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論文

急熱急冷変態法Nb$$_{3}$$Alケーブル・イン・コンジット導体の安定性試験

小泉 徳潔; 松井 邦浩; 辺見 努; 中嶋 秀夫; 竹内 孝夫*; 伴野 信哉*; 菊池 章弘*

低温工学, 46(8), p.495 - 499, 2011/08

原子力機構と物質・材料研究機構は協力して、先進Nb$$_{3}$$Al線の実証炉への応用を目指して、16T, 80kA級Nb$$_{3}$$Al導体の開発を進めている。先進Nb$$_{3}$$Al線は、一次熱処理で約1900$$^{circ}$$Cまで加熱されるため、伸線時に安定化銅を素線へ複合することができない。そこで、一次熱処理後に銅をメッキする方法を開発した。本手法が安定性の観点から有効であることを確認するために、縮小ケーブル・イン・コンジット(CIC)導体を試作し、その安定性を評価した。その結果、従来の手法で安定化された素線を用いたCIC導体と同程度の安定性を達成できることが確認され、本手法を用いた先進Nb$$_{3}$$Al線の安定化が有効であることがわかった。これにより、先進Nb$$_{3}$$Al導体の実証炉への適用性に目途を立てた。

論文

Microstructural observation of ITER Nb$$_{3}$$Sn strands under bending strain

伴野 信哉*; 竹内 孝夫*; 小泉 徳潔; 奥野 清

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 20(3), p.1455 - 1458, 2010/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:52.24(Engineering, Electrical & Electronic)

原子力機構がITER用に開発したNb$$_{3}$$Sn線に曲げ歪みを印加して、Nb$$_{3}$$Snフィラメントの断線発生状況を電子顕微鏡を用いて観察した。その結果、曲げ歪み0.3%程度でフィランメントの断線が発生し始めて、約1%で多数のフィラメントが断線することがわかった。この結果から、Nb$$_{3}$$Sn線が約1%の曲げ歪みを受けると臨界電流性能が大幅に劣化する実験結果を定性的に説明できる。また、サブ・セグメント内のフィラメントは、隣接するフィラメントと接触している部分が観測された。そこで、Nb$$_{3}$$Sn線のヒステリシス損失を測定して、有効フィラメント径を求め、前記の観測結果の妥当性を検討した。その結果、サブ・セグメント構造を採用したNb$$_{3}$$Sn線では、有効フィラメント径が、サブ・セグメントの直径とほぼ同等となり、前記の観測結果の妥当性が確認できた。

論文

Fission neutron irradiation effect on interlaminar shear strength of cyanate ester resin GFRP at RT and 77 K

西村 新*; 泉 佳伸*; 西嶋 茂宏*; 辺見 努; 小泉 徳潔; 竹内 孝夫*; 四竃 樹男*

AIP Conference Proceedings 1219, p.127 - 134, 2010/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:100

シアネートエステル樹脂を用いたガラス繊維強化プラスチック(GFRP)を製作し、原子炉中で0.1MeVを超える高速中性子を1$$times$$10$$^{22}$$n/m$$^{2}$$まで照射した。本研究により、シアネートエステルGFRPの製作方法を確立し、超伝導材料に関する照射効果を研究するための研究協力ネットワークを構築した。NIFSが製作したCTD403 GFRP,東芝が製作したシアネートエステル+エポキシ混合樹脂GFRP及びCTD403 GFRPの3種類のサンプルを製作した。製作されたサンプルは原子力機構の研究用原子炉JRR-3で照射された後、ショートビーム試験が室温及び77Kで実施され、層間せん断強度(ILSS)が評価された。1$$times$$10$$^{21}$$n/m$$^{2}$$でのILSSは若干の上昇を示し、1$$times$$10$$^{22}$$n/m$$^{2}$$ではILSSは約50MPaであった。この傾向は製作した3種類のサンプルについて確認された。

論文

Characterization of Nb$$_{3}$$Al strands subjected to an axial-strain for fusion DEMO reactor

辺見 努; 小泉 徳潔; 布谷 嘉彦; 奥井 良夫*; 松井 邦浩; 名原 啓博; 礒野 高明; 高橋 良和; 奥野 清; 伴野 信哉*; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 19(3), p.1540 - 1543, 2009/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:42.17(Engineering, Electrical & Electronic)

