2013 Fiscal Year Annual Research Report
自励振動式ヒートパイプ組み込みによる高温超伝導マグネットの冷却構造強化研究
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25289343
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
三戸 利行 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (10166069)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
夏目 恭平 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, COE研究員 (90632282)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | ヒートパイプ / 超伝導 / 低温 / 自励振動 / マグネット |
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| Research Abstract |
核融合炉用の超伝導マグネットに高温超伝導体を用いることができれば、低温超伝導体を用いた場合に比べて、より高い安定性と経済性が期待できる。しかし、核融合炉に必要な大型の高温超伝導マグネットを実現するためには、マグネットの巻線内部で発生した熱をいかに効率よく短時間で外部へ取り出せるかが重要となる。そこで、高熱伝導率と高熱拡散率を同時に達成できる熱輸送素子としてヒートパイプに着目し、低温での動作が可能なシート状の自励振動式ヒートパイプ(OHP)をマグネット巻線内部に組み込んだ新しい冷却構造の開発研究に取り組んでいる。本年度はレーザー溝加工したステンレス板を組み合わせ、ロウ付けで一体化することにより、高温超伝導マグネットの巻線内への組込みに適した機械強度が高く、薄いシート形状に加工可能な独自構造のOHPを開発した。現在、流路数、流路幅、流路深さ、流路長、設置方向等を変化させたOHPの液体水素、液体ネオン、液体窒素温度での動作特性を測定し、低温動作OHPの設計最適化のためのデータを蓄積している。また、低温で複数のOHPを同時に動作させるためのバッファータンク等を含む冷却システムを構築し、室温での可視化による動作確認実験並びに低温での動作実証実験を行っている。今後の計画として、巻線の一部に高温超伝導テープ線を用い、ヒーター、温度計等を埋め込んだダミーコイルに複数のOHPを組み込んだ実証実験を行い、冷却特性改善に対する効果を実証する。特に、高温超伝導マグネット・クエンチ時に巻線内に発生する過度の温度勾配、その結果として生じる熱歪による巻線の機械的な損傷や超伝導特性の劣化を防止する効果について、実験及び解析の両面から検証する予定である。
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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
機械強度が高く、流路断面積を大きくとれるシート形状のOHPとして、4枚のステンレス板を積層し、立体的な流路構造を持つOHPを新たに開発した。中央の上下2枚のベース板には、互い違いの位置となるヒートパイプ流路がレーザー加工機で溝加工され、上下の流路がつながるように端部でＬ字型の溝になっている。2枚を重ねることにより、上側から下側、下側から上側へと繰り返し折り返す流路が形成される。更にその上下にカバーとなる板を積層し、4枚の板を真空ロウ付けすることで立体的な流路構造を持ち、低温での使用にも耐えるリークタイトなシート形状のOHPが構築した。シート形状OHPの低温での熱輸送特性を推定できる実験式を構築するため、実験及びデータの蓄積を行っており、研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
通常のヒートパイプは、気液２相の作動流体を封入して封じきりの状態で使用する。しかし、低温動作OHPでは、低温と室温での作動流体の密度差が大きいため、この方法は採用できない。例えば、ネオンでは、圧力1気圧、沸点27 Kでの液体の密度が1,205 kg/m3であるのに対し、300 Kの気体の密度は0.81 kg/m3となり、体積が1,500倍に膨張する。そこで、マグネット冷却に必要な複数のOHPの低温動作時の作動流体充填量を同時に制御すると共に、温度上昇時の過度の圧力上昇を防止するために、低温バッファータンクを用いた低温動作OHPの連結システムを構築する必要がある。更に、巻線の一部に高温超伝導テープ線を用い、ヒーター、温度計等を埋め込んだダミーコイルに複数のシート状OHPを組み込み、低温での動作実証実験を行う。実験では、高温超伝導マグネットの運転時における冷却特性改善に対する組み込みOHPの効果を実証する。特に、マグネットクエンチ時に巻線内に発生する過度の温度勾配、その結果として生じる熱歪による巻線の機械的な損傷や超伝導特性の劣化を防止する効果について、実験及び解析の両面から、OHPの優れた熱輸送効果を実証する計画である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
Bi2223高温超伝導線材の性能が研究計画作成時よりも高性能化したため、自励振動式ヒートパイプ（OHP)を組み込んで性能を実証する高温超伝導マグネットの設計見直しを行い、より高性能な高温超伝導線材を用いたOHP組込み超伝導マグネットの冷却特性実証実験を行う計画としたため。
マグネット冷却に必要な複数のOHPの低温動作時の作動流体充填量を同時に制御すると共に、温度上昇時の過度の圧力上昇を防止するために、低温バッファータンクを用いた低温動作OHPの連結システムを構築する。巻線の一部に高温超伝導テープ線を用い、ヒーター、温度計等を埋め込んだダミーコイルを製作し、高温超伝導マグネットの運転時における冷却特性改善に対する組み込みOHPの効果を実証する。特に、マグネットクエンチ時に巻線内に発生する過度の温度勾配、その結果として生じる熱歪による巻線の機械的な損傷や超伝導特性の劣化を防止する効果について、実験及び解析の両面から、OHPの優れた熱輸送効果を実証する。
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[Journal Article] Experimental Results of the HTS Floating Coil Using REBCO Tapes for the Mini-RT Upgrading2014
Author(s)
Natsume, K. ; Terazaki, Y. ; Mito, T. ; Yanagi, N. ; Ogawa, Y. ; Morikawa, J. ; Uchijima, K. ; Hosaka, Y. ; Nose, S. ; Tomioka, A. ; Itoh, I. ; Takada, E. ; Konno, M. ; Ohaku, M.
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Journal Title
IEEE Transactions on Applied Superconductivity
Volume: Vol. 24
Pages: 4601104
DOI
Peer Reviewed
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