| 研究課題/領域番号 |
26420849
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
伊藤 悟 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60422078)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 超伝導材料・素子 / プラズマ・核融合 |
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| 研究実績の概要 |
革新的核融合炉用超伝導マグネットの設計案として機械的接合法を利用した分割型高温超伝導マグネットが提案されている。本研究では、接合抵抗発生メカニズムの温度・磁場・応力依存性を定量化して最適機械接触界面構造を明らかにし、ミクロな接触界面物理とマクロな構造特性を踏まえてマグネット接合部の施工・運転・着脱までを想定した最適荷重シナリオを構築することを目的とする。
1) 最適機械接触界面構造の検討：GdBCO線材の機械的ラップジョイントの接合抵抗の温度・磁場（強度・方向）依存性を実験的に評価し、接触抵抗を予測するモデルの構築を試みた。線材接合面に垂直方向に磁場を印加した場合については接触抵抗を15%程度の誤差で予測できるモデル式を提案できた。一方、線材接合面に平行方向に磁場を印加した場合の接触抵抗については、10 K以下で予測が一致していない状況である。また、接合面に挿入するインジウムの硬さが低下することを期待して、接合部製作時の温度制御が接合抵抗低減に効果的であるかを検証し、インジウムの融点156.6℃に対して、90～100℃程度の温度で接合部製作を行うことで、接合抵抗を最小化できることを示した。
2) 最適接合荷重履歴シナリオの検討：まずGdBCO線材の厚さ方向の横圧縮応力（ラップジョイントにおける接合力と同方向）と臨界電流の関係を評価した。液体窒素冷却下で400 MPaの横圧縮応力を付加しても臨界電流は低下しないが、室温で200 MPaを付加すると臨界電流が低下することが確認された。また、GdBCO線材の機械的ラップジョイントサンプルの引張せん断強度試験を液体窒素浸漬冷却体系にて実施した。接触圧力50 MPa以上を付加した場合に評価された接合部のせん断強度は40 MPaは、ヘリカル型核融合炉FFHRの電磁力構造計算から算出される導体線材部のせん断応力32 MPaを上回ることが確認された。
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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
交付申請書では、1) 最適機械接触界面構造の検討：接触抵抗の温度・磁場（強度・方向）を予測するモデルの提案・改善、接触界面の候補材となる金属の硬さを考慮した接合部製作時の温度制御の接合抵抗低減効果の確認、2) 最適接合荷重履歴シナリオの検討：高温超伝導線材の応力-臨界電流の関係性の温度依存性の評価、接合サンプルの引張試験の実施、を研究実施計画として挙げていた。本年度の実績はこれらの内容にほぼ沿ったものであり、おおむね順調に進展していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
2年目となる平成27年度は以下の内容を目的に研究を進める予定である。
1) 最適機械接触界面構造の検討：接触抵抗の磁場方向依存性に関して予測できるモデル式を提案するために、接触界面を詳細にモデル化し、電流密度ベクトルと磁場ベクトルのなす角度を考慮にいれて、磁気抵抗効果の数値解析的評価に取り組む。また、異なる安定化材構造を持つ高温超伝導線材の接合サンプルの接合抵抗予測に提案したモデル式が適用できるかも検証する。さらに接合部製作時に温度制御を行ったサンプルに対しても、接合抵抗の温度・磁場依存性を評価し、接触抵抗を構成する集中抵抗・皮膜抵抗のどちらが温度制御によって低減される効果が大きいのかを検証する。
2) 最適接合荷重履歴シナリオの検討：引き続き接合サンプルの引張試験を実施し、接触理論と構造理論に基づいて接触状態・摩擦・接合部せん断強度の関係性を示すモデルの提案を試みる。また、室温～150℃程度の温度域において接合部解体試験（引張および剥離試験）を行い、接合面に挿入する界面金属の硬さ、高温超伝導線材の機械特性の両面から、線材の臨界電流を低下させないで接合部を解体できる条件を検討する。
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