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

https://doi.org/10.1109/TASC.2006.873316

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。

JFT-2Mにおける3次元磁場計測装置の開発

山本 正弘*; 都筑 和泰; 木村 晴行; 佐藤 正泰; 柴田 孝俊; 岡野 文範; 鈴木 貞明

JAERI-Tech 2005-060, 16 Pages, 2005/09

JAERI-Tech-2005-060.pdf:2.83MB

低放射化フェライト鋼は、核融合原型炉の構造材候補の一つである。しかしながら、フェライト鋼は強磁性材料であり、プラズマの閉じ込めや安定性が誤差磁場によって損なわれる恐れがある。そこで、プラズマとフェライト鋼との適合性について調査するためにトカマク型核融合装置JFT-2Mにおいて先進材料プラズマ試験(AMTEX)が実施された。AMTEXは、低放射化フェライト鋼板を段階ごとに設置して実施した。第3段階において、フェライト鋼板がブランケット壁を模擬して、真空容器の内壁のほとんど全部を覆うように設置された。この試験において、フェライト鋼板の設置の前・後における磁場強度分布の正確な測定が要求された。それゆえ、トロイダ方向の3次元の磁場分布を測定する装置を開発した。

Design and stress analysis of support structure of toroidal field coil for the JT-60SC

土屋 勝彦; 木津 要; 三浦 友史; 安藤 俊就*; 逆井 章; 松川 誠; 玉井 広史; 石田 真一

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 14(2), p.1427 - 1430, 2004/06

https://doi.org/10.1109/TASC.2004.830634

JT-60改修装置におけるトロイダル磁場(TF)コイルを支持する構造物の一つであるシアパネルは、転倒力に対するコイルの変位を抑えるためコイル間に配され、計測/加熱用ポートなどの周辺機器へのアクセス空間を確保するため、これらの周辺機器の取り付け後に、設置する構造になっている。そのため、シアパネルとコイル本体を結ぶボルトのモデル化にも充分注意しなければ、有限要素法(FEM)を用いた応力解析による精確な評価を得られない。本論文にて報告するFEMモデルでは、実機と同じ位置に、実際と同じスケール,材質のボルトを要素として与え、典型的な放電シナリオにおいて転倒力が最も大きくなる条件での最大変位,トレスカ応力を評価した。その結果、最大変位は8.8mm、最大トレスカ応力も、接線ポートに隣接するシアパネルを締結するボルトの一つにピークが現れることが明らかになった。これにより、実機に近いモデルに基づく評価の下で、設計目標値である「最大変位10mm以下,最大応力667MPa以下」を満たすことが明らかになった。発表では、さまざまな電磁荷重条件における評価を行い、TFコイルとセンターソレノイドの一体化支持による応力緩和の効果などについて議論する。

Design of toroidal field coil for the JT-60 superconducting tokamak

土屋 勝彦; 木津 要; 三浦 友史; 安藤 俊就*; 礒野 高明; 松井 邦浩; 小泉 徳潔; 松川 誠; 逆井 章; 石田 真一

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 13(2), p.1480 - 1483, 2003/06

https://doi.org/10.1109/TASC.2003.812748

JT-60では、臨界条件クラスの高性能プラズマの長時間維持を目的として、コイルの超伝導化を伴う改修を検討している。本講演では、本改修装置の主な構造物であるトロイダル磁場コイルの設計の背景、並びに設計活動と導体の開発の現状について報告する。トロイダル磁場コイルの超伝導材料としては、先端材料であるニオブアルミを主案としている。このニオブアルミは、歪みに対して性能が劣化しにくい特徴を持つので、熱処理後にコイル化(R&W;リアクトアンドワインド法)ができる。これは大きな熱処理炉を必要としないので、大型コイルの製作には有効な製法である。また、電流密度も大きく設定できるので、コンパクトなコイルの製作が可能である。現在、実寸断面導体を用いたD型サンプルを製作し、このR&W法を実証する試験を行う準備をすすめている。トロイダル磁場コイルの構造については、有限要素プログラムを用いた強度評価を行った。この解析結果より、応力については、コイルケース,コンジット,絶縁体ともに、成立することが確認された。また、転倒力によるコイルの変位については、最大で10mm程度になる評価となった。今後さらに変位を少なくすべく、コイルケースの強化と実際の製作手段を考慮したモデルによる解析を進める。

Development of high Cu ratio NbAl and NbSn CICCs for superconducting toroidal field coils of JT-60

木津 要; 三浦 友史; 土屋 勝彦; 松井 邦浩; 礒野 高明; 逆井 章; 松川 誠; 石田 真一; 安藤 俊就

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 12(1), p.575 - 578, 2002/03

https://doi.org/10.1109/TASC.2002.1018469

高臨界電流密度,高銅比超伝導素線を用いて超伝導改修後のJT-60トロイダル磁場コイル用NbAl及びNbSn導体を開発した。開発した導体は216本の超伝導素線と108本の銅線で構成されている。ケーブルは直径17mmで、33334の撚り構成となっている。このケーブルにステンレスラップを施した後、ステンレス製のコンジットに引き込み導体とした。超伝導素線(直径0.74mm)の臨界電流密度は7.4T,4.2KにおいてNbAl(銅比4.0)は1964A/mm,NbSn(銅比3.6)は1843A/mmである。開発した実サイズ導体の臨界電流の測定を行ったところ、8~11Tの外部磁場下において測定値は目標値を上まわり、JT-60のトロイダル磁場コイル用導体として利用できることが明らかとなった。

