2015 Fiscal Year Annual Research Report
革新的核融合炉実現へ向けた分割型高温超伝導マグネットの実証と普遍的接合法の創成
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26220913
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
橋爪 秀利 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80198663)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江原 真司 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30325485)
伊藤 悟 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60422078)
遊佐 訓孝 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60466779)
柳 長門 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (70230258)
田村 仁 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (20236756)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / 超伝導材料・素子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は核融合炉実現に不可欠となる先進的分割型高温超伝導マグネットの実証を目的とする。以下、本年度に得られた実績をまとめる。
1) 接合部極限性能予測手法の開発: 接合抵抗の温度・磁場依存性予測のためのモデル式を実験データを用いて修正した。またX線CTによる接合部画像解析により、接合面においてマクロな接触領域を判別できることを示した。接合部の検査手法の開発として取り組んでいる電磁非破壊検査では、交流電流供給、インピーダンス測定体系の改善により、より高周波での測定が可能になったが、ノイズ軽減など引き続き検討が必要な状況である。
2) 超伝導物理に基づく機能分割構造導体の設計: 超伝導物理に基づき、高温超伝導線材の積層導体の臨界電流を向上しうるピン止め位置の検討を行った。本検討に基づき、ピン止め位置を制御する線材を製作するために、プロトン照射を行うことを予定しており、本年度は加速器のエネルギー、照射位置の検討も行った。
3) 多孔質体を利用した冷却システムの性能予測と分割流路設計: ブロンズ粒子金属多孔質体と液体窒素を用いて沸騰曲線の粒子径依存性を評価した。また水、液体窒素を用いた場合の実験データを用いて既存の伝熱相関式を修正し、対流・核沸騰・核沸騰限界点の伝熱相関式を構築した。また、伝熱相関式を元に、液体ヘリウム、液体ネオン、液体水素を用いた場合の熱伝達性能を予測した。
4) 100 kA級のモックアップマグネット製作による分割型高温超伝導マグネット総合設計と実証: 東北大にて液体ヘリウム浸漬冷却体系で10 kA通電が可能なクライオスタットの整備を行った。さらに、3Dプリンタを用いて、ヘリカル炉の分割型高温超伝導マグネットのセグメントのピッチ単位を検討し、導体接続巻き線方式において、これまでの半ピッチ接続から1ピッチ接続に変更が可能であることを示した。
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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
本年度は、1) 常温環境下における接合サンプルのインピーダンス特性取得、X線CTなどを援用した接合部検査の拡張、接合抵抗の構造・温度・磁場依存性のデータ蓄積、2) ピン止め力の高い線材と臨界電流の高い線材を組み合わせた単純積層導体体系の検討と実験的評価、3) 金属多孔質体と液体窒素を用いた冷却システムの実験データの蓄積と、他の極低温冷媒を用いた場合の伝熱性能予測、4) 10 kA通電が可能なクライオスタットの整備と中型導体の通電試験、3Dプリンタや各種数値解析を用いた導体構造、巻線構造、冷却流路構造、マグネット支持構造の設計検討の着手、を交付申請書時点で予定していた。クライオスタット設備の導入に時間がかかるなど、一部実施ができなかった項目もあるが、冷却性能の伝熱相関式の構築が予定よりも進んだこともあり、おおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 接合部極限性能予測手法の開発: X線CT、レーザー顕微鏡により接合部の幾何形状を分析し、接触抵抗を増加させる要因の詳細を考察する。接合性能予測のための非破壊検査法の開発として、インピーダンス特性の評価に加えて、接合部のひずみ分布評価のためのホール効果評価にも取り組む。また、これまでの研究に引き続き、接合抵抗の接合部構造・温度・磁場依存性のデータ蓄積に取り組む。
2) 超伝導物理に基づく機能分割構造導体の設計: プロトン照射により部分的にピン止めの高い線材を複数製作し、それらを組み合わせた単純積層導体体系において、磁場－臨界電流特性の実験的評価を行う。また、臨界電流向上の原理解明のための超伝導物理・電磁場解析に取り組む。
3) 多孔質体を利用した冷却システムの性能予測と分割流路設計: 多孔質体材質・形状を変えて伝熱データを取得し、伝熱相関式の高度化に取り組む。また、構築した伝熱相関式を元に分割が他マグネットの冷却設計の検討を行う。さらに高出力レーザーを用いて、流路設計に必要な連続曲がり管内の流動場の可視化に取り組む。
4) 100 kA級のモックアップマグネット製作による分割型高温超伝導マグネット総合設計と実証: 導体接合技術の実機適用を目指して、製作期間の短縮化、接合抵抗の安定的低減手法の開発、曲げ導体の接合手法開発、導体ジャケット部溶接・絶縁技術の開発に取り組み、それらを応用したプロトタイプ導体を製作し、通電試験を行う。併せて3Dプリンタや各種数値解析により100 kA級導体構造、巻線構造、冷却流路構造、マグネット支持構造の設計検討を行う。
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