2017 Fiscal Year Research-status Report
すべりと接触を考慮したマルチスケール解析による核融合炉用マグネットの構造最適化
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16K06943
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
田村 仁 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (20236756)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マルチスケール / 超伝導マグネット / 核融合炉 / 構造解析 / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉の実現には超伝導マグネットの使用が必須であり、その大きさは半径１０メートル以上と見込まれている。一方、超伝導マグネットのコイル部分を構成する超伝導導体は、断面寸法が数センチメートルであり、さらにその超伝導導体は数ミリメートルの細い線材を束ねたものや、テープ状の材料を積層して製作される。このような構造物が運転時に作用する負荷や温度変化に対してどのような挙動を示し、構造物として健全かどうかを評価するために、マルチスケールによる解析手法を適用した。現在までに、ヘリカル型核融合炉用超伝導マグネットシステムを対象として、超伝導導体の均質化解析とそれを用いた構造物全体の応力解析を行った。均質化解析では、候補となっている３種類の超伝導導体に対して内部の構造を詳細にモデル化し、全ての方向の変形挙動を評価することによって、超伝導導体を等価的に均質な材料で構成される部材として扱うための物性値を算定した。この均質化解析で求められた物性値を全体構造解析で超伝導マグネット部分に適用することで、容易に全体解析を行うことを示した。平成２９年度はこれらの結果を元に、全体構造解析において超伝導マグネットのコイル巻線部分とコイル容器部分の間のすべりと接触を考慮した解析を行い、実際のマグネット励磁の際に予想される機械的挙動を評価した。さらに、全体解析で得られた超伝導マグネット部の応力・ひずみ分布から、特に巻線方向の引張応力が高い部分とコイル巻線断面での面内せん断応力が高い部分に着目し、その部分のひずみ成分を均質化解析で用いたモデルに与え、超伝導導体内部の応力／ひずみ分布状態を詳細に評価した。その結果、超伝導導体を構成する部材に弾性範囲を超える応力が発生することがわかり、均質化解析においてモデルの非線形挙動を考慮したモデルへ発展させる検討している。
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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
核融合炉用超伝導マグネットの構造解析にマルチスケール手法を適用し、以下の結果を得ることができた。
（１）超伝導導体の内部構造をモデル化した均質化解析による等価物性値を算出した。
（２）超伝導コイル巻線部と支持構造物間のすべりと接触を考慮した全体解析により、完全に接触している場合との比較検討を行った。
（３）全体解析で得られた応力・ひずみ分布から、超伝導導体を校正する各部材の機械的挙動を詳細に検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導マグネットのコイル巻線部分とコイル容器部分の間のすべりと接触を考慮した解析の結果、超伝導導体を構成する部材に弾性範囲を超える応力が発生する可能性があり、これを回避するための全体構造の見直し、あるいは塑性変形を考慮した均質化解析モデルの非線形モデルへの発展を検討している。また、核融合炉設計の進捗により、超伝導マグネットの配置や使用する超伝導導体の見直しを行い、ここで提唱している解析手法を適用して、構造や材料の違いによる核融合炉用超伝導マグネットの構造健全性評価を行うとともに構造の最適化を試みる。
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| Causes of Carryover |
解析結果を評価・検証するために必要な消耗品の購入を研究状況がさらに進んだ後に購入することにした。
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