），線平均密度（n!），H"強度の時間変化［８］．
Reproduced with Permission by IAEA, from H. Idei
et al., Nucl. Fusion 60, 016030 (2020). Copyright 2020
IAEA.

維持することに成功した．但し，QUEST 計画では，密度4×1018 m−3 程 度 で 100 kA の プ ラ ズ マ 立 ち 上 げ・維 持
し，さらに高温壁を用いた統合能動制御による定常運転，関連するプラズマ・壁相互作用研究を推進することが目標であり，さらなる研究展開が必要である．それまでの実験
では，28 GHz，8.2 GHz 入射ともにビーム集束・制御されていないため，光線追跡などの局所加熱解析に基づく実験
シナリオを検討できず，その効果も実験・検証されていな
い．連携研究の第２ステージとして，28 GHz 波の局所加熱による非誘導プラズマ立ち上げ，さらにその定常維持をめざす．
５．
１ 局所電子サイクロトロン加熱シナリオ
これまでの多重反射による加熱シナリオでは，符号の異なる !!!も併せて考える必要があり，プラズマ立ち上げ時の電子閉じ込めの $!!方向の非対称性によって $!!方向で選
択的に起こる共鳴加熱で電流駆動効果を考えた．ビーム集束・制御した際には，入射 !!!を限定することができ，さらに有効に $!!方向で選択的な電子加熱が起き，効率良く高エネルギー電子生成・プラズマ電流駆動できると期待される．
局所加熱を実現するには，入射偏波面制御，ビーム集束・制御が重要である．入射偏波面制御は，加熱に適切なモード励起する上で，ビーム集束は共鳴加熱の実空間領域

図８

複合周波数入射実験時のトムソン散乱計測で観測された電子温度（Te），密度（ne），圧力（Pe）
分布の時間変化［８］．
Reproduced with Permission by IAEA, from H. Idei et al.,Nucl. Fusion 60, 016030 (2020). Copyright 2020 IAEA.

を制御する上で，入射 !!!は共鳴加熱の主に速度空間領域を制御する上で重要である．共鳴電子の空間・速度領域
は，相対論的ドップラー共鳴条件から評価される．共鳴条
３１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

件は，磁場に平行方向速度（%##）と垂直方向速度（%$）のシフト共鳴加熱の差し引きで現れる．図に示されるよう

１６］．但
%##"
%$&速 度 空 間 で，楕 円 と し て 表 さ れ る［１２，%%し，楕円中心は，ドップラーシフト効果で ##方向にシフトに，第４高調波ダウンシフト共鳴領域が，第３高調波アッする．検討する共鳴電子の等エネルギー条件は，速度空間が，第２高調波アップシフト共鳴領域と重なる．重複領域

で円として表される．この共鳴楕円と等エネルギー円の交では，低次アップシフト共鳴の加熱効果が大きく，広い領点（%##，%$）が，検討するエネルギーで相対論的ドップ

域でアップシフト共鳴の有効な電流駆動効果が見込める．

ラー共鳴の条件を満たす．

伝搬につれて "#0.24 m で接線入射（!###"）となり，よ

プシフト共鳴領域と，第３高調波ダウンシフト共鳴領域

低アスペクト比の球状トカマク装置では，広いプラズマり高磁場（ダウンシフト共鳴）側に伝搬できない．吸収が領域のため，多数の高調波共鳴が存在し得る．電子のエネ

強い第２高調波共鳴で，高エネルギー電子の %###!での共ルギーが比較的高ければ，第３・第４高調波共鳴の X モー

鳴位置は相対論効果で高磁場側（"#0.29 m）にシフトし，ド加熱も有効となる．!##は主にトロイダル方向屈折率 !$低磁場側からの斜め伝搬で，ダウンシフト共鳴領域の一部

で，!##は広いプラズマ領域で大きく変化する（"!##＝一がセンターポスト領域と重なる，もしくは入射波が接線入定）．"#1.0 m 位置で !###0.2，0.3 であっても，低磁場側か射となって高磁場（ダウンシフト共鳴）側に到達できず，#&#&らの伝搬で ##'
) の "#*(位置で各々，0.6，0.9 程度となり，比有効なアップシフト共鳴加熱による電流駆動が見込まれ

較的大きな値へと発展する．!##の発展を考慮し，相対論的る．適切に斜め入射角・!##制御すれば，高エネルギー電子

ドップラー共鳴条件を満たす共鳴電子の速度ピッチ

加熱に有効な高次高調波を含め，電流駆動効果が高いアッ%###%$&を各々の "位置で評価した（図９）．ここで電子の%プシフト共鳴加熱の広範な領域が見込めることが明らかと&
エ ネ ル ギ ー を 50 keV と し，"##
位 置 で !###!
!
%$と し
*(

