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論文

Demonstration of JK2LB jacket fabrication for ITER central solenoid

濱田 一弥; 中嶋 秀夫; 河野 勝己; 高野 克敏*; 堤 史明*; 関 秀一*; 奥野 清; 藤綱 宣之*; 溝口 満*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.787 - 790, 2006/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:38.57(Engineering, Electrical & Electronic)

原研では、国際熱核融合実験炉(ITER)の活動の一環として、中心ソレノイド(CS)のジャケットの試作作業を進めている。ITER CSの導体は、外形51.4mm角,内径35.1mmの穴を持つ矩形ジャケットを使用する。ジャケットは、4Kで耐力1000MPa以上,破壊靭性値KIC(J)130MPa$$sqrt{m}$$以上が要求される。ジャケット材料には、原研が開発したJK2LB鋼(0.03C-22Mn-13Cr-9Ni-1Mo-0.2N-B)を使用する。素材の製作として、3ton溶解炉及びElectroslag Remelting(ESR)工程を経て、直径170mmのJK2LB鍛造ビレットを1.6ton製作し、良好な熱間加工特性及び量産が可能であることを確認した。ジャケットは外形及び内径精度が+/-0.2mm、穴の偏芯率10%以下、ジャケット単長は最低5mを達成する必要がある。試作した鍛造ビレットから、熱間押し出し及び冷間引抜によりジャケットを試作し、寸法精度を確認した。その結果、外形及び内径の変動は0.2mm以下、偏芯率は5%以下、ジャケットの単長は7mであることを確認した。以上の結果より、ITER CSジャケットの製作に必要な技術を確立できた。

論文

From CS and TF model coils to ITER; Lessons learnt and further progress

奥野 清; 中嶋 秀夫; 小泉 徳潔

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.880 - 885, 2006/06

 被引用回数:10 パーセンタイル:50.7(Engineering, Electrical & Electronic)

ITER超伝導マグネットの製作に必要な技術開発として、日本,米国,EU,ロシアの国際協力の下で中心ソレノイド・コイル及びトロイダル磁場コイルの開発を実施し、それぞれのモデル・コイルで開発目標を達成するとともに、ITER超伝導マグネットの設計・製作手法を実証した。これらの成果に基づき、設計合理化と製作時のリスク低減を目的として、マグネット要素機器のさらなる性能の向上や、実規模での試作を行っている。超伝導素線では新たな技術仕様を策定し、既にこの仕様を満たす素線が試作された。さらにトロイダル磁場コイル容器では、数十トンの試作を行い、大型製品製造技術を確立しつつある。これらにより、ITER超伝導マグネットの調達準備を進めるとともに、核融合以外の超伝導マグネットにも応用できる普遍的な技術を確立する。

論文

A New model to simulate critical current degradation of a large CICC by taking into account strand bending

小泉 徳潔; 布谷 嘉彦; 奥野 清

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.831 - 834, 2006/06

 被引用回数:24 パーセンタイル:72.52(Engineering, Electrical & Electronic)

ITERモデル・コイル試験で、大型Nb$$_{3}$$Snケーブル・イン・コンジット(CIC)導体に、臨界電流値(Ic)とn値の劣化が観測された。また、この劣化は、電磁力が大きくなる程大きくなった。他方、Nb$$_{3}$$Al導体を使用したCIC導体では、劣化は観測されなかった。これらの結果を説明するために、素線の試験結果をもとにした新たに解析モデルを考案した。本モデルでは、個々の素線の横荷重によるIcとn値の劣化を測定し、静水圧モデルを仮定して導体断面内の横荷重を求め、これらの結果から、導体内の個々の素線のIcとn値を評価し、その結果として、導体のIcとn値を求める。解析の結果、Nb$$_{3}$$Sn導体では、電磁力が積分され、素線に加わる横荷重が最大となる低磁場側から常伝導転移が起こり、その結果として、Icとn値の大幅な劣化が起こることがわかった。他方、Nb$$_{3}$$Al導体では、常伝導転移は高磁場側から起こり、そこでは、横荷重は小さいため、素線の劣化が小さく、結果として、導体のIc, n値の劣化が無いことが模擬できた。以上より、新たに開発したモデルの妥当性が検証できた。