Nb$$_{3}$$Alケーブル・イン・コンジット(CIC)型導体は原型炉用超伝導マグネットの主要な候補材料として開発を行っている。CIC型導体を構成する超伝導素線の性能は電磁力及び熱処理時の熱歪によって影響される。原型炉を設計するために、急熱急冷変態法により製作されたNb$$_{3}$$Al素線の性能評価を温度,磁場及び軸方向歪をパラメータとして実施した。本論文では、Nb$$_{3}$$Al素線の性能試験結果及び評価したスケーリング則を報告する。

論文

Status and perspective of the Nb$$_{3}$$Al development

竹内 孝夫*; 菊池 章弘*; 伴野 信哉*; 北口 仁*; 飯嶋 安男*; 田川 浩平*; 中川 和彦*; 土屋 清澄*; 満田 史織*; 小泉 徳潔; et al.

Cryogenics, 48(7-8), p.371 - 380, 2008/07

 被引用回数:48 パーセンタイル:11.37(Thermodynamics)

急熱急冷法Nb$$_{3}$$Alは、Nb$$_{3}$$Snに比べて耐歪特性に優れている、臨界磁場が26T以上と高いなど、より高磁場が必要となる次世代の核融合炉や加速器への応用に適している。急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al線は、過飽和固容体を生成するために約2000$$^{circ}$$Cで一時熱処理を行う。このため、銅などの安定化材をあらかじめ線材に付加しておくことができないなどの技術的課題があった。これに対して、一時熱処理後に銅をメッキする、あるいはクラッド加工で銅を付加する技術を開発し、急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al線材を用いた20T級小型コイルの開発に成功した。さらに、50kgビレットを用いて、長さ2600mの長尺線材の製作にも成功し、大量生産技術の確立に目途も立てた。

論文

核融合の研究開発

牛草 健吉; 関 昌弘; 二宮 博正; 乗松 孝好*; 鎌田 裕; 森 雅博; 奥野 清; 柴沼 清; 井上 多加志; 坂本 慶司; et al.

原子力ハンドブック, p.906 - 1029, 2007/11

原子力ハンドブックの第VIII章核融合の研究開発において、核融合炉の概念,炉心プラズマ物理と炉心制御技術,国際熱核融合実験炉(ITER)計画,核融合ブランケット技術,核融合燃料循環処理技術,核融合炉用材料技術,核融合動力炉概念とシステム工学課題について、研究の現状を解説する。

論文

Change in properties of superconducting magnet materials by fusion neutron irradiation

西村 新*; 西嶋 茂宏*; 竹内 孝夫*; 西谷 健夫

Fusion Engineering and Design, 82(5-14), p.1555 - 1560, 2007/10

 被引用回数:5 パーセンタイル:57.47(Nuclear Science & Technology)

最近の核融合炉関連研究において、プラズマ真空容器外へのポートからの中性子ストリーミングやブランケット及び遮蔽体からの中性子透過が指摘されている。よって、超伝導磁石システムは高エネルギー粒子場にさらされる可能性がある。本研究では、超伝導磁石材料に対する照射効果を評価するために、極低温照射システムを構築し、FNS/JAEAにおいて実験を行った。GM冷凍機を用いてNb$$_{3}$$Sn, Nb$$_{3}$$Al及びCuワイアーを4.5Kまで冷却し、極低温下で14MeV中性子を照射した。照射後、電気抵抗と臨界温度の変化を計測した。同時に、クライオスタットの外側ではGFRPと関連するその他センサーの照射実験も行い、照射後に材料特性の変化を調べた。

論文

超伝導材料と導体

竹内 孝夫*; 木須 隆暢*; 小泉 徳潔

プラズマ・核融合学会誌, 83(1), p.44 - 49, 2007/01

核融合炉では高磁場中で数万アンペアの大電流導体が大量に必要となり、臨界電流密度が高く、コストを低減するために長尺性や量産性にも優れた超伝導線が必要とされる。これら超伝導導体の開発、及び技術的課題について解説する。また、大電流超伝導導体で観測される特有の不安定現象についても解説し、これの解決のために実施された研究成果についても紹介する。

論文

Internally Cu-stabilized RHQT Nb$$_{3}$$Al superconductors with Ta matrix

竹内 孝夫*; 田川 浩平*; 野田 哲司*; 伴野 信哉*; 飯嶋 安男*; 菊池 章弘*; 北口 仁*; 小菅 通雄*; 土屋 清澄*; 小泉 徳潔; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1257 - 1260, 2006/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:59.06(Engineering, Electrical & Electronic)

