核融合用超伝導マグネットの電磁構造力学とクライオメカニックス

1989 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 01050004
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高橋 秀明 東北大学, 工学部, 教授 (10005267)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹尾 正勝 九州大学, 工学部, 教授 (70037951) ; 高木 敏行 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (20197065) ; 谷 順二 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30006192) ; 進藤 裕英 東北大学, 工学部, 助教授 (90111252) ; 庄子 哲雄 東北大学, 工学部, 教授 (80091700)
• Keywords: 核融合 / 超伝導マグネット / 電磁構造力学 / クライオメカニックス / クエンチ / 巻線剛性 / 三次元磁界 / ヘリカルコイル

Research Abstract

本研究は核融合用超伝導マグネットの構造設計および機能安定性評価に関する電磁構造力学並びにクライオメカニックスに基づく基礎研究である。ヘリカルやトカマクに代表される磁気閉じ込め方式の核融合炉の開発においては、高磁場を発生する電磁石の開発が1つの大きな研究課題となっており、特に将来の核融合炉として定常的プラズマの閉じ込めを実現するためのクエンチ安定性解析は不可欠である。それに伴い、その主因子と考えられる構造力学的諸問題、例えば剛性評価あるいは、導体運動、すべり、絶縁材の剥離等に伴う温度上昇の定量的な評価は充分な精度をもって行う必要がある。そこで、クエンチ安定性解析には、高精度のマグネット構造剛性の評価が不可欠であるとのこれまでの成果に基づき、マグネットを基本的には導体、コイル、支持材の複合構造体として捉え、各要素剛性の的確な評価の後、それらの力学的結合モデルを導入し構造剛性を評価し得る手法の開発を行った。まず、超伝導マグネットの構造健全性評価の中で、大型構造物としての機械的構造健全性評価のために、破壊力学並びに電磁破壊力学を取り込んだ。これに加え、マグネットの機能安定性評価の上で熱的安定性も極めて重要となるため、単に超伝導芯線の挙動だけでなく、安定化材、絶縁体、その他の支持構造材全体の複合的な力学的挙動と機械的擾乱の解析・評価が不可欠であり、構造剛性解析、要素剛性解析、巻線剛性解析の研究を進めた。その一環としてモノリス導体を巻線したサンプルコイルを用いて実験を行い、数種類の解析法を検討し、巻線剛性評価法を開発した。今後、小型の超伝導マグネットを用いての実験により、励磁下での更に詳細な剛性評価を行う予定である。また、第1次超伝導ヘリカルコイル(KYOTOーSC)を用い、最大電流1530A、最大磁場5.7Tまでの励磁試験を行った。これらの実験によりヘリカルコイルの力学的安定性が実証された他、クエンチ、励磁下の各部の歪値等、超伝導大型ヘリカルコイルの設計上、有用なデータが数多く得られた。

Research Products

• [Publications] Y.Shindo: "Transient Response of Cracked Materials in a Strong Magnetic Field." Fusion Engineering and Design. 9. 81-85 (1989)
• [Publications] T.Takagi: "Finite Element Slip Analysis of Multi Layer Beam Plate Based on a Composite Theory." Fusion Engineering and Design. 7. 255-268 (1989)
• [Publications] T.Takagi: "Mechanical and Thermal Behavior of Multi Layer Plates Simulating Superconducting Laminated Structure." IUTAM Symposium on Mechanical Modelings of New Electromagnetic Materials,1990.
• [Publications] 進藤裕英: "き裂を有する電導平板の電磁ねじり" 日本機械学会論文集(A編). 55. 1328-1333 (1989)
• [Publications] Y.Shindo: "Singular Moments in a Cracked Soft Ferromagnetic Plate under Bending." Applied Electromagnetics in Materials. 35-46 (1989)
• [Publications] T.Mito: "Excitation Tests of the First Superconducting Helical Coil as an R&D Program of Large Helical Device." MT-11 Conference,Aug.28-Sep.1,1989.