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

2020 Fiscal Year Annual Research 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• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 本島 厳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507) ; 高山 彰優 山形大学, 大学院理工学研究科, 助教 (70396589) [Withdrawn]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 / ペレット / 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では、水素同位体を極低温で凍らせた1-2 mmのペレットを高速で射出してプラズマに入射する。現在のところ、圧縮した水素ガスを用いてエアガン方式で射出する技術が開発されてきたが、得られる速度は1 km/s程度が限界であり、ペレットは高温プラズマの周辺部で溶発し、燃料供給効率が悪い。そこで、別方式として電磁加速が想定され、本研究ではこのうちリニアカタパルト方式を考案し、原理検証を行った。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超小型超伝導磁気浮上列車を電磁加速するものである。
システムとして、永久磁石を並べたレール、小型磁気浮上列車、電磁石コイル、電源・スイッチング回路、自動制御装置を製作し、連続的電磁加速実験を行った。列車にはREBCO系高温超伝導バルク材を搭載し液体窒素で冷却して浮上させ、レールに沿って並べた電磁石に通電してバルク材に磁気遮蔽電流を誘起して加速を行った。電磁石の通電は、半導体素子を用いた高速スイッチング回路、および、レーザ・光センサとマイコンを用いてタイミング制御を行った。最初に直線レールで多段加速を行うことに成功し改良を進めた結果、最終的に円形レールで連続加速が行えるようになった。
並行して、高温超伝導薄膜に誘起される磁気遮蔽電流の空間分布・時間変化に関する数値計算を進め、複数の電磁石を用いた連続加速も扱えるようになった。結果をもとに本構想について検証した結果、当初想定した10 km/sの速度を得るには数十kmに及ぶ加速区間が必要であり、現実的に難しいとわかった。それでも、1 km/sであれば実現可能であり、エアガン方式の代替として想定可能と判断するに至った。また、このような高速走行ではフィードバック制御ではなく、あらかじめ決められたタイミングで磁場の進行波を作り、これに波乗りさせる方式が有効であると検討した。