なった．

た．ドップラーシフト効果がない %###!で $次高調波共鳴

斜め入射では，高エネルギー電子の相対論的ドップラー#&
28
条件を満たす "位置は，相対論効果で $#') の "n-th 位置か

シフト効果で，高次高調波を含めた広範な領域で共鳴加熱

ら高磁場側にシフトし，さらにドップラーシフト効果で低が起きるが，垂直入射では，相対論的ドップラー効果によ磁場，高磁場側に共鳴領域が広がる．

る高エネルギー電子による吸収が軽減され，有効なバルク

図９に示されるように %###!での共鳴位置から低磁場・電子による吸収［１６］が期待される．バルク電子温度が上昇

高磁場側で，各々 "%##，!%##成分で共鳴条件を満たすアッすれば，さらに吸収率が上がりその加熱効果が現れるとプシフト共鳴，ダウンシフト共鳴が存在する．低磁場側かいった正帰還が起こる．2×1018 m−3，500 eV までバルク電らの伝搬波がアップシフト共鳴で完全に吸収されれば，子パラメータが上昇すれば，垂直入射時の第２高調波共鳴%##符号で選択的な（ここでは "%##方向の）電子のみが加熱でのバルク電子による一回通過吸収率は数％に達する．入され，強い電流駆動効果が現れる．これまでの TRIAM-1

射角・!##によって共鳴加熱の速度ピッチ，さらに（高エネM 実験解析［１０］で用いられた TASK/WR コード［１７］に加ルギー電子・バルク電子といった）速度領域の制御が可能

え，GENRAY コード［１８］，RT-4 コード［１９］を用いてベンであり，実験・検証することとした．

チマーク評価しつつ，一回通過吸収率を検討している．波５．
２ 局所電子サイクロトロン共鳴加熱の実空間・速度空間制御

動吸収を評価する上で，50 keV といった高エネルギー電子の相対論効果を如何に扱うかが課題となるが，高エネル

定常・局所加熱を指向し，大型準光学集束ミラーを用い

ギー電子密度を 1017 m−3 程度としても，一回通吸収率は２０

た 28 GHz ランチャーシステムを開発・実装し，さらに定−３０％程度で，この場合，電流駆動効果はアップ・ダウン

常ジャイロトロン管を開発・実装する．筑波大学の定常
ジャイロトロン管開発に加え，九州大学がランチャーシス
テムを，NIFS が局所加熱に必要な入射偏波面制御用偏波器［２０］を連携して開発することとした．
&
位置は，センターポスト位置から 0.1 m しか離れて"##*(おらず，斜め入射で局所加熱効果を実験検証するためには，0.05 m 程度のビーム径で入射することが望ましい．ラ&ンチャー設置位置は，"##位置から 1.3 m ほど離れており*(（図１），比較的遠い位置に小径ビームへ集束させる必要がある．CC 導波管 HE11 モードの放射ビームを１枚目ミラー
で拡げ，拡げたビームを２枚目の大型ミ ラ ー で 遠 方 の&位置に小径ビームへと集束するランチャーシステムを"##*(検討・設計した．この際，開発したキルヒホッフ積分コー
ド［２１］で HE11 モードからビーム径が大きく変化する準光学伝送を扱い，（汎用ガウスビームと異なる）任意ビームを扱えるミラー面設計コードを併せて開発し，２つのミ
図９

ラー面を決定した［２２］．フルフェーブ解析コードを用い，

n 次高調波相対論的ドップラー共鳴条件を満たす共鳴電子の速度ピッチ［v///v⊥］の主半径方向分布．

設計した２つのミラーのランチャーシステムで，CC 導波
３１４

Project Review

Bilateral Collaboration Research in National Institute for Fusion Science Collaborative Research on Electron Cyclotron Heating and Current Drive with 28 GHz High-Power Gyrotron in the QUEST Spherical Tokamak

H. Idei et al.

までにバルク電子温度が上昇した．準垂直入射による有効なバルク電子への局所加熱で，高電子温度プラズマの立ち上げに成功した．入射 !""による共鳴電子の速度空間領域
制御で，効率良く高エネルギー電子を生成し，高プラズマ
電流を立ち上げられること，さらに有効にバルク電子加熱
し，高電子温度プラズマを得られることを明らかした．今後，放電中の入射 !""制御，さらに異なる入射 !""を有する（同一・複合周波数）複数ビームを用いた実験などで，高エネルギー電子生成による高電流プラズマ立ち上げと，有効図１０ 開発されたランチャーシステムで第２高調波共鳴位置に集束されるビームの（a）
フルウェーブ解析，（b）
低電力試験で評価された強度分布［２２］．