次期核融合炉では、16T以上の高磁場で大電流を流す導体が必要となる。急熱急冷変態法(RHQT)Nb$$_{3}$$Al線は、2次熱処理前に撚線加工が行えるので、RHQT-Nb$$_{3}$$Al CIC導体は、その有力な候補導体として考えられている。CIC導体で使用する丸線には、従来は、1900$$^{circ}$$C程度の1次熱処理でNb母材と反応しない銀を安定化材として使用していた。しかし、銀,Nbには放射化の問題があるため、タンタルを母材とし、安定化材として銅を使用する製造方法の開発を試みた。

論文

Nuclear technology and potential ripple effect of superconducting magnets for fusion power plant

西村 新*; 室賀 健夫*; 竹内 孝夫*; 西谷 健夫; 森岡 篤彦

Fusion Engineering and Design, 81(8-14), p.1675 - 1681, 2006/02

 被引用回数:3 パーセンタイル:71.56(Nuclear Science & Technology)

核融合炉において超伝導コイルを安定して運転するためには、NBIポート等の真空容器の貫通部から突き抜けてくるストリーミング中性子による核発熱を抑制するとともに、長期的には放射化を低減することが重要であり、中性子工学の観点から超伝導コイルの材料に関する評価が必要である。本論文は、そのような研究を要する背景を述べ、代表的な超伝導線材であるNb$$_{3}$$Snの中性子照射試験結果,低放射化超伝導線材の開発、及びストリーミング中性子による核発熱を抑制する遮へい設計の現状を報告する。さらに、高エネルギー粒子の研究に関する最近の動向と、広いエネルギー帯域の$$gamma$$線環境下で使用される加速器用超伝導コイルの設計の概要について発表する。

論文

Irradiation effect of 14 MeV neutron on interlaminar shear strength of glass fiber reinforced plastics

西村 新*; 菱沼 良光*; 妹尾 和威*; 田中 照也*; 室賀 健夫*; 西嶋 茂宏*; 片桐 一宗*; 竹内 孝夫*; 進藤 裕英*; 落合 謙太郎; et al.

AIP Conference Proceedings 824, p.241 - 248, 2005/09

国際熱核融合実験炉の設計では中性粒子ビーム入射のポートからの放射線ストリーミングによる影響で超伝導コイルで使用されるガラス繊維強化プラスチックが中性子及び$$gamma$$線に曝される。放射線照射による有機絶縁材料の材料強度の劣化は超伝導コイルシステムの健全性に大きな影響を与える可能性がある。本研究では日本原子力研究開発機構DT中性子源FNSによる14MeV中性子照射及び大阪大学のCo-60線源による$$gamma$$線照射実験を実施し、候補ガラス繊維強化プラスチックG-10CRの割裂強度の推定及び層間せん断強さの実験的検証を行った。その結果、1MGy以上のCo-60$$gamma$$線照射に関しては劣化が確認されたが、本研究でのDT中性子照射量(3$$times$$10$$^{19}$$n/m$$^{2}$$)内での材料的劣化は認められなかった。

論文

Development of advanced Nb$$_{3}$$Al superconductors for a fusion demo plant

小泉 徳潔; 竹内 孝夫*; 奥野 清

Nuclear Fusion, 45(6), p.431 - 438, 2005/06

 被引用回数:26 パーセンタイル:30.14(Physics, Fluids & Plasmas)

原研では、約750$$^{circ}$$Cで熱処理を行えるNb$$_{3}$$Al導体を開発した。しかし、Nb$$_{3}$$Al本来の性能を発揮し、約16Tの高磁場を発生するためには、約1900$$^{circ}$$Cの高温で熱処理を行う必要がある。他方、約1900$$^{circ}$$Cでの熱処理を行った場合、核融合炉用超伝導導体で従来採用している安定化銅を内部に含有するNb$$_{3}$$Al線を使用することができなくなる。そこで、約1900$$^{circ}$$Cの高温で一次熱処理を行った後に、Nb$$_{3}$$Al線の外部に銅線を配置し、これにより安定化する構造を考案した。従来、このような外部安定化の構造では、常伝導転移時の銅線への電流転流に時間を要し、安定化が困難であると予想されていた。そこで、電流転流挙動と熱的挙動を数値的に解くコードを開発し、Nb$$_{3}$$Al導体の外部安定化の可否について定量的に評価した。その結果、Nb$$_{3}$$Al線と銅線の熱的,電気的接触を良好に保つことで、外部安定化が可能なことを示した。これにより、高性能Nb$$_{3}$$Al導体を使用したより効率の高い発電実証プラントへの可能性の道を開いた。

