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論文

Analysis of current and voltage distribution in the first Japanese qualification sample of an ITER TF conductor

小泉 徳潔; 松井 邦浩; 奥野 清

Cryogenics, 50(3), p.129 - 138, 2010/03

 被引用回数:10 パーセンタイル:54.99(Thermodynamics)

原子力機構はITER-TF導体の25%の調達を担当しており、原子力機構が開発したTF導体の性能検証試験をスイスのSULTAN試験装置で実施した。本サンプルでは導体長が2.5mと短く、導体内の電流分布はジョイントの影響を受けやすい。一方、ジョイント部は2Tから7Tの不均一な外部磁場を受けるため、銅の磁気抵抗効果によってジョイント抵抗にばらつきが生じる。このため、導体内に電流偏流が発生し、実験結果から正確に導体性能を評価することが困難となっている。そこで、集中定数回路モデル及び二次元の静電界モデルを用いて導体内の電流分布及びコンジット表面の電圧分布を計算するモデルを開発した。加えて、ジョイント内の素線と銅の接触部近傍の電流経路の形状を考慮したモデルを用いて、ジョイントの磁気抵抗効果を正確に評価し、この結果を、前記のモデルに反映した。これらの解析の結果、磁気抵抗の影響によって、分流開始温度が数百mK低く評価されていることがわかった。この影響は、ジョイント部に薄い高抵抗層を入れることで緩和できることもわかった。

論文

Interlaminar shear properties of composite insulation systems for fusion magnets at cryogenic temperatures

進藤 裕英*; 竹田 智*; 成田 史生*; 三浦 正哉*; 渡邉 慎也*; 小泉 徳潔; 出崎 亮; 奥野 清

Cryogenics, 50(1), p.36 - 42, 2010/01

 被引用回数:10 パーセンタイル:54.99(Thermodynamics)

ITER-TFコイル用の複合材電気絶縁システムの層間せん断強度を常温,77K,4Kにて評価した。試験サンプルは、耐放射線性の観点から含浸樹脂の候補と期待されている3種類の樹脂(2種類のエポキシ(EP)樹脂と、EP樹脂とシアネート・エステル(CE)樹脂の混合樹脂)を用いたものである。試験サンプルには、30MGyまでの$$gamma$$線照射も行い、層間せん断強度の耐放射線性も評価した。試験の結果、EPとCEの混合樹脂が耐放射線性に優れていることがわかり、ITER-TFコイルの照射線量(約10MGy)では、本樹脂を採用することが望ましいことがわかった。

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:51 パーセンタイル:11.43(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

Optimization of JK2LB chemical composition for ITER central solenoid conduit material

濱田 一弥; 中嶋 秀夫; 河野 勝己; 高野 克敏; 堤 史明; 奥野 清; 鈴木 富男; 藤綱 宣之*

Cryogenics, 47(3), p.174 - 182, 2007/03

 被引用回数:27 パーセンタイル:27.53(Thermodynamics)

原子力機構が神戸製鋼所と共同で開発した低温構造材料JK2($$^{22}$$Mn-$$^{13}$$Cr-$$^{9}$$Ni-$$^{1}$$Mo-$$^{0.24}$$N)鋼は、強度及び熱収縮の点で、国際熱核融合実験炉(ITER)の中心ソレノイド(CS)導体用コンジット材候補として期待されている。しかしながらJK2は超伝導生成熱処理(時効処理)を前提としない構造材料として開発され、高炭素,高窒素化による高強度化が図られている。そのため、時効処理を施した場合、靱性が劣化すること,熱間圧延や鍛造工程において割れが生じるなどの製造性に課題があった。筆者らは、これらの問題を解決する一つのアイディアとして、ホウ素を添加すること及び炭素含有量を低下させることによる特性の改善を進めてきた。その結果、低炭素・ホウ素添加JK2(JK2LB)を開発した。今回、ITERの機械的特性仕様を満たす化学成分の範囲を特定するために、化学成分を変化させたJK2LBサンプルを製作し、4Kでの機械特性を調査した。その結果、JK2LBの最適化学成分として、ホウ素:10-40ppm,炭素:0.03%以下,窒素:0.17-0.23%を見いだした。また、実機応用への足がかりとして、JK2LBが疲労亀裂進展特性の面からもCSへの適用が可能であることを示した。

