| 研究課題/領域番号 |
26220913
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
橋爪 秀利 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80198663)
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| 研究分担者 |
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), 助教 (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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| 研究期間 (年度) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| キーワード | プラズマ・核融合 / 超伝導材料・素子 |
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| 研究実績の概要 |
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：機械的ラップジョイントの接合サンプルを用いて接合抵抗の温度・磁場依存性を取得し、77 K、0 Tの接合抵抗から、各温度・磁場条件での接合抵抗を予測するモデル式を提案した。また、常温で接合サンプルのインピーダンス測定を行い、統計学処理によって、冷却時の接合抵抗と相関が得られることを示した。
2) 超伝導物理に基づく機能分割構造導体の設計：超伝導の臨界状態モデルを模擬した電磁場解析コードを用いて均一超伝導材の電流輸送解析を実施し、解析コードの妥当性の検証を行った。解析結果は理論的に予測できる電流分布とよく一致しており、今後はこれを用いて機能分割構造導体の構造検討を行う予定である。
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サブクール液体窒素を用いて、除熱特性のサブクール度、多孔質体粒子径の依存性のデータを評価した。また、分割型マグネットの接合部、流路構造をモデル化して、伝熱解析による冷却構造の検討を行い、多孔質体を用いた部分強制冷却によって、万一の接合抵抗上昇に対しても冷却が可能であることを示した。また、可視化試験によって曲がり管後流部の流れ場を明らかにした。
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：液体ヘリウム浸漬冷却体系において機械的接合部を持つ大型高温超伝導導体の通電試験を最大8 Tの環境下で行い、接合抵抗2 nΩで1時間の100 kA安定通電に成功した。また、ヘリカル型核融合炉のヘリカルコイル・支持構造材をモデル化して電磁力解析を行い、分割型マグネットを支持でき、かつメンテナンスポートを確保できる構造を提案した。
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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
本年度は、1) 機械的ラップジョイントサンプルの接合サンプルの接合抵抗の温度・磁場依存性データの蓄積、常温における接合サンプルのインピーダンス測定による接合抵抗とインピーダンスの相関性の評価、2) 臨界状態モデルを模擬した電磁場解析コードを用いた昨日分割構造導体の構造検討の着手、3) 金属多孔質体と液体窒素を用いた冷却システムの伝熱データの取得と除熱モデルの検討、可視化試験や数値解析による冷却システム設計、4) 100 kA級高温超伝導導体の通電試験、を交付申請書時点で予定しており、得られた結果はこれらの予定に沿ったもので、おおむね順調に進展していると判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
1) 接合部極限性能予測手法の開発：最終的には、使用時（低温（超伝導）・高磁場・大電流）の性能を組立時（常温（常電導）・ゼロ磁場・ゼロ電流）の状態で予測する手法の構築を目指す。今後は常温における接合サンプルのインピーダンス測定に加え、X線CT、超音波顕微鏡を援用して多角的に予測手法を検討する。また、接合抵抗の温度・磁場依存性のデータを蓄積し、組立時の各種評価結果と使用時の接合抵抗の相関性の有無について引き続き検討していく。
2) 超伝導物理に基づく機能分割構造導体の設計：引き続き臨界状態モデルを模擬した電磁場解析コードを用いた超伝導輸送電流解析により導体構造検討を行うとともに、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、必要に応じて、GL方程式を用いた超伝導状態の解析も援用して導体設計を行う。
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：金属多孔質達と液体窒素を用いた冷却システムの伝熱データの多孔質体粒子径・多孔質-伝熱面間の界面抵抗・サブクール度・流量などの依存性を評価し、他の極低温流体を用いた場合の除熱特性の予測手法の構築を図る。また、連続曲がり管内の流れの可視化を踏まえた分割型マグネットの冷却設計に取り組む。
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：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総合設計に取り組む。また10 kA級導体の製作・通電試験によって、様々な形状の接合部の製作性の検証や、接合性能の実証を行っていく。
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