論文

Development of advanced Nb$$_{3}$$Al superconductors for a fusion demo plant

小泉 徳潔; 竹内 孝夫*; 奥野 清

Proceedings of 20th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2004) (CD-ROM), 8 Pages, 2004/11

原研では、約750$$^{circ}$$Cで熱処理を行えるNb$$_{3}$$Al導体を開発した。しかし、Nb$$_{3}$$Al本来の性能を発揮し、16T程度の高磁場を発生するためには、約1900$$^{circ}$$Cの高温で熱処理を行う必要がある。他方、1900$$^{circ}$$Cでの熱処理を行った場合、核融合炉用超伝導導体で従来採用されている安定化銅を内部に含有するNb$$_{3}$$Al線を使用することができない。そこで、約1900$$^{circ}$$Cの高温で一次熱処理を行った後に、Nb$$_{3}$$Al線の外部に銅線を配置し、これにより安定化する構造を考案した。従来、このような外部安定化の構造では、常伝導転移時の銅線への電流の転流に時間を要し、安定化が困難と予想されていた。そこで、電流転流挙動と熱的挙動を数値的に解くコードを開発し、Nb$$_{3}$$Al導体の外部安定化の可否について、定量的に評価した。その結果、外部安定化が可能であることを示した。これにより、高性能Nb$$_{3}$$Al導体を使用したより効率の高い発電実証プラントへの可能性に道を開いた。

論文

Corrosion Behavior of Stainless Steel in Nitric Acid Solution under Gamma-ray Irradiation

永井 崇之; 竹内 正行; 武田 誠一郎; 山本 孝夫*; 津久井 茂樹*; 岡本 信一*

Journal of Nuclear Science and Technology, 35(7), p.502 - 507, 1998/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:52.23(Nuclear Science & Technology)

本報では、$$gamma$$線遮蔽環境における硝酸溶液中でのステンレス鋼材料の腐食挙動について調査する目的で、$$gamma$$線による腐食への影響、さらに腐食機構にアプローチするための電気化学試験、硝酸の放射線分解生成物の分析結果について、それぞれ報告する。試験の結果、$$gamma$$線の影響により、工学的使用において問題のない程度なら、わずかにステンレス鋼材(R-SUS304ULC)の腐食速度が増大し、これは材料表面への$$gamma$$線照射作用に基づく不働態保持電流の上昇によることがわかった。

報告書

核融合炉遮蔽解析法の検討

笹本 宣雄; 飯田 浩正; 池田 孝夫*; 植木 紘太郎*; 上松 幹夫*; 桜本 直彦*; 秦 和夫*; 竹内 清*; 辻 政俊*; 森 清治*; et al.

JAERI-M 82-216, 67 Pages, 1983/01

JAERI-M-82-216.pdf:1.68MB

日本原子力学会・「速中性子遮蔽」研究専門委員会の核融合炉遮蔽ワーキンググループにおいて、各種の核融合炉概念設計書をもとに核融合炉遮蔽解析法の現状のサーベイ及び検討を行った。本報告書はそれらの検討結果をまとめたものである。取り上げた設計例は、CULHAM MKII(英国)、SPTR(日本)、TFTR(米国)、STARFIRE(米国)、INTOR-USA(米国)の5種類である。

口頭

Irradiation effect of D-T neutron on superconducting magnet materials for fusion

西村 新*; 菱沼 良光*; 妹尾 和威*; 田中 照也*; 室賀 健夫*; 西嶋 茂宏*; 片桐 一宗*; 竹内 孝夫*; 進藤 裕英*; 落合 謙太郎; et al.

no journal, , 

燃焼プラズマ核融合装置では強い磁場強度と燃焼プラズマを維持するための超伝導磁石システムが利用される。この核融合装置ではプラズマを高温にするためにNBIや電子サイクロトロン共鳴装置等の加熱装置が大型ポートに設置される。そのため超伝導磁石冷却用のクライオスタットがDT核融合中性子に曝され、超電導材料にダメージを与えることが懸念される。中性子照射による候補超伝導材料の劣化特性メカニズムを検証及び照射による超伝導材料への効果のデータを構築するために、日本原子力研究開発機構の核融合中性子源FNSによる超伝導材料照射実験を行いその照射影響を調べた。その結果、中性子照射による臨界温度の低下が観測されたものの、ITERクラスでは問題とならないことを確認した。