Tritium distribution on plasma facing graphite tiles of JT-60U

田辺 哲朗*; 杉山 一慶*; 正木 圭; 後藤 純孝*; 飛田 健次; 宮 直之

IAEA-CN-94/EX/P2-11 (CD-ROM), 6 Pages, 2002/00

本研究ではトカマク型臨界プラズマ試験装置JT-60Uのプラズマ対向壁についてトリチウムの表面分布をイメージングプレートで測定した結果について評価した。ポロイダル方向では、直接プラズマが当たらないドームトップタイルや外側バッフル板にトリチウム濃度の高い部分が見いだされた。トリチウム分布は一様分布である一方、トロイダル方向にはトロイダル磁場コイル配置の影響を受けていることが明らかとなった。この分布は、高速トリトンの軌道計算コードOFMCで評価した結果、トロイダル磁場コイルのリップルによる粒子損失で説明可能なことを確認した。高熱となるダイバータ部分では一旦蓄積したトリチウムは、最終的にはプラズマからの熱負荷により脱離する。

Fast ion loss measurement by infrared television in reduced ripple experiment with ferritic inserts on JFT-2M, Abstract

川島 寿人; 都筑 和泰; 谷 孝志; 佐藤 正泰; 木村 晴行; JFT-2Mグループ

Review of Scientific Instruments, 72(1), P. 919, 2001/01

高速イオン損失の原因となるトロイダル磁場リップルを低減するため、JFT-2Mにフェライト鋼板(FB)を設置した。FBの効果を評価するため、高空間時間分解能を持つ2次元赤外線カメラ(IRTV)システムを開発した。IRTV本体は、時間分解能1/60秒、測定可能温度範囲0-500を有す。検出部分には、3~5mの赤外線に感度を持つPtSi素子が256256個並べられている。第一壁を見込むための光学系構成を簡素化(レンズ、反射鏡、サファイア真空窓各1枚)し、カメラ位置から壁までの距離を3.5mまで短くして高空間分解能約3mmを得た。これを用いて、NBI加熱中、リップル捕捉損失イオンによる局所的温度上昇を観測することができ、FB装着前には、最高上昇温度Tが約75まで達した。FB装着後、Tは明らかに減少し、最適条件では温度上昇がほぼ零になってFBの高速イオン損失低減効果を明らかにできた。

Compact toroid injection experiment in JFT-2M

小川 俊英; 福本 直之*; 永田 正義*; 小川 宏明; 前野 勝樹; 長谷川 浩一; 柴田 孝俊; 宇山 忠男*; 宮沢 順一*; 河西 敏; et al.

Nuclear Fusion, 39(11Y), p.1911 - 1915, 1999/11

https://doi.org/10.1088/0029-5515/39/11Y/334

姫路工大で開発したコンパクトトロイド(CT)入射装置を用いて同大学と共同で行っているJFT-2MプラズマへのCT入射実験について報告する。プラズマ中へ入射したCTは磁場の圧力を受けて進入するため、CTの運動エネルギーと磁場強度で進入距離が決まる。トロイダル磁場を0.8Tまで下げるとCT入射に伴い、多チャンネル軟X線計測器の中心コードに信号が増加する放電が得られた。このとき電子密度は急上昇し、マイクロ波干渉計の中心コードで1.710m/sの線平均電子密度の上昇率が得られている。軟X線計測器の信号が増加する最も内側のチャンネルからCTの進入を評価すると、CTの加速電圧やトロイダル磁場強度を変えた放電から、電子密度の上昇率は進入距離に依存することがわかった。Hモード中へのCT入射を試み、トロイダル磁場0.8Tで1.910m/sの電子密度上昇率が得られた。

JT-60トロイダル磁場コイルの短絡事象検出システムの開発

宮田 克行*; 柳生 純一; 三代 康彦; 宮田 寛*; 新井 貴; 宮地 謙吾; 細金 延幸

KEK Proceedings 99-17 (CD-ROM), 4 Pages, 1999/00

JT-60のトロイダル磁場コイル(TFC)は、運転開始以来14年を経過するため、絶縁材の摩耗等による劣化から短絡事象の発生が懸念されている。TFCの短絡は、それ自体のみならず周辺の機器の破損を招く等の可能性があるが、短絡の初期段階において検出できれば、軽微な損傷の範囲内にとどめることができると考えられる。そこでコイル電流の計測(ロゴスキーコイル)と磁束密度の変化の把握(磁気プローブ)を併用したシステムを開発し、万一の短絡事象を監視する。

世界最大容量5万kW直流発電機

中西 悠二*; 谷 孝志

電気学会誌, 118(2), p.108 - 111, 1998/00

https://doi.org/10.1541/ieejjournal.118.108

JFT-2M(高性能トカマク開発試験装置)のトロイダル磁場コイル電源の更新にて大容量の直流発電機を開発、平成7年5月に納入現在稼動中である。1996年度、直流発電機出力51300kWがギネスブックに認定された。(1)直流機を採用した理由、(2)構造、概要、(3)特性と性能、及び、(4)製作に当たっての技術的課題、などについて解説記事を発表する。