論文

Manufacturing study and trial fabrication of radial plate for ITER toroidal field coil

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

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.807 - 810, 2006/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:53.12(Engineering, Electrical & Electronic)

ITERのTFコイルは68kA, 11.8Tで運転されるため、巨大な電磁力が発生する。この電磁力を支持するために、TFコイル導体はTFコイルケース内のラジアルプレート(RP)と呼ばれるD型構造体(13.8m$$times$$8.7m,幅610mm,厚み112mm)に加工された溝に埋め込まれる。RPは大型のため、複数の圧延板を既存加工機が使用できる大きさに溶接接合して、溝を機械加工し、最終的に溶接で一体化する製作方法が考えられる。原研は、実現可能なRP製作方法を検討するとともに、RPの加工方法及び加工時間を評価するために、実機RP素材である316LNを用いて、加工条件や工具寿命を測定した。また、高溶着TIG溶接と、溶接部の収縮を最小にするレーザー溶接の適用性を検討し、実際に316LNで溶接を行い溶接性や変形,溶接速度等を実測した。これらのR&Dに基づき、実機と同じ溝寸法を持つ小規模RP(750mmW$$times$$1000mmL,11溝)を試作し、製作方法を検証した。完成したRP試作体の平面度は1mm以下であることを確認した。以上の結果、RPの現実的な製作方法についての見通しを得た。

論文

Stress analyses of the support structure and winding pack of the superconducting TF coil in National Centralized Tokamak

土屋 勝彦; 木津 要; 高橋 弘行*; 安藤 俊就*; 松川 誠; 玉井 広史

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.922 - 925, 2006/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:12.39(Engineering, Electrical & Electronic)

トカマク国内重点化装置における超伝導トロイダル磁場(TF)コイルの支持構造の最適化を進めている。プラズマ運転シナリオ上、最大の電磁力が加わると考えられる条件での応力や変位を、有限要素法解析により評価した。この評価に基づき、最も変位の低減に有効なコイルケースやシアパネルの配置を検討した結果、アウトボード側斜め下部において、コイルケースやシアパネル構造の増強を行えば、最も効率的に変位を抑えられることを見いだした。また、ボルトやキーの配置及び本数を調整して支持構造の簡素化を図り、構造物の応力/変位が設計基準を満たしていることを確認した。さらに、これまで未評価であった超伝導導体によって構成される巻線部に生じる歪みや、インボード部で巻線が受ける横圧縮力について、最大の電磁力荷重条件において評価した。その結果、導体長手方向の歪みは、熱処理時にコンジットから受ける歪みを緩和する伸び方向が顕著であり、導体の臨界電流劣化に寄与しないことがわかった。また、横圧縮力については、最大経験磁場の箇所で、ニオブアルミ素線の臨界電流値の劣化が始まると報告されている60MPa以下であった。このことから、現設計の支持構造は想定している導体性能に悪影響を及ぼさないことが確認できた。

論文

Control and instrumentation for the ITER magnet system

吉田 清; 高橋 良和; 飯田 浩正

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.775 - 778, 2006/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:12.39(Engineering, Electrical & Electronic)

ITER超伝導コイルシステムは、18個のTFコイル,6個のPFコイル,6個のCSモジュール,18個の補正コイルから構成される。これらのコイルを安全に最適に運転するには、コイルを広範囲に計測し、制御する装置が必要である。各コイルの電流と冷媒は、電源システムとヘリウム冷凍機から供給され、中央制御装置から制御される。冷凍負荷を平準化するために、コイル内の冷媒のシミュレーションを行って、各冷却ループの流量配分を制御しなければならない。また、超伝導コイルのクエンチを検出して、コイル保護を連動させる装置が独立して必要である。また、各コイルの電気絶縁を監視して、運転に警告を行う必要がある。一方、コイルやフィーダーで使用される計測センサー及び電気絶縁継手,各種共通部品は、統一仕様で一括準備することになっている。本稿ではこの計測制御システムの要求性能と機器仕様を報告する。

論文

Effects of tensile and compressive strain on critical currents of Nb$$_{3}$$Al strand and cable-in-conduit conductor

木津 要; 土屋 勝彦; 島田 勝弘; 安藤 俊就*; 菱沼 良光*; 小泉 徳潔; 松川 誠; 三浦 友史*; 西村 新*; 奥野 清; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.872 - 875, 2006/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:12.39(Engineering, Electrical & Electronic)