なバルク電子加熱が両立するよう，実験シナリオを組み立&管からの HE11 放射ビームが，"##
位置で 0.05 m 径のガウス('センターで順調に年次を追って進められ，令和２年度に最ビームに集束されるかを確認した．また，低電力試験でも終アセンブルする．九州大学では，定常運転に向け，冷媒&同様に，設計通りのビーム集束を確認した．図１０に "##('（純水）で直接冷却する CC 導波管を開発し，500 kW・2 s

位置でフルフェーブ解析，低電力試験された集束ビームの程度の入射電力が評価可能なダミーロードを整備した．新

強度分布を示す．

たな定常ジャイロトロン管（短パルス：＞1 MW，定常：て，研究展開していきたい．
定常ジャイロトロン管の開発も，筑波大学プラズマ研究

局所加熱で重要となる入射偏波面制御性は，偏波器の単400 kW）は，エネルギー回収型であるため，九州大学でそ

独動作，さらに実伝送路での偏波面変化［２３］を，ビーム入の運転に対応する高圧電源の整備を進める．いよいよ，本射角制御性は，整備したミラー駆動機構を用いた垂直入射

格的な高電流・高密度プラズマ，高温プラズマの定常維持

から接線入射までの動作［２２］を，低電力試験・評価し確認に向けたチャレンジが始まる．

した．

謝

実際に伝送系に偏波器・ランチャーシステムを実装する辞と，偏波器でアーキングが発生し，当初，入射偏波面を正本プロジェクトは核融合科学研究所・双方向型共同研究

しく制御することができなかったが，230 kW の斜め入射として推進されており，これまでの円滑なプロジェクト推&&
位置で !""!!
位置近傍で斜め入射時の（"##!
%$）で，"##('('

進のために，核融合科学研究所双方向型共同研究委員会，遮断密度に近く，４．
１章：第１ステージ実験より１桁大き

九州大学 QUEST 実験推進会議などで，常にご支援いただ18−3

い密度（〜3×10 m ）を達成し，より高い 80 kA レベル

い て い ま す．す べ て の 関 係 者 各 位 に 感 謝 い た し ま す．

の非誘導プラズマ電流立ち上げに成功した［２２］．その後，

QUEST 実験は，九州大学・高温センター会議の外部コー

偏波器の改良を重ねてアーキングを回避し，入射偏波面をディネーターである東京大学・高瀬雄一 博士，外部委員制御できるようになった．入射偏波面制御のもと，より低である京都大学・福山淳 博士，村上定義 博士から，有益い（150 kW）電力の同様な斜め入射で 80 kA レベルの非誘な実験計画立案・遂行，実験解析へ助言，議論をいただい導プラズマ電流立ち上げ，さらに CS コイル電流ランプて推進されており，ここに感謝いたします．

アップによる 0.5 V 程度の周回電圧を用いた（オーミック）

プロジェクト遂行につき，九州大学・黒田賢剛 博士，長追加熱で100 kAの高プラズマ電流立ち上げに成功した．斜谷川真 博士，池添竜也 博士，永島芳彦 博士，藤澤彰英

め入射時の一回通過吸収率は，バルク電子密度の数％程度

博士，井戸毅 博士，中村一男 博士，東京大学・渡辺理 博

17の高エネルギー電子密度（10 m−3程度）で，２０−３０％程

士，核融合科学研究所・松岡啓介 博士，九州大学・技術室度と評価される．有効な高エネルギー電子への一回通過吸

島袋瞬 氏，永田貴大 氏，東島亜紀 氏，中島寿年 氏，川収で，より低い入射電力で高プラズマ電流を立ち上げ，さ崎昌二 氏，テクニカルスタッフ 河野香 氏，山下雅典 氏，らに比較的弱い誘導電場による追加熱で 100 kA 電流立ち石村吉雄 氏，馬場賢哉 氏に感謝します．

上げを達成した．

双方向型共同研究課題で，電子温度・分布の時間変化をさらに有効なバルク電子への局所加熱をめざし，入射

観測するトムソン散乱計測で東京大学・江尻晶 博士グ!""を変えて共鳴加熱の速度空間領域を制御する実験を

ループ，分光計測で京都大学・四竃泰一 博士グループ，硬&行った．同じ条件で準垂直入射（"##位置で !""!!
!
""）す
('
&
ると，プラズマ電流は 40 kA 程度とほぼ半減するが，"##('X 線計測で核融合科学研究所・磯部光孝 博士グループが位置近傍で 200 eV 程度までバルク電子温度が上昇した．但の双方向型共同研究課題で得られた実験データ・成果のもし，同じ垂直磁場でプラズマ電流が小さいため，プラズマとに結実しています．ここに感謝いたします．また，ミリ