口頭

急熱急冷・変態法Nb$$_3$$Al素線の軸方向歪特性と波状変形特性

名原 啓博; 布谷 嘉彦; 松井 邦浩; 辺見 努; 小泉 徳潔; 礒野 高明; 宇野 康弘*; 奥井 良夫*; 押切 雅幸; 妹尾 和威; et al.

no journal, , 

急熱急冷・変態法により製作されたNb$$_3$$Al超伝導素線のI$$_c$$(B,T,$$epsilon$$)特性及び波状変形特性を計測した。その結果、Nb$$_3$$Sn素線と比較して、軸方向歪に対するI$$_c$$の低下は小さいことがわかった。一方、波状変形に関しては、低い荷重ではNb$$_3$$Sn素線と比較してI$$_c$$の低下が非常に小さいが、ある荷重を超えると急激にI$$_c$$の劣化が生じることがわかった。

口頭

超伝導マグネット材料の中性子照射効果

西村 新*; 竹内 孝夫*; 西嶋 茂宏*; 落合 謙太郎; 高倉 耕祐; 四竈 樹男*; 佐藤 伊佐務*; 渡辺 和雄*; 西島 元*

no journal, , 

原子力機構FNSでNb$$_{3}$$Sn線材に14MeV中性子を1.78$$times$$10$$^{21}$$n/m$$^{2}$$まで室温照射した後、東北大学金属材料研究所アルファ放射体実験室に搬送し、強磁場超伝導材料研究センターに設置されている28Tハイブリッドマグネットで高磁場での臨界電流測定を行った。その結果、20T以下の領域では、照射によって臨界電流は増加した。照射欠陥がピン止め点としての働きをし、そのため臨界電流が増加したものと思われる。臨界磁場は約25.4Tで、照射前後で顕著な変化は見られない。このことは、照射欠陥がNb$$_{3}$$Snの結晶格子の状態に明確な影響を及ぼしていないことを示している。

口頭

ITER用Nb$$_{3}$$Sn素線の曲げ歪印加時の断面観察

伴野 信哉*; 竹内 孝夫*; 小泉 徳潔; 奥野 清

no journal, , 

ITERモデル・コイルの試験の結果から、電磁力によって導体の臨界連流性能が劣化することが観測されており、その原因として、素線の局所的な曲げが考えられている。そこで、実験的に、Nb$$_{3}$$Sn素線の臨界電流値の曲げによる劣化特性が測定された。これに対して、古典的な解析モデルの適用及び有限要素法を用いた数値解析等が実施され、試験結果を説明することが試みられたが、これまでに十分に説明することができていない。そこで、ITER用に開発された種々のNb$$_{3}$$Sn素線の断面のSEM観察を行い、断面構成やフィラメントの結合状況,クラック発生が臨界電流値の曲げ歪み依存性に与える影響を検討した。その結果、フィラメントにクラックの発生が観測され、また、クラックが多い素線ほど曲げによる臨界電流値の低下が大きくなる傾向が観測された。

口頭

ブロンズ法Nb$$_{3}$$SnフィラメントのEBSD分析

竹内 孝夫*; 伴野 信哉*; 飯嶋 安男*; 土屋 清澄*; 小泉 徳潔

no journal, , 

Nb$$_{3}$$Alの結晶粒径を測定するために電子後方散乱回折(EBSD)法が使用されるが、その妥当性が検証されていない。そこで、結晶粒径を引張破断面から容易に評価できるNb$$_{3}$$Snに対して、EBSD法を適用し、その妥当性を検討した。試験の結果、EBSD法と引張破断面から評価した結晶粒径は、比較的よく一致し、EBSD法の妥当性を検証できた。

口頭

急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al CIC導体の安定性試験結果

小泉 徳潔; 松井 邦浩; 中嶋 秀夫; 竹内 孝夫*; 伴野 信哉*

no journal, , 

実証炉では、16T以上の高磁場を発生できる急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al線を使用したケーブル・イン・コンジット(CIC)導体の採用が期待されている。一方、急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al線では、一次熱処理温度が銅の融点よりも高く、銅を用いた安定化ができないという課題があった。そこで、著者らは、一次熱処理後の急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al線の表面に銅をメッキする外部安定化法を開発し、その安定性を縮小導体を用いて測定した。実験の結果、外部安定化銅によって高い安定性が確保され、安定性の観点からは、外部安定化急熱急冷法Nb$$_{3}$$Al導体の実証炉への適用性に目途を立てることができた。

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