Nb$$_{3}$$Al素線の臨界電流値(Ic)は歪みにより減少する。ケーブル・イン・コンジット導体(CICC)中の素線には熱歪みと曲げ歪みが加わる。しかしながら、JT-60定常高ベータ化計画のR&Dにおいてリアクト・アンド・ワインド法によって製作されたNb$$_{3}$$Al-D型コイルにおいては、0.4%の曲げ歪みが印加されてもIcは減少しないことが見いだされている。これは、素線の曲げ歪みがケーブル効果により緩和したことを示唆している。CICCのIcに対する曲げの効果を評価するためには、素線に対する引張り・圧縮歪みの効果と、CICC中の素線の歪み緩和効果を調査する必要がある。そこで本研究では、素線及びCICCサンプルに引張り・圧縮歪みを印加できる装置を開発した。サンプルはベリリウム銅製のねじりコイルばね形状のサンプルホルダー表面に取り付けられ、ホルダーをねじることで歪みが印加される。CICCサンプルを取り付け可能とするために82mm径のサンプルホルダーを製作した。Nb$$_{3}$$Al素線サンプルのIcを外部磁場6$$sim$$12T,歪み-0.86%$$sim$$+0.18%の範囲で測定することに成功した。外部磁場11T,歪み-0.86%でのIcは歪み0%の65%に減少することが見いだされた。

論文

Simulation of quench tests of the central solenoid insert coil in the ITER central solenoid model coil

高橋 良和; 吉田 清; 名原 啓博; 枝谷 昌博*; Mitchell, N.*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.783 - 786, 2006/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:48.15(Engineering, Electrical & Electronic)

クエンチ時の導体の振舞いを明らかにするため、CSインサートのクエンチ実験を直流及びパルス・モードの条件で行った。その導体は実機CSとほぼ同じ形状とパラメータを有している。導体の長さは約140mである。直流モードにおいて、導体の中央部の磁場の高いところに取付けられた誘導ヒータにより人為的にクエンチを起こした。また、パルス・モードにおいて、CSインサートは0.4-2T/sの掃引速度でクエンチした。これらのクエンチ実験における導体内の電気的及び熱流体的振舞いのシミュレーションを行った結果、実験結果とよく一致した。ITERにおける実機CSのクエンチ検出は、ピックアップ・コイルを用いた電圧法で行う予定である。実験で得られた結果と比較して、その感度やクエンチ時の導体の最高温度について検討した結果、ITER-CSのクエンチ検出システムは十分な検出感度を有することが示された。

論文

Poloidal field coil configuration and plasma shaping capability in NCT

松川 誠; 玉井 広史; 藤田 隆明; 木津 要; 櫻井 真治; 土屋 勝彦; 栗田 源一; 森岡 篤彦; 安藤 俊就; 三浦 友史

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.914 - 917, 2006/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:30.34(Engineering, Electrical & Electronic)

本論文は、ITERと同様に発電実証炉への貢献を目指すトカマク国内重点化装置(NCT)のポロイダル磁場(PF)コイルの配置設計についてまとめたものである。核融合炉の電力売価は、建設費と核融合出力で決まり、核融合出力はプラズマの規格化ベータ値の約2乗に比例して増大する。このため、高ベータプラズマの実現が経済的な核融合実現の鍵であり、具体的には、理想MHD限界に近い高規格化ベータ値の達成が求められている。プラズマの断面形状パラメータS(=q95*Ip/a*Bt)は、限界ベータ値と相関があると考えられており、核融合炉の設計までに、これらの最適値を検証する必要がある。このため、NCTではアスペクト比やプラズマ断面形状制御性能でITERよりも広い運転領域をカバーすることを目標にしてPFコイルの配置設計を行った。結果的には、アスペクト比が2.6から3.4の領域を、プラズマの形状パラメータSはダブルヌル配位で最大7程度、シングルヌル配位で最大6程度を得ることができた。さらに小断面PFコイルを追加することでプラズマの四角度の制御性が改善できることも明らかにした。

論文

Magnetic field measurements, 3D field calculation and heat measurements of a prototype thick septum magnet for 3 GeV rapid cycling synchrotron of J-PARC

