50T級次世代高電磁力超伝導マグネット技術の構築

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03586
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 淡路 智 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10222770)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小黒 英俊 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90567471) ; 津田 理 東北大学, 工学研究科, 教授 (10267411) ; 宮城 大輔 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10346413)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 高温超伝導 / 超伝導マグネット / 高電磁力

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，超伝導線材に補強を施すこれまでの手法とは異なり，コイル構造そのものに電磁力を支持させる新しい手法を用いて，50T 級超伝導マグネット開発を目指した次世代の高電磁力・高精度超伝導マグネット技術を確立することを目的とする。このため，申請者らが中部電力と共同で開発に成功した新しい補強構造について，熱応力・電磁応力下の変形挙動を解明する。初年度は，補強構造による補強機構を理解するための，数値計算コードの立ち上げと，それに必要なデータを取得，これらに基づいてモデルコイルを設計・作製する計画であった。しかし，複合体であるコイルの機械特性や熱収縮が読めないため，コイル作製を次年度に繰り越した。その間，コイルの熱収縮率に関する実験と調査を行い，概ね良い値を得て計算に反映させた。一方で，初年度は，CFRPを補強構造の一部に採用したコイルを作製し，これによる電磁力試験を行った。コイルは研究協力者である中部電力によって作製したものである。その解析的な計算と組み合わせた結果，補強構造の熱収縮が重要であり，熱収縮率の小さい材料では補強効果が得られない場合があることが分かった。これらの結果から，SUSが適しているとの結論に至った。繰り越した予算を用いて，平成28年度には，SUS補強コイルを作製し,平成２８年に試験を行った。試験結果の詳細は平成２８年度の報告に記載の通り，SUSの補強効果が得られ，熱応力による線材の耐ひずみ特性の向上も示唆されている。結果として，SUSのような熱収縮率が比較的大きく，強度の大きい材料を用いることで，十分な補強構造が得られることが分かった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

最初にテストを行ったC-FRP補強構造では，熱収縮率が小さいためにコイルとの間に隙間ができ，これによって低電磁力では大きな補強効果が得られないことが分かった。この結果を踏まえて，SUSを補強構造の材料として採用することを決めた。数値計算では初年度に概ね計算コードの立ち上げが終了し，補強構造のボルトや電極といった解析的計算では分からない部分の詳細な応力・ひずみ分布が計算できる様になった。特に，補強構造を分断する電極の構造は重要である。またボルト穴近傍で応力集中が起きることも数値計算で分かってきている。

Strategy for Future Research Activity

実験と計算の結果，補強材料としてSUSが良いことが分かったので，詳細なコイル構造を検討して，実用可能な構造を検討し，モデルコイルに反映させた実験を行う。最終年度には，ダブルパンケーキ単体ではなく，数コイルを積層した構造を採用することで，将来の30T級超伝導コイルのモデルコイルとする。このため，得られた結果から30T無冷媒超伝導マグネットの設計し，補強構造のない場合との比較行う。

Remarks

東北大金属材料研究所強磁場センター
http://www.hflsm.imr.tohoku.ac.jp/

Research Products

• [Journal Article] Strengthening Effect of “Yoroi-Coil Structure” Against Electromagnetic Force (2015)
  • Author(s): T. Watanabe, S. Nagaya, N. Hirano, S. Awaji, H.Oguro, Y. Tsuchiya, T. Omura, S. Nimori, T.Shimizu, A. Ishiyama, X. Wang
  • Journal Title: IEEE Trans. Appl. Supercond. Volume: 25 Pages: 8400204
  • DOI: 10.1109/TASC.2014.2364675
  • Peer Reviewed