| 研究課題/領域番号 |
18H05244
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
石山 敦士 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00130865)
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| 研究分担者 |
植田 浩史 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (10367039)
野口 聡 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (30314735)
福田 光宏 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (60370467)
鷲尾 方一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70158608)
東 達也 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 分子イメージング診断治療研究部, 部長(定常) (50324629)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| キーワード | 電気機器工学 / 超伝導材料 / 加速器 / 量子ビーム / 癌 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目標は、進行がんへの効果が期待される核医学治療用α線放出RI（211At）の多量・安定・分散生産のための加速器「高温超伝導スケルトン・サイクロトロン（HTS－SC）」を開発することである。そして本研究課題では、ビーム加速に必要な磁場を高精度に形成するための高温超伝導マルチコイルシステムを実現する5-High技術（高機械強度・高電流密度・高熱的安定・高磁場・高精度磁場）を統合した革新的コイル化技術の確立を目指す。2018年度（初年度）の主な成果としては、まず2021年・22年度に試作・実験を予定している「小型モデル（Baby-HTS-SC）」用と、実規模HTS-SC用のマルチコイルシステムの試設計（制約条件付き非線形最適化）を行った。また5-High統合コイル化技術について、１）高機械強度化技術：提案した「Super-ROROIコイル構造」の有効性を検証するため、Baby-HTS-SC用マルチコイルシステムを対象として、三次元電磁場・構造連成解析を実施し、コイル変形や発生磁場精度への影響等を明らかにした。２）高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術（無絶縁コイル技術）：実応用を想定して、複数の無絶縁REBCOコイルを積層したコイルシステムの局所的常伝導転移時の熱的・電磁的振舞いを、数値解析と小型モデルコイルシステムの試作・実験により評価した。解析は実験をよく再現でき、無絶縁コイルシステム特有の過渡特性を明らかにできた。３）高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流磁場の低減）：実証実験用Baby-HTS-SC用マルチコイルシステムについて、自作の三次元非線形過渡電磁場解析プログラムを用いて、遮蔽磁場の影響を明らかにした。また、遮蔽電流磁場の空間分布と時間安定度への影響を低減する方法として、線材細線化法と電流波形制御法について、数値解析により低減効果を評価し良好な結果を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
予定していた機械強度評価実験が未達であったが、それ以外の多くの項目について予定を上回る成果が得られ、ほぼ予定通りの進捗状況にある。以下にその概要をまとめる。
１）高機械強度化：「Super-YOROIコイル構造」適用時のコイル変形や発生磁場精度への影響低減効果を、実証実験用Baby-HTS-SC用マルチコイルシステムについて評価することができた。一方コイル変形の影響が大きい非円形セクターコイルについて、モデルコイルの試作までは終了したが、予定していた機械強度評価実験を行うことができなかった。
２）高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術（無絶縁コイル技術）：目的とするマルチコイルシステムに無絶縁コイルを適用したときの電磁的・熱的過渡特性については不明な点が多かった。本年度は、代表者らが開発したPEEC（部分要素等価回路）に基づく電流分布解析と二次元有限要素法による温度分布解析を連成した計算機プログラムをマルチコイルシステム用に拡張し、一部のコイルが局所的に常伝導転移したときの、他のコイルの振舞いを明らかにすることができた。また予定を上回る成果として、常伝導転移時の無絶縁マルチコイルシステムの保護法について、実験と数値解析により評価しその指針を示すことができた。さらに加えて、層間の接触電気抵抗の適正値の決定法とその制御方法を提案することができた。
３）高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流磁場の低減）：予定通り数値解析に基づいてBaby-HTS-SC用マルチコイルシステムを対象とする遮蔽電流磁場の定量的な影響評価と、円形小型REBCOマルチコイルシステムを対象とする２つの遮蔽電流磁場の影響低減法（細線化法と電流制御法）の効果を明らかにすることができた。さらに加えて、細線化後の線材に銅メッキ（実用上必要）を施した時の低減法の効果についても評価することができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
2018年度に得られた成果を踏まえて、今後は、5-High（高機械強度・高電流密度・高熱的安定・高磁場・高精度磁場）技術を組み合わせた場合の振舞いや効果の評価を進めていくことと、HTS-SC用マルチコイルシステム（それぞれ対を成した円形・非円形コイルシステム）に適用した場合の電磁的・熱的・機械的特性評価を進めていく。また、順次得られる成果を、Baby-HTS-SC用および実規模HTS-SC用コイルシステムの設計最適化に活かしながら、試設計を繰り返し行っていく。以下に概要をまとめる。
１）高機械強度化：2018年度未達であった高磁場下での非円形セクターコイルの機械強度評価試験を実施し、「Super-YOROIコイル構造」の有効性を検証する。また、HTS-SC用マルチコイルシステムにおいて、構成するコイル間の機械的相互作用について数値解析に基づき評価・検討していく。さらに、常伝導転移時のコイルシステム全体の電磁的・機械的振舞いについても検討を加える。
２）高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術（無絶縁コイル技術）：HTS-SC用マルチコイルシステムを無絶縁コイルにより構成した場合の過渡特性、特に一部コイルが常伝導転移したときの電磁的・熱的振舞いを数値解析に基づき評価するとともに、これに「Super-YOROI構造」を適用したときの特性評価および常伝導転移時の振舞い（電磁応力の不平衡の発生等）について検討を進めていく。
３）高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流磁場の低減）：無絶縁コイルの励磁・減磁時に発生する線間の結合電流に加えて、REBCO線材に遮蔽電流が生じた場合の振舞いを数値解析とモデルコイルによる実験により評価していく。また、複数の円形・非円形コイルから成るHTS-SC用のマルチコイルシステムにおける遮蔽電流磁場の影響評価に加え、細線化法および電流制御法の適用最適化を進める。
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