2021 Fiscal Year Annual Research Report
超高磁場発生のための高耐久高安定マグネットの開発技術および経済性運転技術の確立
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20H02125
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
野口 聡 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (30314735)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金 錫範 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (00287963)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超高磁場 / 超伝導マグネット / 無絶縁巻線技術 / フラックス・ポンプ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究実績概要は以下の通りである。
１）REBCO超伝導コイルのための熱、応力、電磁界連成シミュレーション手法を開発した。遮蔽電流により、フープ応力が予想より大きく１GPaを超えることがあることが報告されている。それを確認するために、遮蔽電流・応力計算が盛んに行われている。本研究では、コイル変形よる遮蔽電流の低減を明らかにした。しかしそれでも、REBCOテープ線の応力は、塑性領域まで高まることが示され、弾性領域での計算では不十分であることを示した。そこで、新たに粒子法による塑性領域でも解析可能なシミュレーション手法を開発し、簡単なREBCOテープの応力解析を実施した。さらに、REBCOテープ線を複数枚バンドルすることで、安定性が向上し、かつ無絶縁巻線技術の弱点である励磁遅れも改善できることを示した。
２）誘導電流低減の電磁機構“Magnetic Dam”を提案してきた。超伝導コイルの内側と外側に、メインコイルから絶縁された無絶縁巻線超伝導巻線を数ターン配置することで、大幅に誘導電流を低減できることを明らかにしてきたが、応力などによる超伝導特性の低下が起きないかなどの諸問題をシミュレーションにより検討した。
３）無絶縁巻線技術を施したREBCOコイルの安定性は、ターン間の接触抵抗の大きさに依存している。しかし、ターン間接触抵抗の効果的な測定方法がなかったので、低周波交流電流を用いる新しい方法を提案してきた。該当年度は、異なる周波数の交流電流特性を広く測定し、電流の流れ方をピックアップコイルで計測し、提案手法の妥当性などを検証してきた。併せて、シミュレーションを実施することで実験結果の検証に取り組んできた。
４）無絶縁REBCOマグネット用の新しいフラックス・ポンプの開発として、プロトタイプコイルの設計を実施してきた。そして、テスト用のREBCOダブルパンケーキを実際に製作した。
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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
本申請科研費の大きな研究項目として、(1)熱、応力、電磁界連成シミュレーション手法の開発、(2)誘導電流の低減の電磁機構の開発、(3)巻線間電気抵抗の制御 および測定、(4)無絶縁REBCOマグネット用のフラックス・ポンプの開発がある。
2021年度、項目(1)に関しては、予定より進展があった。新たに高精度な遮蔽電流解析技術の開発が必要となり、開発に成功した。さらに、塑性領域での解析が必要なことが分かり、粒子法による手法を開発した。項目(2)は実験検証の予定であったが、コロナ禍で実験ができなかったため、代替として項目(2)の応力検証を前倒しして始め、成果を得ることができた。項目(3)は概ね予定通りの進展であった。項目(4)は、フラックス・ポンプのシミュレーションに関しては予定通り、実験の準備・検討を進めてきた。プロトタイプ用の超伝導コイルの制作は終えた。ただし、岡山大学で実験を実施予定していたが、コロナ禍で岡山大学を訪問できず、予備実験ができなかった。さらに、新型コロナなどの理由で REBCO線材業者も生産が遅れている。次年度以降も項目(1)から(3)に関しては、予定より進んでいるが、さらに進展させていく。項目(4)は、若干遅れているため、早い段階で申請者が岡山大学を訪問し、予備実験を実施し、次年度内に遅れを取り戻すことに注力する。
以上のように、コロナ禍の影響を受け、進展が遅れている項目もあるが、コロナ禍の影響を受けない項目を前倒し開始したことで、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究方針として、項目ごとに以下の実施計画を立てている。
(1)これまで進めてきた熱、応力、電磁界連成シミュレーション手法の開発を引き続き実施する。塑性領域まで考慮した応力解析手法の開発の必要性が新たに判明したので、注力して進める。また、いくつかの既存の超高磁場マグネットの事例検証を実施し、機械的ダメージのメカニズムを明らかにする。
(2)誘導電流の低減の電磁機構の開発では、予定より早く応力に関する検討を終えることができた。2022年度に実施予定であった実験検証を岡山大学で実施する。ただし、想定より大規模な実験となる可能性がシミュレーションにより明らかになった場合は、2022から2023年度に米国国立高磁場研究所(フロリダ州立大学)で実施することも検討する。
(3)巻線間電気抵抗制御・測定に関しては、幅広い周波数でのシミュレーションや測定を終えた。その結果、高精度測定への補正方法が見出せそうであり、新たに検討する。その場合、これまでは測定不可能と思われていたダブルパンケーキなど対象が広がる可能性があり、提案法の有効性を確固たるものにすることができる。
(4)2021年度後期に実施予定であったフラックス・ポンプ用コイルの基礎実験を、2022年度前期に実施する。本年度にシミュレーションで検討した、フィルタ・インダク タンスとの相関を実験で確認し、最終年度に向けたフラックス・ポンプ用コイル設計条件を確認していく。実験は岡山大学で実施予定であるので、2022年度早々に実験予定、実験手順などの策定に入る。
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