渡辺 真朗; 入江 吉郎; 神谷 潤一郎; 島田 太平; 高柳 智弘; 鈴木 寛光; 渡辺 泰広; 川久保 忠通*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1354 - 1357, 2006/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Engineering, Electrical & Electronic)

セプタム電磁石は一般的に薄いセプタム厚構造と同時に漏れ磁場を極力小さくしなければならない。J-PARC 3GeV陽子シンクロトロンの入出射システム用に用いられるセプタム電磁石は、ロスの少ないhigh intensityのビームが通るための大きなaperture, high radiationに対する保護,high activation後のメンテナンスを避けるための高い耐久性、が要求される。プロトタイプセプタム電磁石の製作をした。ホールデバイスを用いて磁場測定を行い、その結果を3次元静磁場計算コードTOSCAの計算結果と比較をした。ギャップ内の磁場は測定とシンプルモデルによる計算がよく一致した。一方で漏れ磁場は計算結果よりも測定結果の値が大きかった。より詳細なモデルにより、リターンヨークを固定するボルト穴がヨークの実効的な断面積を小さくし、その結果透磁率が小さくなり漏れ磁場が大きくなっていることが判明した。リターンヨークの厚みが十分でないので、磁束密度は容易に飽和に近い領域で励磁されてしまう。さらに、われわれは電磁石の発熱測定とコイルの冷却効率について議論する。

論文

Design of thick septa magnets based on 3D field calculation for the 3 GeV rapid cycling synchrotron of J-PARC

渡辺 真朗; 入江 吉郎; 神谷 潤一郎; 島田 太平; 高柳 智弘; 藤森 寛*; 五十嵐 進*; 川久保 忠通*; 中山 久義*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1350 - 1353, 2006/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:19.62(Engineering, Electrical & Electronic)

J-PARC 3GeV RCSの入出射用セプタム電磁石は7台あり、入射に2台、廃棄ラインに2台、出射に3台用いられる。セプタム電磁石には全て機械的安定性のため、DC電流で動作するよう設計している。また、真空システムへの冷却水のリークによるアクシデント等を避けるため、真空外(air region)で動作される。われわれは3次元静磁場計算コードTOSCAを用い、セプタム電磁石を設計している。このプレゼンテーションでは磁場計算の結果について議論する。

論文

Kicker magnet system of the RCS in J-PARC

神谷 潤一郎; 高柳 智弘; 川久保 忠通*; 村杉 茂*; 中村 英滋*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.168 - 171, 2006/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:25.39(Engineering, Electrical & Electronic)

キッカー電磁石はJ-PARC 3GeVシンクロトロンの出射部に設置され、3GeVに加速された陽子ビームを下流のビームラインへ蹴り出す役割をする。J-PARCプロジェクトの目標である1MWビームパワーを達成するために、キッカー電磁石には、大口径,超高真空,磁場の均一性が要求されている。本論文ではRCSキッカー電磁石システムの仕様を紹介し、上記要求に対する技術的な改善点を報告する。

論文

Magnetic field measurement of the extraction kicker magnet in J-PARC RCS

神谷 潤一郎; 植野 智晶*; 高柳 智弘

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1362 - 1365, 2006/06

 被引用回数:4 パーセンタイル:30.34(Engineering, Electrical & Electronic)

キッカー電磁石はJ-PARC 3GeVシンクロトロンの出射用パルス電磁石である。それは、1MWのビームパワーの陽子ビームを蹴り出すために大口径を有している。それゆえ、負荷ケーブルとのインピーダンスミスマッチ、及び端部漏れ磁場が、磁場分布の精度に影響を及ぼす。われわれはシミュレーションと測定によりそれらの影響を分析し、磁場精度を改善することを行った。本論文ではそれらの研究結果を報告する。

論文

Design of the injection bump system of the 3-GeV RCS in J-PARC

高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗; 山崎 良成; 入江 吉郎; 木代 純逸; 酒井 泉*; 川久保 忠通*

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1358 - 1361, 2006/06

 被引用回数:14 パーセンタイル:59.24(Engineering, Electrical & Electronic)

