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論文

ITERトロイダル磁場コイルのカバー・プレート溶接試験

小泉 徳潔; 松井 邦浩; 清水 辰也; 中嶋 秀夫; 飯島 亜美*; 牧野 吉延*

低温工学, 47(3), p.186 - 192, 2012/03

ITER-TFコイルのダブル・パンケーキ(DP)は、高さ14m,幅9m,厚さ0.1mの薄肉大型構造物である。DPでは、ラジアル・プレート(RP)の溝内に導体を挿入し、その上にカバー・プレート(CP)を被せて、RPとCPをレーザー溶接することで、導体をRP溝内で固定する構造を採用している。このCP溶接の長さは約1.5kmにも及ぶが、これによる溶接変形は平面度で1mm、輪郭度で約5mmの高い精度が要求されている。さらに、CPとRP間のギャップは、CP及びRPの製作精度から0.5mm以下となり、通常のレーザー溶接では溶接品質の確保が困難である。そこで、0.5mmの幅広のギャップに対してレーザー溶接を可能とする技術を開発し、さらに、実機短尺RPサンプルを用いて、面外変形を1mm以下に抑える溶接手順を確立した。加えて、実機短尺RPサンプルの試験結果から固有歪を導き、これを用いて解析的に、実機DPの面内変形が約5mmと評価できることを示した。RPの側面にビード・オン溶接することで、この面内変形を矯正する方法も考案し、TFコイルのCP溶接技術に目途を立てた。

論文

ITERトロイダル磁場コイル用ラジアル・プレートの試作

高野 克敏; 小泉 徳潔; 清水 辰也; 中嶋 秀夫; 江崎 康一*; 長本 義史*; 牧野 吉延*

低温工学, 47(3), p.178 - 185, 2012/03

TFコイルの巻線部で使用するラジアル・プレート(RP)は、長さ13m,幅9m,厚さ10cmの大型構造物であるにもかかわらず、平面度で1mm,輪郭度で2mm以下の高精度の製作公差が要求されている。また、RPの溝の中に導体を挿入し、導体を固定するために、RP溝にカバー・プレート(CP)という蓋をする。CPはRPとレーザー溶接するため、CPとRP間のギャップを0.5mm以下に管理する必要がある。このため、RPとCPは高い寸法精度で製作する必要がある。そこで原子力機構は、高精度、かつ、合理的な製作方法の確立を目指して、中規模及び実規模RP及びCPの試作試験を実施した。試作の結果、製作公差を満足する高精度な製作技術の開発に成功し、実機RPの製作に目途を立てることができた。

報告書

Analytical study of cover plate welding deformation of the radial plate of the ITER toroidal field coil

大森 順次; 小泉 徳潔; 清水 辰也; 奥野 清; 長谷川 満*

JAEA-Technology 2009-046, 60 Pages, 2009/09

JAEA-Technology-2009-046.pdf:9.67MB

ITERのトロイダル磁場(TF)コイルの巻線では、ラジアルプレート(RP)と呼ばれる構造物に、導体を埋め込む構造を採用している。RPに導体を収めた後、カバープレート(CP)をRPに溶接する。RPの大きさは、高さ15m,幅9mであるのに対して、その製作公差は平面度で2mm,面内変形で約2.5mmと極めて厳しいため、CP溶接によるRPの変形を極力小さくする必要がある。そこで、この溶接変形を予測するため、長さ1mのモックアップを製作し、溶接変形を測定し、この測定結果から固有ひずみを求め、実機の溶接変形を解析した。その結果、CPの溶接深さをコイルのインボード側で2.5mm,アウトボード側で1mmとすることで、RPの変形を許容値内にできることがわかった。加えてTFコイルと巻き線の製作性を改善し、さらに溶接変形量を低減できる代替構造を検討し、これに対し解析を実施して、溶接変形をさらに低減できることを示した。

論文

Development of optimum manufacturing technologies of radial plates for the ITER toroidal field coils

中嶋 秀夫; 濱田 一弥; 奥野 清; 阿部 加奈子*; 清水 辰也; 角井 日出雄*; 山岡 弘人*; 丸山 直行*; 高柳 貞敏*

Fusion Engineering and Design, 82(5-14), p.1473 - 1480, 2007/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:59.35(Nuclear Science & Technology)

ITERのトロイダル磁場コイルでは、コイルに作用する大電磁力を支えるため、外径約14m$$times$$9m,幅約611mm,厚さ約112mmのラジアル・プレートと呼ばれる両側に溝を加工したD型の大型ステンレス構造物が使用される。このような大型のステンレス構造物の製作経験はこれまでにないことに加え、ラジアル・プレートには平面度2mm以内という厳しい製作精度が要求される。さらに、9コイル分のラジアル・プレート63個を約4年という短期間で製作する必要があり、ラジアル・プレートの製作方法の最適化がITER実現には必須となる。そこで、原子力機構では、ラジアル・プレートの製作方法を検討するとともに、必要となる製作技術の開発を行い、最適製作方法を考案した。本発表では、製作技術開発のために実施した試験の結果とこの結果に基づいて考案した最適製作方法について発表する。

論文

Progress of the ITER central solenoid model coil programme

辻 博史; 奥野 清*; Thome, R.*; Salpietro, E.*; Egorov, S. A.*; Martovetsky, N.*; Ricci, M.*; Zanino, R.*; Zahn, G.*; Martinez, A.*; et al.

