Gyrotron R&D within the EUROfusion Work Package Heating and Current Drive (WPHCD) is addressing the challenging requirements posed on gyrotrons by the European concept for a demonstration fusion power plant (EU DEMO). These requirements, as specified within WPHCD, ask for highly reliable and robust long-pulse operation of the gyrotron, delivering 2 MW of microwave power at frequencies above 200 GHz with a high overall efficiency above 60% and the option for fast frequency step-tunability. To meet these targets, which are clearly beyond today's state-of-the-art, the R&D activities within WPHCD are organized in five main branches: these are the experimental verification of the advanced coaxial gyrotron technology at long pulses, the development of a coaxial gyrotron meeting the EU DEMO requirements, the development of multi-stage depressed collectors for enhanced energy recovery, the development of large broadband diamond windows to allow fast frequency tunability of the gyrotron, and the studies on further innovations and improvement of critical gyrotron components, in view of optimization of performance, reliability, and industrialization. The paper presents the progress made on these activities, the recent results, and the near-term planning. The major recent achievements include (i) the experimental validation of the fabrication of the new, water-cooled components for the longer-pulse coaxial gyrotron at Karlsruhe Institute of Technology, by demonstrating 2.2 MW at 170 GHz with 33% efficiency without depressed collector, (ii) the design of key components for a 2 MW, 170/204 GHz dual-frequency coaxial gyrotron, (iii) the design of a two-stage depressed collector with 77% efficiency, (iv) the first-ever production, in an industrial plasma reactor, of large chemical vapor deposition diamond wafers of 180 mm diameter, (v) the procurement of an advanced electron gun with coated emitter edges, and (vi) advances in the theoretical and numerical modelling for investigating improved concepts for the gyrotron beam tunnel and cavity.
EUROfusion Work Package Heating and Current Drive (WPHCD) 内のジャイロトロン研究開発は、欧州の実証核融合発電所 (EU DEMO) の概念によってジャイロトロンに課される困難な要件に取り組んでいます。WPHCD内で規定されているこれらの要件は、200 GHz超の周波数で2 MWのマイクロ波出力を、60%超の高い総合効率で、かつ高速周波数ステップ同調のオプションとともに供給する、極めて信頼性が高く堅牢なジャイロトロンの長パルス動作を要求しています。今日の最先端技術を明らかに超えるこれらの目標を達成するため、WPHCD内の研究開発活動は5つの主要な分野に組織化されています。すなわち、長パルスにおける先進同軸ジャイロトロン技術の実験的検証、EU DEMO要件を満たす同軸ジャイロトロンの開発、エネルギー回収を強化するための多段式デプレストコレクタの開発、ジャイロトロンの高速周波数同調を可能にする大型広帯域ダイヤモンド窓の開発、そして性能、信頼性、工業化の最適化を視野に入れた、重要なジャイロトロン構成要素のさらなる革新と改良に関する研究です。本論文は、これらの活動における進捗、最近の結果、および短期計画を提示します。最近の主な成果には以下のものが含まれます。(i) カールスルーエ工科大学における長パルス同軸ジャイロトロン用の新しい水冷構成部品の製作について、デプレストコレクタなしで170 GHz、2.2 MW、効率33%を実証することによる実験的検証、(ii) 2 MW、170/204 GHz二周波同軸ジャイロトロンの主要構成部品の設計、(iii) 効率77%の二段式デプレストコレクタの設計、(iv) 工業用プラズマ反応炉における、直径180 mmの大型化学蒸着ダイヤモンドウェーハの初の製造、(v) 被覆されたエミッタ端部を備えた先進電子銃の調達、および (vi) ジャイロトロンのビームトンネルおよび空洞の改良概念を調査するための理論的・数値的モデリングの進展。