2017 Fiscal Year Research-status Report

Development of super-high-speed pellet injection system using high-temperature superconducting linear catapult

Research Project

Project/Area Number	17K06999
Research Institution	National Institute for Fusion Science
Principal Investigator	柳長門核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (70230258)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	本島厳核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00509507) 高山彰優山形大学, 工学部, その他 (70396589)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	核融合燃料供給 / 高温超伝導磁気浮上 / リニアカタパルト
Outline of Annual Research Achievements	磁場閉じ込め方式核融合炉の燃料供給のために、高温超伝導リニアカタパルトを用いた革新的なペレット射出方式を提案している。これは、真空チューブ中に敷設した永久磁石のレール上で高温超伝導薄膜を用いた超小型の「磁気浮上列車」を電磁加速し、最終速度として10 km/sを得ることをターゲットとしており、本課題では、その原理実証を行う。今年度は電磁加速を行うための電磁石コイル４個の製作を行ったとともに、IGBT半導体素子を用いた高速スイッチング回路を製作して、超伝導磁気浮上列車の連続的電磁加速の実験を行った。電磁石コイルは、直径100 mm、長さ20 mmのアルミニウム製ボビンに直径1 mmの銅線を各200ターンずつ巻いた。当初の設計では同じ直径で長さ100 mmとして1000ターンを巻くことを計画したが、電磁加速を行う部分がコイル端部の磁場変化の大きな部分だけであるため、長さとターン数を減らし、その分、銅線の電流値を高くした方が効率的であることを求め、改良を行った。磁気浮上列車には、イットリウム系高温超伝導材料のバルク材を用いたものを用意した。製作したコイルのうち３個を用いて直流電源から接続したスイッチング回路のタイミング調整を行い、最大の加速が得られる条件を求めたところ、最終速度としては1 m/sを確認した。これにより、電磁石、磁気浮上列車、タイミング回路、および、その制御について基本セットを用意することができた。一方、高温超伝導薄膜の磁気浮上および電磁推進に関する数値計算については、研究分担者である高山彰優氏（山形大学大学院理工学研究科助教）によって実施した。電磁石と超伝導薄膜の双方を円形リングで簡易的にモデル化した計算、および、これらの形状を正確に入れて有限要素法解析を行う計算の双方を行った結果、両者が良い一致を示し、計算手法についてほぼ確立することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 当初の計画では本年度の目標として磁気浮上列車の速度5-10 m/sの実現を狙ったが、現状は、1 m/sに留まった。この理由として、電磁石コイルの製作時に銅線の絶縁が部分的に剥がれる事象が生じ、期待どおりの磁場の生成ができなかったことが挙げられる。また、現状の実験結果では、速度が遅く、数値計算との比較を行うことが難しかった。
Strategy for Future Research Activity	上述のように本年度の研究において、基本となるシステムの構築はほぼできた。次年度以降は、まず、性能の良い電磁石を作り直す。特に、銅線を用いたコイルについては、絶縁不良が生じる問題を回避する。これに加えて、一部、超伝導線を用いたコイルも製作することで大幅なパワーアップを図る。さらに、磁気浮上列車には、バルク材に変えて、同じイットリウム系の高温超伝導材料を用いたテープ線材を用いたものを製作する。これにより、列車の重量を大幅に軽減することが可能となり、さらなる加速性能が期待できる。また、電源のスイッチング回路については、光素子を用いた自動タイミング制御システムを導入する。これらにより、目標となる10 m/sに至る十分な加速が得られれば、その結果について数値計算との比較を行い、原理検証を行うことができる。その結果をもとに、本課題の最終目標である100 m/sの加速に向けて必要な改良を行う。
Causes of Carryover	本年度製作した電磁石コイルについて絶縁の剥がれの問題が生じ、本来の性能が出なかった。このため、コイルの改良と製作を改めて行うこととし、これについて設計の見直しを行った。このため、研究計画について若干の延期を行ったため、当初の予算を残す形となった。次年度は、改良したコイルを用いて計画を進める予定であり、このために上記の残予算も充てることで計画している。