Nuclear Fusion, 41(5), p.645 - 651, 2001/05

 被引用回数:53 パーセンタイル:15.64(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERを構成する3群の超伝導コイルでは、中心ソレノイド・コイルが最も高い磁場13Tを0.4T/s以上の速度で急速励起するパルス動作が要求される点で、最も技術的難度の高いコイルである。そこで中心ソレノイド・コイル工学設計の妥当性を確認し、併せてコイルの製作技術を開発する目的で、中心ソレノイド・モデル・コイルの開発が進められてきた。約8年をかけて完成したモデル・コイルの実験がこの程、国際共同作業として原研で実施され、技術開発目標をすべて満足する実験成果と貴重な技術データが得られた。

口頭

Fracture mechanics analysis of ITER toroidal field coil

小野寺 勝*; 井口 将秀*; 齊藤 正克*; 濱田 一弥; 中嶋 秀夫; 奥野 清; 杉本 誠; 中平 昌隆; 喜多村 和憲; 高柳 貞敏*; et al.

no journal, , 

国際熱核融合実験炉(ITER)用トロイダル磁場コイルは、供用中検査が難しく、かつ繰り返し荷重を受けるので、疲労亀裂進展による寿命評価を行うことが重要である。TFコイルの運転条件に沿ってコイル・システムの全体応力解析を実施し、繰り返し応力が発生する場所を明らかにした。この繰り返し応力条件をもとに、コイル構造物に亀裂が生じ、進展した時の構造物の応力分布の変化を評価できるように、有限要素法により、亀裂をモデル化した部分詳細構造解析モデルを作成した。この詳細構造解析モデルを用いて、亀裂周辺部の応力計算を行い、亀裂の大きさと応力拡大係数の関係をまとめた。その結果、部材を貫通するような大きさの亀裂が発生しても、応力拡大係数は、材料の破壊靭性値に対して十分低いものであり、不安定破壊は起きないと考えられる。また、原子力機構が保有する極低温構造材料の疲労亀裂進展速度データを用いて、疲労寿命の評価を実施した結果、許容初期欠陥の大きさは約1000mm$$^{2}$$であり、十分検出可能な大きさである。これらの結果より、TFコイルは、3万回の繰り返し運転に対して、十分な疲労亀裂寿命を有することが判明した。

口頭

ITER中心ソレノイド用サンプルの接続部内の電流分布解析

長谷 隆司*; 清水 辰也; 辺見 努; 松井 邦浩; 小泉 徳潔; 高橋 良和; 奥野 清

no journal, , 

国際熱核融合実験炉(ITER)に用いられる40kA@13Tの大容量Nb$$_{3}$$Sn導体の超伝導性能評価試験は、二種類の導体を無酸素銅を介して接続したサンプルを用いて行われる。この試験では、その接続部が外部磁場発生用の超伝導マグネットのボアの近くに配置されるため、11Tの外部磁場発生時に、接続部が0.29$$sim$$8.4Tの広範囲の外部磁場にさらされる。そのため、接続部の無酸素銅の磁気抵抗効果により、大きな電流分布が発生し、導体の正確な評価に支障をきたす可能性がある。その確認と、接続部内の電流分布均一化を目的として、中心ソレノイド(CS)コイル用Nb$$_{3}$$Sn導体を接続する部分を流れる電流の分布を有限要素法により解析した。その結果、残留抵抗比(RRR)が100の無酸素銅を用いた従来の接続構造では、全体の接続抵抗は低くなるものの、異なる位置における最大電流密度と最小電流密度の比が1.65と大きくなり、電流が接続部内で大幅に不均一化することが確認された。これに対し、接続部にRRR=4の銅板を挟んで接続した場合には、全体の接続抵抗値を2n$$Omega$$以下の許容範囲にとどめながら、最大電流密度と最小電流密度の比を1.23に低減できることがわかった。

口頭

ITER・TFコイル巻線の詳細製作設計と実規模試作

小泉 徳潔; 中嶋 秀夫; 松井 邦浩; 高野 克敏; 辺見 努; 大森 順次; 清水 辰也; 奥野 清

no journal, , 

原子力機構は、ITERにおける日本の国内機関として、2008年11月19日に、9個のITERトロイダル磁場(TF)コイルの巻線部及びコイル容器と巻線部の一体化に関する調達取り決めに調印し、2009年3月から、このための作業を進めている。TFコイル巻線部の調達取り決めでは、TFコイル巻線の調達を、以下に記す3段階に分けて段階的に実施する計画である。第一段階: 技術的課題の解決とコスト低減化検討,第二段階: 治具の製作及び第一号コイルの製作,第三段階: 残りの8台のコイル製作。第一段階に相当するTFコイルの詳細製作設計と実規模試作では、巻線部及び一体化の製作計画,材料調達計画及び品質保証計画と製作冶具の設計の最終化、及び製作図面の作成を行う。加えて、製作技術の検証として、小規模試作及び実規模試作を実施する。

口頭

ITER TFコイル製作に向けた試作の進捗

松井 邦浩; 小泉 徳潔; 辺見 努; 高野 克敏; 千田 豊; 清水 辰也; 中嶋 秀夫

no journal, , 

ITER TFコイルの調達では、中規模及び実規模の試作を実施した後に、それらを踏まえてTFコイルを製作する。原子力機構は、TFコイルの製作に向けて、ラジアル・プレート(RP)及びカバー・プレート(CP)の製作,導体巻線,熱処理,トランスファ,含浸,CP溶接等の試作を、メーカと協力して段階的に実施している。これらの試作のうち、2009年度には、RPの製作,導体巻線の試作,CP溶接を実施した。RPの製作では実規模のRP用ステンレス鋼圧延材を製作し、導体巻線の試作では1/3規模の中規模巻線試作のために巻線装置を製作して実機導体を用いた導体曲げ試験を実施した。また、CP溶接ではレーザ溶接による試作を行い、0.6mmのギャップまで溶接できることを確認した。

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