Development of super-high-speed pellet injection system using high-temperature superconducting linear catapult

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06999
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 柳 長門 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (70230258)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 本島 厳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507) ; 高山 彰優 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (70396589) [Withdrawn]
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 核融合燃料供給 / 高温超伝導磁気浮上 / リニアカタパルト

Outline of Annual Research Achievements

磁場閉じ込め方式核融合炉の燃料供給のために、高温超伝導リニアカタパルトを用いた革新的なペレット射出方式を提案している。これは、真空チューブ中に敷設した永久磁石のレール上で高温超伝導薄膜を用いた超小型の「磁気浮上列車」を電磁加速し、最終的に10 km/sの射出速度を得ることをターゲットとしている。本課題はその原理実証を行う研究である。
昨年度は、電磁加速を行うための電磁石コイルの製作を行ったとともに、スイッチング回路を製作して、超伝導磁気浮上列車の連続的電磁加速実験を開始した。列車の浮上と加速には、REBCO系高温超伝導バルク材を用いた。電磁石コイルは、直径100 mm、長さ20 mmのアルミニウム製ボビンに直径1 mmの銅線を各200ターンずつ巻いた。直流電源から接続したIGBT半導体素子を用いた高速スイッチング回路を用意してそれらのタイミング調整をマニュアルで行い、最大の加速が得られる条件を求めた。ただし、電磁石の一部に絶縁不良があったとともに、タイミングのマニュアル設定も難しかった。今年度は、電磁石の製作方法を見直し、再製作を行った結果、絶縁不良がなく本来の性能が得られるようになった。また、スイッチング回路については、レーザー・光センサーとマイコンを用いた自動制御システムを構築した。これらの改良の結果、昨年度と比べて約２倍の速度を達成することができた。
一方、高温超伝導薄膜に誘起される電流と磁場の空間分布に関する数値計算については、研究分担者である高山彰優氏（山形大学大学院理工学研究科助教）によってさらに進展した。特に、電磁石と超伝導薄膜の双方について有限要素法解析におけるモデルの精密化を行い、計算精度を向上することができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の計画では、本年度の目標として磁気浮上列車の速度10 m/sの実現を狙ったが、現状は、2 m/sの達成に留まった。本年度は、電磁石コイルとスイッチング回路を用いた電磁加速システムの応答制御を行うために、レーザと光センサを用いたシステムを新たに構築し、所定の動作をすることが確認できた。そこで、当初は、このシステムをさらに拡充して、より高速を実現することを計画した。しかしながら、その後のさらなる検討により、このシステムでは、将来、数百m/sを超える高速走行を実現できた際に、応答が追い付かなくなることが判明した。このため、発想を一部変更して、列車の電磁加速を行うのにこれまでのフィードバック制御の考え方に代えて、フィードフォワード制御に切り替えることにした。そこで、このための新たな検討、特に、超高速のスイッチング回路の導入の検討を図る必要が生じたため、実験的な研究の進展は現状に留めて、計算と設計を拡充する方針に切り替えた。また、現状の実験結果では、未だ加速度が小さく、数値計算との直接的な比較を行うことも精度の観点から難しいことがわかった。

Strategy for Future Research Activity

上述のように本年度の研究において、レーザー・光センサーを用いたタイミング制御による電磁加速システムの構築はほぼできた。ただし、これは、将来のシステムとして応答性を上げて、数百m/s以上の速度における加速を行うためには不十分であることも判明した。そこで、超高速のタイミング回路とフィードフォワード制御を用いた加速システムの検討を始めており、次年度は、まずこの設計を完成させる。一方、現状の加速システムにおいては銅線を用いたコイルの数をさらに増やすことに加えて、一部に超伝導線を用いたコイルを製作することとして設計を行っている。さらに、磁気浮上列車には、これまでのバルク材に変えて、同じREBCO系の高温超伝導材料を用いた薄膜テープ線材を用いたものを併用することも検討している。これらにより、さらなる加速性能を得ることが期待できる。また、これまでのフィードバック制御を用いた電源のスイッチング回路については、光素子を用いた自動タイミング制御システムに加えて、ピックアップコイルを用いたシステムも導入する。さらに、レールシステム全体を真空チューブの中に入れることも計画する。これらにより、目標となる10 m/sを超える十分な加速が得られれば、その結果について数値計算との比較を行い、原理検証を完成させることができる。

Causes of Carryover

本年度製作したシステムでは、レーザー・光センサーを用いたタイミング制御回路とフィードバック制御を用いているため、原理検証には良いものの将来の拡張性に問題があると判断した。そこで、このシステムの拡充による方針はやめて、新たに、フィードフォワード制御と超高速タイミング回路を用いたシステムを構築することへの変更について検討を開始した。このため、研究計画について予算執行の面からは変更を行い、当初の予算を残す形となった。次年度は、改良したタイミングシステムと制御方式を用いて計画を進める予定であり、このために上記の残予算も充てることで計画している。