サイズが小さくなる．さらに同じく準垂直入射で，0.05 V

波干渉計システム構築につき，筑波大学プラズマ研究セン

程度の極僅かな周回電圧が発生する垂直磁場ランプアップ

ター・吉川正志 博士，光線追跡解析，加熱電流駆動検討に&のもと，30 kA 程度のプラズマを立ち上げると，"##
位置('

つき，京都大学・福山淳 博士，プリンストンプラズマ物理

18

研究展開しており，本プロジェクトの研究成果は，それら−3近傍 で 1×10 m ，500 eV を 達 成 し た．さ ら に 僅 か な

研究所・小野雅之 博士，Nicola Bertelli 博士，EFIT によ

0.1 V 程度の周回電圧の（オーミック）追加熱で，830 eVる平衡解析につき中国科学技術院プラズマ物理研究所・
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

quency Power in Plasmas 473 (2011).
［６］H. Idei et al., Proc. 24th IAEA Fusion Energy Conference(2012) EX/P6-17.
［７］T. Kariya et al., Nucl. Fusion 5, 093009 (2015).
［８］H. Idei et al., Nucl. Fusion 60, 016030 (2020).
［９］G.L. Jackson et al., Nucl. Fusion 51, 083015 (2011).
［１０］H. Idei et al., Nucl. Fusion 46, 489 (2006).
［１１］H. Idei et al., J. Plasma Fusion Res. Series 8, 1104 (2009).
［１２］H. Idei et al., Nucl. Fusion 57, 126045 (2017).
［１３］M. Ishiguro et al., Phys. Plasmas 19, 062508 (2012).
［１４］L.L. Lao et al. Nucl. Fusion 25, 1421 (1985).
［１５］H. Idei et al., Proc. 25th IAEA Fusion Energy Conference(2014) EX/P1-38.
［１６］V. Erckmann and U. Gasparino, Plasma Phys. Control Fusion 36, 1869 (1994).
［１７］A. Fukuyama, Fusion Eng. Des. 146, 1149 (2011).
［１８］A.P. Smirnov and R. W. Harvey, Bull. Am. Phys. Soc. 40,
1837 (1995).
［１９］M. Ono, N. Bertelli et al., Proc. 23rd Topical Conferenceon Radio Frequency Power in Plasmas (2020).
［２０］T.I. Tsujimura et al., Fusion Eng. Des. 114, 97 (2017).
［２１］H. Idei et al., J. Infrared Millim. Terahertz Waves 36, 662(2015).
［２２］H. Idei et al., Fusion Eng. Des. 146, Part A 1149 (2019);

Jinping Qian 博士に感謝いたします．
本プロジェクト研究は九州大学総合理工学府先端エネル
ギー理工学専攻の教育にも供されています．小島信一郎
氏，福山雅治 氏，柚木美羽 氏，芦田竜一 氏，尾形大地
氏，加藤凌哉 氏，工藤倫大 氏を始めとする多くの学生の方々の研究活動を通じた貢献に感謝します．
高圧カソード電源（75 kV・25 A）の 28 GHz ジャイロト
ロン管運転への対応，アノード電源整備につき日新パルス
電子・!近友宏 氏，福井大学・斉藤輝雄 博士，電源周辺整備につき日本タングステン・（故）山口徳夫 氏，電源・伝送系設置，大型準光学鏡ランチャー・偏波器・ダミー
ロード開発につき北野製作所・伊藤俊之 氏，伊藤貴志 氏に感謝いたします．また，集束ビームのフルウェーブ解析につき古河 C&B・坂口政嗣 博士，ジャイロトロン管製作
につきキャノン電子管デバイス・満仲義加 氏，江口濯 氏に感謝いたします．本プロジェクトは一部，科研費（JP15H04231）の支援を受けています．

参考文献［１］K. Hanada, K.N. Sato et al., Proc. 22nd IAEA Fusion Energy Conference (2008) FT/P3-25.
［２］K. Hanada et al., Nucl. Fusion 57, 126061 (2017).
［３］T. Maekawa et al., Nucl. Fusion 45, 1439 (2005).
［４］H. Idei et al., IEEJ Trans. Fundam. Mater. 53, 511 (2012).
［５］H. Idei et al., Proc. 19th Topical Conference on Radio Fre-https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.02.027［２３］M. Fukuyama et al., Fusion Eng. Des. 146, Part B 1437
(2019); https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.02.099

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