2017 Fiscal Year Research-status Report

次世代MRI/NMR用無絶縁高温超伝導コイルのためのクエンチ検出と保護技術の開発

Research Project

Project/Area Number	16K18068
Research Institution	Waseda University
Principal Investigator	王韜早稲田大学, 理工学術院総合研究所(理工学研究所), その他(招聘研究員) (60707818)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	高温超伝導マグネット / マグネット技術 / 超伝導材料
Outline of Annual Research Achievements	これまで無絶縁シングルパンケーキーコイルの成立性と有効性について，数値解析および検証実験により色々な検討を行ってきた。しかし，MRIやサイクロトロン加速器などのラージスケール応用を目指す無絶縁コイルの適用可能性については，積層無絶縁コイルシステムの特性を有効に解析できる数値解析手法を開発する必要がある。そこで我々は以下の成果を取り上げた。１）積層型高温超電導コイルシステムモデルの確立：この解析モデルは等価回路分析に基づく電流解析，ビオ・サバールに基づく磁場解析および温度解析で構成された。電流解析では，積層型パンケーキコイルシステムを，垂直方向に若干個のサブコイルが直列した回路システムとして考えた。サブコイルに流す電流は，自己インダクタンス(L)だけではなく相互インダクタンス(M)にも影響されるとした。磁場解析では，磁場が回路方程式で求められた各サブコイルの電流を用いてビオ・サバール法により計算した。また，温度解析は，冷媒温度，温度依存性を考慮した比熱とREBCO線材の密度，およびサブコイルの巻線体積を考慮しながら行った。解析の妥当性確認においては、「Multi-Width winding technique」を解析例として，解析方法から始め，実験値と比較しながら本数値解析の妥当性を確認した。２）積層型高温超電導コイルシステムの局所的インダクタンスの計算：積層型高温超電導コイルシステムの常電転移特性解析性能を向上するため，我々は非対称なメッシュを提案し，数値計算の負荷を低減することを目指した。それに伴う局所的インダクタンスの計算方法を確立した。３）積層型高温超電導コイルシステムがラージスケール応用時の適用条件の抽出：積層型無絶縁コイルシステムの励磁時における子コイルの電流の振舞を解明し，コイルシステム内の逆流抑制方法について数値シミュレーションで検討した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 今年度では，積層型高温超電導コイルシステムの特性評価用数値解析モデルとその効率化にするためのアルゴリズムを確立した。無絶縁コイルが積層コイルシステムに構成すると，層間接触により励磁時層間方向の電流分流がコイルシステムの成立性を破壊する。そのため，開発された数値解析で実験用積層型無絶縁高温超電導モデルコイルシステムが励磁可能となる設計を行った。それと共に，高インダクタンス無絶縁コイルシステムの励磁が困難なる原因，例えば，積層型無絶縁高温超電導コイルシステム励磁時の層間逆流や，励磁時のコイルシステムの非均一な発熱特性などについて数値シミュレーションにより検討を行った。当初の研究計画では，無絶縁高温超伝導コイルシステムの子コイル間の磁気カプリングが励磁特性に強く影響する(逆流発生)ことに対して考えが甘かったが，今回の研究により，積層型無絶縁高温超電導コイルシステム基礎特性評価用解析プログラムを作成し，無絶縁高温超伝導コイルシステムに直面した課題は従来の高温超伝導コイルシステムにより更に複雑であるとわかった。また，解析に基づいてそれらの課題，特に，積層型無絶縁高温超伝導コイルシステムの成立性に関わる励磁問題を解決するための技術対策について検討した。その原因で，本来設計した実験用積層型無絶縁モデルコイルシステムの見直しが必要となり，その保護システムについても再検討を行った。
Strategy for Future Research Activity	可変抵抗による積層型無絶縁高温超伝導コイルシステムの保護を達成することを目指す。まず，積層型無絶縁コイルシステムの子コイルの層間接触抵抗率適正値に考慮しながら保護抵抗値の区間を設計する。そして，ある子コイルが事故による電源遮断時，保護抵抗値が周りの子コイルの電流及び温度特性に対する影響を評価する。検証実験により，設計した可変保護抵抗値が子コイルのクエンチ事故の波及効果を緩和することに有効であると検証する。
Causes of Carryover	2017年度の成果を論文にまとめて発表すること，そして，検証実験を行うための経費を保留する。