2020 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of design principle and basic technology for next generation medical high temperature superconducting skeleton-cyclotron
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18H05244
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
石山 敦士 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00130865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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, 情報科学研究院, 准教授 (30314735)
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)
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)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 電気機器工学 / 超伝導材料 / 加速器 / 量子ビーム / 癌 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標は、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。2020年度の主な成果としては、まず、2022年度に予定している「小型モデル（Ultra-Baby-HTS-SC）」用REBCOマルチコイルシステムの特性評価実験の前準備として、機械強度、熱特性、発生磁場特性等に関する予備実験と数値解析による検討を行い、その結果をもとに、適切な特性評価を行うための測定系の構築を開始した。また5-High統合コイル化技術については、１）高機械強度化技術：非円形小型モデルコイルの高磁場（14T）下での通電試験（電磁応力・ひずみ測定）を実施し、YOROIコイル補強構造の効果を検証した。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）：HTS-SC用のような大口径（0.5mφ以上）コイルを対象として、REBCO線材の一部に欠陥や電磁力等による線材劣化が存在・発生しても、従来の外部保護抵抗によるエネルギー回収を行わずに運転を継続できる評価法と条件を提案・提示した。３）高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流磁場の低減）：Ultra-Baby-HTS-SC用REBCOマルチコイルシステムを対象として、遮蔽電流による不整磁場低減のための励磁電流波形の最適化を行った。また、無絶縁コイル巻線技術をHTS-SC用コイルに適用した時の遮蔽電流磁場の影響評価を可能とする計算機プログラムを新たに開発するとともに、遮蔽電流磁場の影響を抑えるための通電電流波形の提案を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
以下のとおり予定を上回る成果が得られ、順調に進捗している。
まず、「5-High統合・革新的コイル化技術の開発」については、１）高機械強度化技術：YOROIコイル補強構造を施した非円形セクター小型無絶縁コイルを試作し、高磁場下（14T）での強度試験を実施し、並行して行った応力変形数値解析に基づく検討と合わせて、補強構造無しのコイルの結果との比較により大幅な高強度化が実現できていることを検証した。２）高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術：実応用上重要となる無絶縁コイル巻線内の層間接触電気抵抗のばらつきの影響、無絶縁REBCOコイルのための安定性評価基準とそれに基づく保護について新たな指針を示すことができた。３）高精度の磁場を発生する技術（遮蔽電流磁場の低減）：2022年度試験予定のUltra-Baby-HTS-SC用REBCOマルチコイルシステムを対象として、発生する遮蔽電流磁場を数値解析により予測するとともに、磁場精度に与える影響を低減する、特に、本課題の独自性の一つである出力エネルギーを変化させたときの発生磁場の時間安定度を高めるための励磁電流波形を提案することができた。つぎに「5-High統合・革新的コイル化技術の展開」については、無絶縁巻線コイル技術適用時の遮蔽電流磁場を評価するための計算機プログラムを開発し、励磁電流波形の影響を明らかにすることができた。さらに「211At製造のための実規模HTS-SC用マルチコイルシステムの試設計」については、ヒアリング審査時に、磁気シールを含めた設計の必要性の指摘があったことから、鉄シールド付きHTS-SC用コイルシステムの設計最適化のため計算機プログラムを構築した。ここで、膨大な計算量を低減するためにモデル縮約法の適用を図り、実規模HTS-SC用コイルシステムを対象に設計を試みた。
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| Strategy for Future Research Activity |
5-High統合・革新的コイル化技術をHTS-SC用マルチコイルシステムに適用した場合の特性評価を継続して進め、本研究のキーテクノロジーである「YOROIコイル補強構造」、「無絶縁コイル巻線技術」、「遮蔽電流磁場低減技術」を適用したときの電磁的・熱的・機械的特性を数値解析により予測し、その結果に基づいて、Ultra-Baby-HTS-SC用マルチコイルシステムの評価実験（2022年度に実施予定）に反映できるようにする。そして、5-High統合・革新的コイル化技術の実現性・有用性を実験によりどのように検証するかを2021年12月末までに決定する。
以下に項目ごとの概要をまとめる。
まず、「HTS-SCマルチコイルシステムのための5-High統合・革新的コイル化技術の開発」については、１）高機械強度化：実応用において、マルチコイルを構成する無絶縁コイルの一部が常伝導転移したときの各コイルの振舞いを明らかにするとともに、コイル間の電磁力バランスの変化の予測とそのための支持構造について検討を進める。２）高電流密度化と高熱的安定化を両立する技術: 実規模HTS-SC用無絶縁マルチコイルシステムのコイル保護法について検討を進めるとともに、「高安定・無保護」および欠陥を許容する技術に基づく「低コスト化」の可能性を探り、そのための評価基準の確立を目指す。３）高精度の磁場を発生する技術: 実規模HTS-SC用無絶縁マルチコイルシステムを対象として、出力エネルギー変化（発生磁場変化）時の挙動・影響評価とその低減法に焦点を当てる。さらに実規模コイルシステムの試設計を繰り返し行うとともに、本研究課題で得られた知見に基づいて、実規模システムを開発・実現するための課題と開発指針を提示するための検討を行う。
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