| Project/Area Number |
23K03826
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21010:Power engineering-related
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
菅原 賢悟 近畿大学, 理工学部, 准教授 (50718963)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 孝洋 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20957758)
日高 勇気 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (30908398)
半田 久志 近畿大学, 情報学部, 教授 (60304333)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 量子アニーリング / 電気機器 / 組み合わせ最適化 / 経路最適化 / 進化計算 / コイル形状最適化 / 電磁石 / 3次元トポロジー最適化 / サラリーマン巡回問題 / 核融合コイル形状 |
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| Outline of Research at the Start |
2050年のカーボンニュートラル実現を目指して、核融合発電の実用化が急務となっている。現行の磁場閉じ込め方式の核融合炉では、プラズマを閉じ込めるために複数の超電導コイルが必要であり、コスト増となっている。これを解決するため、3次元的に複雑な構造を持つ超電導コイルを直接最適化できる新たな3次元トポロジー最適化法を開発する。本研究では、コイル設計問題を巡回セールス問題に置換えて定式化し、電流連続性を確保した逆問題を構築し，量子アニーリングを活用した3次元コイル形状の最適化を試みる。本研究により、超電導コイルの小型化設計の限界性能を明らかにし、核融合発電技術のコスト削減に寄与することが期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
自由度の高い最適化問題を高速に求解する方法として、量子アニーリングを用いた最適化法を考案した。また、同手法を電気機器の最適化問題に適用し、最適化計算の高速化実現のみ通りを得た。本成果は電気学会の部門大会で研究分担者である日高准教授が筆頭で優秀論文発表賞として表彰される予定である。
自由度の高いコイル設計方法を実現するため、進化計算と最適経路問題を組み合わせた新しい方法を考案し、いくつかのコイル設計問題に適用した。その結果、従来法の１つである進化型トポロジー最適化と比べてコイル設計問題に適していることが、得られたコイルの特性値を比較結果から明らかになった。
任意の3次元コイル形状をビオ・サバール法則によって磁場を求めるプログラムを作成し、最適化ルーティンを組み込んだ環境を構築した。また、設計を効率化するために、CADプログラムと連成し、金属製3Dプリンタにてコイルを銅で印刷(造型)する準備を行った。本コイルは2024年度上期に印刷する予定である。また、その環境を用いて設計したコイルが、有限要素法の結果と一致することも確認した。
最適化問題については、計算量が膨大となるため東京大学情報基盤センターのスーパーコンピュータシステムWisteria/BDEC-01の使い方を習得し、大規模計算を行う環境を整えた。また、ターゲットフィールド法を用いたコイル設計技術にAdaptive Cross Approximation Plus法を組み合わせることで高速化させる方法を提案し、フォートランプログラムを作成した。本研究成果は、2024年度の国際会議であるCEFC2024で発表予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の予定である、最適化手法の考案と基礎検証を完了したため、当初の計画通りである。任意のコイルを設計するためのアルゴリズムについて、経路問題として扱う新しい方法を提案し、2次元問題に適用してその有効性を示した。これも当初の計画通りである。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに考案した最適化手法を、より実践的な最適化問題(例えばモータの形状最適化)に適用し、その有効性を検証する予定である。また、自由度の高いコイル設計問題への拡張について検討予定である。
提案したアルゴリズムをベースとして、より複雑かつ実用的な問題に向けた方法となるように改良を進める。また、経路問題を組み合わせ最適化問題の1種として定式化したことにより、今後は量子計算との連携について模索する。また、ターゲットフィールド法によるコイル経路最適化をCMA-ESの曲面最適化と組み合わせることで、3次元に拡張する方法を開発中である。
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