論文

Design optimization of a HTS current lead with large current capacity for fusion application

礒野 高明; 濱田 一弥; 奥野 清

Cryogenics, 46(9), p.683 - 687, 2006/09

 被引用回数:5 パーセンタイル:75.1(Thermodynamics)

電流リードに高温超伝導(HTS)を適用することで、冷凍機の消費電力を軽減することが期待されている。筆者らは、核融合用に60kAのHTS電流リードを開発し、その特性及び消費電力が軽減できることを確認した。そのHTSの動作温度は40Kであったが、近年のHTSの性能向上とコスト低下により、より高い温度での動作が可能となってきた。本論文では、60kA HTS電流リードの開発成果をもとにして、最適な動作温度を求めるための設計検討を行った。HTSは銀合金シース型Bi-2223テープ線材を使用し、磁場による特性劣化を軽減するために円筒状に配置している。HTS動作温度の最適値は運転期間に依存するが、5年の運転期間として75Kが最適であり、このとき従来と比較して1/5まで消費電力を軽減する可能性があることを明らかにした。

論文

Quench analysis of an ITER 13T-40kA Nb$$_{3}$$Sn coil (CS insert)

稲口 隆*; 長谷川 満*; 小泉 徳潔; 礒野 高明; 濱田 一弥; 杉本 誠; 高橋 良和

Cryogenics, 44(2), p.121 - 130, 2004/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:70.42(Thermodynamics)

導体断面中心に副流路を持つケーブル・イン・コンジット導体のクエンチ解析を行うために、軸対称2次元解析モデルを開発した。CSインサートの圧損,クエンチ時の電圧,温度,常電導伝播の実験結果と本解析を比較し、良い一致を見ることを示した。よって、モデルの妥当性を示すことができた。また、解析の結果から、定常状態でも、副流路と主流路の間で対流が発生することが示され、これにより、導体軸方向の圧損が増加することが判明した。さらに、温度が高い冷媒が副流路を流れる場合は、これによって主流路の冷媒とケーブルが加熱されることも明らかになり、副流路の流れが常電導伝播の速度を加速させることがわかった。

論文

Acoustic emission and disturbances in central solenoid model coil for international thermonuclear experimental reactor

新井 和邦*; 二ノ宮 晃*; 石郷岡 猛*; 高野 克敏*; 中嶋 秀夫; Michael, P.*; Vieira, R.*; Martovetsky, N.*; Sborchia, C.*; Alekseev, A.*; et al.

Cryogenics, 44(1), p.15 - 27, 2004/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:83.41(Thermodynamics)

ITER計画のもとで中心ソレノイド・モデル・コイルの試験を行い、コイルで発生するAE信号を直流運転時に測定した。その結果、コイルで発生するAE信号は、超伝導導体で発生する交流損失と関係があることが明らかになった。このことは、コイルの繰り返し通電時の撚線の動き及び素線間接触の剥がれにより交流損失が発生し、それらの動きをAE信号として測定したことを示している。また、AE信号はコイルのバランス電圧で見られる電圧スパイクとも関係があり、機械的攪乱が存在していることが明らかとなった。このことから、CSモデル・コイルにおいては、機械的攪乱の発生場所はAE信号及び電圧スパイクの情報を用いることで求めることが可能である。

論文

Effect of electromagnetic force on the pressure drop and coupling loss of cable-in-conduit conductor

濱田 一弥; 高橋 良和; 松井 邦浩; 加藤 崇; 奥野 清

Cryogenics, 44(1), p.45 - 52, 2004/01

 被引用回数:19 パーセンタイル:39.15(Thermodynamics)