J-PARC 3-GeV RCSにおける入射バンプシステムは、水平シフトバンプ電磁石4台,水平ペイントバンプ電磁石4台,垂直ペイント電磁石2台で構成されている。本論文では、入射バンプシステムにおける電源,電磁石の設計について報告する。

論文

Design of the shift bump magnets for the beam injection of the 3-GeV RCS in J-PARC

高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 渡辺 真朗; 植野 智晶*; 山崎 良成; 入江 吉郎; 木代 純逸; 酒井 泉*; 川久保 忠通*; 唐司 茂樹*; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1366 - 1369, 2006/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:42.11(Engineering, Electrical & Electronic)

J-PARC 3-GeV RCSにおける入射システムは、4台の水平シフトバンプ電磁石を用いて、周回ビームと入射ビームを合流する。その水平シフトバンプ電磁石の設計を3次元磁場解析により行った。本論文では、その結果について報告する。

論文

Numerical simulation of the critical current and n-value in Nb$$_{3}$$Sn strand subjected to bending strain

広橋 雅元*; 村上 陽之*; 石山 敦士*; 植田 浩史*; 小泉 徳潔; 奥野 清

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1721 - 1724, 2006/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:48.15(Engineering, Electrical & Electronic)

Nb$$_{3}$$Sn CIC導体のITERへの適用性を実証するために試験したモデル・コイルで、臨界電流値とn値の劣化が観測された。この原因として、導体内の素線の局所的で連続的な曲げが考えられている。そこで、臨界電流値、及びn値に対するこのような連続曲げの影響を、より一般的に評価するために、新たなモデルを構築し、解析コードを開発した。本モデルでは、フィラメントのツイスト効果や、隣接するフィラメントだけでなく他の離れたフィラメントとの電気的接触も考慮した。解析手法として、分布定数回路方程式を差分法により離散化し、ニュートン・ラプソン法で非線形方程式を解いて、フィラメント間の転流を計算した。解析結果は、これまでの実験結果を比較的よく模擬したが、より精度の高い解析のためには、フィラメント間の抵抗のモデル化を改良する必要があることがわかった。

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:38.57(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

Irregular loops with long time constants in CIC conductor

谷貝 剛*; 佐藤 秀成*; 津田 理*; 濱島 高太郎*; 布谷 嘉彦; 高橋 良和; 奥野 清

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.835 - 838, 2006/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:38.57(Engineering, Electrical & Electronic)

ITERに用いられるCIC型導体内には、撚りピッチの2乗に比例する規則的損失と短尺導体サンプルの実験結果から予測できない不規則的損失がある。以前のわれわれの論文により、素線がつくる不規則なループは数百秒という長い時定数を持つこと,ループをつくる2本の素線は線接触であることがわかった。より詳細に素線間の接触を研究するために、NbTi素線から構成される撚線(1m)を11mmごとに接触の状況を調査した。調査の結果、導体製作時の圧縮により元の位置から素線が移動することにより線接触をつくることが明らかになった。線接触の長さは約10mmにも達し、点接触の長さ(0.01mm)の千倍にもなるという有用な情報が得られた。

論文

Implications of NbTi short-sample test results and analysis for the ITER Poloidal Field Conductor Insert (PFCI)

Zanino, R.*; Bagnasco, M.*; Baker, W.*; Bellina, F.*; Bruzzone, P.*; della Corte, A.*; Ilyin, Y.*; Martovetsky, N.*; Mitchell, N.*; Muzzi, L.*; et al.

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.886 - 889, 2006/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:42.11(Engineering, Electrical & Electronic)

那珂核融合研究所においてITERポロイダル磁場コイル導体インサート(PFCI)の実験が予定されている。このため、PFCIの適切な実験プログラムを作成することを目的として、NbTi短尺導体サンプル実験から得られた結果の解析を行った。特に、次の項目について検討を行った;(1)巻線内の導体ジョイントがクエンチする前に導体自身の分流開始温度Tcsを測定できる可能性に関する検討。(2)解析コードMithrandirを用いて短尺導体サンプルの実験結果を解析し、いわゆる突然の又は早期のクエンチの可能性に関する検討。(3)PFCI実験における熱量法によるACロス測定の可能性。検討の結果、Tcs及びACロスの測定は可能であることがわかった。しかし、突然のクエンチについては今後のこれらの検討が必要である。

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