2021 Fiscal Year Annual Research Report
Detailed analysis of joining characteristics and establishment of maintenance scenario for remountable high temperature superconducting magnet under irradiation environment
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20H01884
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
伊藤 悟 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60422078)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田村 仁 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (20236756)
西島 元 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (30333884)
松山 成男 東北大学, 工学研究科, 教授 (70219525)
柳 長門 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (70230258)
宍戸 博紀 東北大学, 工学研究科, 助教 (90827792)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 核融合学 / 電磁・マグネット / 高温超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、強磁場・照射特性を踏まえた分割型高温超伝導マグネットの建設・運用・保全シナリオの構築を行うために、1) 強磁場・照射環境を踏まえた接合特性詳細分析、2) 強磁場用超伝導センサー製作とクエンチ検出特性影響因子の解明、3) 放射化計算に基づく分割型高温超伝導マグネット保全シナリオ検討、を行うことを目的とする。本年度の研究実績は以下の通りである。
1) 強磁場・照射環境を踏まえた接合特性詳細分析：コンタクトプローブユニットを用いてREBCO線材の層間抵抗率の温度・磁場依存性の評価を行い、層間抵抗率の磁場依存性が温度によって変化することを確認した。またREBCO線材のメーカー、製造番号によって、層間抵抗率がばらつくことを確認した。加えて同評価に対して磁場方向変化を可能とする測定体系の考案を行った。さらに初年度に導入した液体窒素トラップ付きビームチャンバーを用いて、REBCO線材の陽子線照射を行い、低温照射→昇温→臨界電流評価（マグネットメンテナンスを模擬）、低温照射→低温保持→臨界電流評価（マグネット運転中を模擬）を行い、昇温することで臨界電流が回復することを確認した。
2) 強磁場用超伝導センサー製作とクエンチ検出特性影響因子の解明：強磁場用のクエンチ検出センサーとしてNb3Alを導入し、自己磁場、液体ヘリウム冷却下においてREBCO線材のクエンチ検出ができることを確認した。また、クエンチセンサへの検査電流の決定に必要なデータとなるNb3Alセンサーの臨界電流の磁場依存性を評価した。
3) 放射化計算に基づく分割型高温超伝導マグネット保全シナリオ検討：放射化計算の基礎情報となるREBCO超伝導体の元素種による放射化影響特性を調査した。また、接合部の曲げ・捩り特性の評価、多孔質冷却システムの冷却特性の重力方向依存性評価を行い、マグネットの製作、冷却、運転に与える影響を評価した。
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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
1) 強磁場・照射環境を踏まえた接合特性詳細分析：交付申請書の記載にある、1-1) 各種REBCO線材の磁場依存性の評価、1-2) 磁場方向を変更した測定体系の構築、1-3) 接合の機械的特性の評価、1-4) 冷却ながらのREBCO線材の陽子線照射、および同線材の臨界電流の評価、の4点について、予定通り実施することができた。
2) 強磁場用超伝導センサー製作とクエンチ検出特性影響因子の解明：交付申請書にはMgB2とNb3Alセンサーの2つの製作とクエンチ検出特性の評価を行うとしていたが、現状はNb3Alセンサの開発に集中して取り組んでいる状態である。磁場下でのクエンチ検出試験は実験設備の改修時期の関係で実施ができなかったため、次年度に集中して行う予定である。
3) 放射化計算に基づく分割型高温超伝導マグネット保全シナリオ検討：分割型マグネットを採用している炉設計（ヘリカル炉FFHR-d1）などを事例に、中性子輸送計算、構造材料の放射化・照射欠陥計算を行う予定であったが、今年度は評価に必要な事前調査を中心に実施した。一方で研究の進展により、交付申請書には記載されていたなかった機械特性や冷却システムの評価を踏まえた新たな設計検討を実施することができた。
1)、2)、3)を総合的に見れば、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 強磁場・照射環境を踏まえた接合特性詳細分析：各種REBCO線材の層間抵抗の温度・磁場強度・磁場方向依存性を評価し、超伝導／常伝導界面における材料構成なども踏まえて、層間抵抗発生メカニズムの解明に取り組む。また、線材接合の最適化のために引き続き接合サンプルの機械的特性の取得も行う。加えて、低温照射チャンバーを用いてREBCO線材への陽子線照射を実施し、照射後の線材の温度変化と臨界電流の関係のデータを増やすことで、マグネットの運転時・保守時の性能変化に対する知見を得る。
2) 強磁場用超伝導センサー製作とクエンチ検出特性影響因子の解明：Nb3Alセンサを用いて、液体ヘリウム冷却体系において各種REBCOコイルのクエンチ検出試験を行う。この試験を通してNb3Al線材の安定化材量や検査電流、さらには外部磁場の値によって、クエンチ検出特性がどのように変化するかを評価する。
3) 放射化計算に基づく分割型高温超伝導マグネット保全シナリオ検討：分割型マグネットを採用している炉設計（ヘリカル炉FFHR-d1）などを事例に、中性子輸送計算、マグネット材料の放射化計算を行う。本計算を通してマグネット材料（候補となる高温超伝導線材や接合材料）を変化させた場合の放射化に対する影響について評価する。併せて、分割型
高温超伝導マグネットの製作方法・保守方法を構造解析にもとづいて検討する。
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