日本原子力研究所は、国際熱核融合実験炉(ITER)の工学設計活動の一環として、中心ソレノイド・モデル・コイルとCSインサート・コイル(CSIC)の通電試験を行った。その結果CSICの圧力損失が通電時に減少することや結合損失が電流値とともに大きくなることを観測した。これらは、電磁力によりジャケット内部で撚線が圧縮変形し、新たに流路ができたこと、また、圧縮により素線間の接触抵抗が低減し、結合時定数が増加したことが原因と考えられる。本論文では、これらの現象を定量的に説明することを試みた。その結果、電磁力によって撚線は最大1.4mm変形することが予想される。この結果から、電磁力による結合時定数の変化を考慮して結合損失を計算すると、通電電流値と共に結合損失は増加する計算結果を得ることができ、実験結果を定量的に説明することができた。

論文

Critical current test results of 13T-46kA Nb$$_{3}$$Al cable-in-conduit conductor

小泉 徳潔; 高橋 良和; 布谷 嘉彦; 松井 邦浩; 安藤 俊就; 辻 博史; 奥野 清; 東 克典*; Fuchs, A.*; Bruzzone, P.*; et al.

Cryogenics, 42(11), p.675 - 690, 2002/11

 被引用回数:22 パーセンタイル:34.4

ITER-EDAの一環として、Nb$$_{3}$$All導体とReact-and-wind法のITER-TFコイルへの適用性を実証するために、13T-46kA級ステンレス鋼製ジャケットNb$$_{3}$$Al導体を開発した。本導体が曲げ歪を加えた場合も含めて、臨界電流値性能を達成できることを確認するために、臨界電流値試験を実施した。試験は、磁場7,9,10,11T,温度6-9Kの範囲で行った。また、予想臨界電流値を評価するために開発した解析モデルによる計算の結果、実験結果は計算結果とよく一致することがわかった。したがって、本導体の製造過程が妥当であり、かつ、React-and-wind法の適用が可能であることを実証できた。

論文

Analytical studies on the hotspot temperature of cable-in-conduit conductors

吉田 清; 瀧上 浩幸*; 久保 博篤*

Cryogenics, 41(8), p.583 - 594, 2001/08

 被引用回数:8 パーセンタイル:60.51(Thermodynamics)

本報は、強制冷却型超伝導導体のホットスポット温度について数値解析を用いた検討結果を報告する。ITERマグネットは、TFコイル及びCSコイル,PFコイル用の3種類の超伝導導体を用いる。それらの導体に含まれる安定化銅の量は、断熱条件で求めたホットスポット温度によって求められている。その条件を満たすために、ITERでは超伝導素線以外に大量の銅素線が必要になってしまっている。しかし、導体の温度や応力は最新の解析ツールを用いて求めることができる。その数値解析で求めたホットスポット温度は、断熱条件で求めた値よりかなり低い温度であった。さらに、ホットスポット温度を決める要素であるクエンチ検出までの遅れ時間も、この数値解析で求めることができた。その結果、撚線内の銅素線の量を減らすことができ、現在のITERマグネットを小型化できる可能性を示した。

論文

An Evaluation of the inlet flow reduction for a cable conduit conductor by rapid heating

杉本 誠; 礒野 高明; 小泉 徳潔; 西島 元; 松井 邦浩; 布谷 嘉彦; 高橋 良和; 辻 博史

Cryogenics, 39(11), p.939 - 945, 1999/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:86.04(Thermodynamics)

これまで強制冷凍導体(ケーブル・イン・コンジット導体)の交流損失に伴う発熱により引起こされる流量低下現象の研究を行ってきた。本論文では、より急速に加熱が行われる場合に引起こされる流量低下現象を取り扱う。急速加熱の場合の流量低下現象は、「流体法」と呼ばれるクエンチ検出技術に応用され、実用化されている。しかし、これまでこれらの定量的研究は全くなされていなかった。本論文では、急速加熱による流量低下現象の定量的研究のため、まずサンプルにより実験的に流量低下を測定した。次にこれらの評価を行うため「実効加熱時間」を定義・導入し、その評価法を考案した。

論文

A dilution refrigerator using the pulse tube and GM hybrid cryocooler for neutron scattering

小池 良浩; 森井 幸生; 五十嵐 武*; 久保田 実*; 鰭崎 有*; 谷田 広士*

Cryogenics, 39(7), p.579 - 583, 1999/00

 被引用回数:18 パーセンタイル:35.61(Thermodynamics)

超低温での実験には通常希釈冷凍機が用いられるが、これを作動させるのにはかなりの経験が必要であり、作動させる低温雰囲気を作るのに大量の液体ヘリウム寒剤を必要とするため、中性子散乱実験に対しては、導入はあまり進んでいなかった。そこで誰もが簡単に行えるようにするため、パルス管・GMハイブリッド型冷凍機とジュールトムソン型希釈冷凍機を組み合わせた、液体ヘリウム寒剤を使用とせず、取り扱いも比較的簡単な超低温用冷凍機''mK Cryocooler''の開発を行った。その結果、試作機が完成し中性子ビーム中で約40mKの温度が得られた。この成功により、実験操作の簡便化、コスト低減化、中性子ビーム利用効率化を達成する見込みをつけた。冷却テストでは、室温から4.2Kまで希釈冷凍機部分を予冷するために約一日、その後、希釈冷凍機運転により、約50mKに8時間程度で到達した。この冷却テスト時のcooling powerは100mKで約42$$mu$$Wであった。

論文

Quasi-two-dimensional numerical model for stability simulation of a cable-in-conduit conductor

小泉 徳潔; 東 克典*; K.Macfall*; 松井 邦浩; 高橋 良和; 辻 博史

Cryogenics, 39(6), p.495 - 507, 1999/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:75.24

原研が開発した一次元安定性解析コードPOCHIの熱伝達モデルを改良した。新モデルでは、温度境界層内の冷媒温度を数値的に解くことによって、素線冷媒間の熱伝達を評価することとした。これにより、安定性解析の精度を向上することができた。

論文

Flow reduction by AC losses for a forced flow superconducting coil with a cable-in-conduit conductor

杉本 誠; 加藤 崇; 礒野 高明; 吉田 清; 辻 博史

Cryogenics, 39(4), p.323 - 330, 1999/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:75.24(Thermodynamics)

ケーブル・イン・コンジット導体を用いた強制冷凍型超電導コイルの交流損失による流量低下現象について定量的解析手法を示した。この手法による流量低下評価は大型超電導コイルを用いた実験結果と良く一致した。また本手法を用いた評価により、ITER実機の超電導コイルや商用の超電導電力貯蔵用コイルのパルス運転に対する安定な動作条件について、大型・大容量の低温ポンプが必要不可欠であることを示した。

論文

Development of Nb$$_{3}$$Al superconductors for International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)

山田 雄一*; 綾井 直樹*; 三雲 明浩*; 伊藤 睦*; 林 一彦*; 高橋 謙一*; 佐藤 謙一*; 小泉 徳潔; 安東 俊郎; 松井 邦浩; et al.

Cryogenics, 39(2), p.115 - 122, 1999/00

 被引用回数:34 パーセンタイル:16.86(Thermodynamics)

ITER-EDAの一環で、Nb$$_{3}$$Al素線の大量生産用技術を開発した。製作した素線の臨界電流値は12Tの磁場にて600A/mm$$^{2}$$以上、$$pm$$3Tの磁場変動に対するヒステリシス損失は、600mJ/cc以下となった。また、Nb$$_{3}$$Alフィラメントの配置を最適化することによって安定化銅の比抵抗を1.5$$times$$10$$^{-10}$$$$Omega$$m以下とすることができた。1500m以上の単長歩留は70%を達成することに成功しており、これは世界的にもNb$$_{3}$$Al素線の大量生産のはじめての成功である。

論文

An evaluation of the inlet flow reduction for a cable-in-conduit conductor in pulsed operation

杉本 誠; 礒野 高明; 辻 博史; 吉田 清; 高野 一朗*; 浜島 高太朗*; 佐藤 隆*; 篠田 公之*

Cryogenics, 38(10), p.989 - 994, 1998/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:74.78(Thermodynamics)

ケーブル・イン・コンジット導体は、その高い熱・機械・電気特性から核融合炉用コイルのような大型機器に応用されている。またその高い熱特性から、核融合用あるいは磁気エネルギ貯蔵コイルでのパルス運転用としても利点を有している。通常ケーブル・イン・コンジット導体は強制冷凍にて冷却されるため、多数の冷却流路を持つ。パルス運転による交流損失による発熱は、その大きな冷却ペリメータにより速やかに除去される。一方、導体内部の発熱は、導体入口流量の低下を招く。従ってパルス運転による交流損失による発熱により、入口流量の低下を招き、これがパルス運転への制約となる。この入口流量低下と内部発熱量の関係を定量的に論じる。併せて、パルス運転時の入口流量低下に関する設計基準を提案する。

論文

Stability and heat removal characteristics of a cable-in-conduit superconductor for short length and short period perturbation

小泉 徳潔; 高橋 良和; 奥野 清; 礒野 高明; 辻 博史; 西 正孝

Cryogenics, 37(9), p.487 - 495, 1997/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:82.69(Thermodynamics)

長さ6.3mのNbTiケーブル・イン・コンジット導体を用いて短長加熱に対する安定性、制限電流の挙動を調査した。あわせて、数値解析を行い、より詳細な解析を行った。これらの結果から、短長加熱では、素線内の熱伝導が安定性、制限電流に影響を及ぼすことが示された。また、誘起流れによって、高冷却領域が発生し、本領域から導体が冷却されることがわかった。

論文

Ramp-rate limitation due to current imbalance in a large cable-in-conduit conductor consisting of chrome-plated strands

小泉 徳潔; 高橋 良和; 西 正孝; 礒野 高明; 辻 博史; 小野 通隆*; 浜嶋 孝*; 藤岡 勉*

Cryogenics, 37(8), p.441 - 452, 1997/00

 被引用回数:28 パーセンタイル:21.13(Thermodynamics)

クロムメッキ素線からなる導体内の電流分布を解析した。ジョイントおよび素線の電気的接触を介して循環電流が発生することがわかった。これらの循環電流は、励磁速度が速くなると大きくなる。一方、励磁中に常電導転移した素線にも、引き続き循環電流が流れることが示された。これらの結果は、Ramp-rate limitationをよく説明するものである。また、実験結果から、電流分布の不均一がある場合は、安定性が劣化することが分かった。ただし、電流分布不均一よりクエンチに至るためには、導体内の冷媒流に層流域が発生する必要がある。このような層流域はパルス励磁時のACロスによって発生する。

論文

Current imbalance due to induced circulation currents in a large cable-in-conduit superconductor

小泉 徳潔; 奥野 清; 高橋 良和; 辻 博史; 島本 進

Cryogenics, 36, p.409 - 418, 1996/00

 被引用回数:18 パーセンタイル:31.3(Thermodynamics)

原研が次期核融合炉用超電導コイル用に開発したDPC-Uコイルでは、素線間を絶縁したために導体内の偏流による不安定性が発生した。本論文では、本不安定性の発生原因を解析的に明らかにした。また、DPC-Uコイルに発生した偏流の度合、偏流の時定数の定量的評価も行った。

論文

Numerical model using implicit finite difference algorithm for stability simulation of a cable-in-conduit superconductor

小泉 徳潔; 高橋 良和; 辻 博史

Cryogenics, 36(9), p.649 - 659, 1996/00

 被引用回数:25 パーセンタイル:22.65

核融合炉用超電導コイルには、その絶縁性能、機械的構造等の優秀さから、ケーブル・イン・コンジット型超電導導体が用いられる。本導体は、上述のような優れた点を持つ一方、その安定性に不明な点がある。本不明点の解明のため多くの解析コードが開発されている。著者らも本コードを新たに開発した。本コードでは、CPU時間を短くするために陰解法を用いて方程式の差分化を行った。また、安定性解析で重要となる導体-冷媒間の熱伝達率を従来の方法に較べ、より高精度に計算した。その結果、従来の方法に較べ、実験結果を高精度に説明することができた。

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