Evaluation of eddy currents dependent on excitation pattern in design of pulse electromagnets

高柳 智弘; 杉田 萌; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 小野 礼人; 山本 風海; 金正 倫計

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 32(6), p.4101405_1 - 4101405_5, 2022/09

https://doi.org/10.1109/TASC.2022.3160152

パルス電磁石を高精度に設計するためには、励磁するパルスパターン形状に依存して発生する渦電流の効果を正確に確認する必要がある。渦電流の効果の違いによってコイルに流れる電流分布は変わるため、その結果、磁場分布の変動やコイルの発熱にも影響を与える。J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)用の新型バンプマグネットを用いて評価試験を実施した。台形型のパルスパターンを用いて励磁し、磁場が変化するパターンの立ち上がり部と磁場の時間変化が無いフラットトップ部で磁場分布が異なることを磁場測定で確認し、励磁パターンと磁場分布の時間変化の関係性を明らかにした。これらの結果を使用することで、磁場分布の影響を受ける入射ビームの軌道制御に対しても高精度なコントロールが可能となり、また、励磁パターンのパルスの時間幅、発熱対策、且つ、コイル形状の最適化も可能になった。ここでは、実施した試験の結果、評価・検証の結果を紹介する。

The Basic methods for understanding of plasma equilibrium toward advanced control

栗原 研一; 川俣 陽一; 末岡 通治; 細山 博己*; 米川 出; 鈴木 隆博; 及川 聡洋; 井手 俊介; JT-60チーム

Fusion Engineering and Design, 74(1-4), p.527 - 536, 2005/11

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2005.06.103

トカマク型核融合研究は、実験炉ITERを国際協力で製作する段階へと一歩踏み出そうとしている中で、JT-60を含む既存のトカマク装置は、さらなる先進的運転シナリオを求めて実験探究することが期待されている。そのようなシナリオをJT-60のプラズマ実験で検証するために、プラズマ平衡状態を把握する基本的な方法群を、ITERへの応用も視野にいれつつ開発して来ている。一部は既に完成しているが、以下の課題も残っている。すなわち、(1)実時間かつ高精度でプラズマ断面全体像を再構築する機能(プラズマ全電流や磁気軸なども含む)。(2)構造物に流れる渦電流も考慮する機能。(3)断面内のプラズマ電流分布も実時間で制度よく再構築する機能。(4)DT燃焼時には、プラズマ近傍には耐放射線性に優れたピックアップコイルセンサーを設置し信号積分して磁場に変換する。同時に遠方には耐放射線性に劣る絶対磁場計測センサーを配置し、遠方定常センサーで近傍センサー用積分器を時折補正することになるが、その補正演算機能。以上4項目である。シンポジウムでは、これらの方法をJT-60における実験結果やITER体系での計算とともに示す。また、それらの議論に基づき、ITERや核融合発電実証プラントにおけるプラズマ平衡制御の未来像についての予想を試みる。

Design analysis on the magnetic field control system in compact ITER

仙田 郁夫; 荘司 昭朗; 荒木 政則; ITER国内設計チーム; ITER Joint Central Team

International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 13(1-4), p.349 - 357, 2001/00

https://doi.org/10.3233/JAE-2002-345

ITER(国際熱核融合実験炉)の工学設計活動において検討された、ITERの磁場配位制御系のシステム設計について報告する。システムとして最適化を行うためには、個々の部分でのモデル化及び検討では不十分であり、さまざまな部分からなるシステム全体を考慮した解析を行う必要がある。ITER工学設計においては、炉心プラズマ,真空容器などの機器に誘起される渦電流、及びコイルから構成されるプラントモデルに、計測・データ処理,制御器,アクチュエーターのモデルを加えた総合的な解析モデルを作成し、システムの特性を検討し、最適化を進めている。講演では、電磁応用機器としての特性を、解析結果を示して、紹介する。

-collape-induced VDE and its underlying mechanism in the TVC tokamak

中村 幸治; J.B.Lister*; F.Hofmann*; Y.R.Martin*; J.-M.Moret*; P.Vyas*

Europhysics Conference Abstracts (CD-ROM), 23J, p.417 - 420, 1999/00

い崩壊(プラズマ圧力の急激な低下)によって引き起こされるプラズマの垂直移動現象(VDE)について、高非円形TCVトカマクにおける発生機構を計算機シミュレーションの実験によって調べた。TCVでは、崩壊の規模及びプラズマ断面形状の非円形度に従って、VDEが発生する場合と発生しない場合があり、これがプラズマ運動を模擬できるシミュレーションの結果と一致することを示した。また、崩壊型のVDEを伴う典型的なディステプション放電について、シミュレーションを行い、崩壊の際に生じるプラズマの内向き変位の結果、渦電流が真空容器に発生し、この渦電流が非円形プラズマの宿命である垂直位置不安定性をさらに悪化させていることを明らかにした。本会議では、上記TCVトカマクのVDE発生機構とこれを一般化した物理モデルについて報告する。

Optimization of plasma initiation in the ITER tokamak

仙田 郁夫*; 荘司 昭朗; 常松 俊秀; 西野 徹*; 藤枝 浩文*

Fusion Engineering and Design, 42, p.395 - 399, 1998/00

https://doi.org/10.1016/S0920-3796(98)00165-3

国際核融合実験炉(ITER)の炉内構造物に誘起される渦電流の評価を行い、プラズマ制御への影響を検討した。特に、初期励磁からプラズマ電流初期立ち上げまでのポロイダル磁場コイル制御の最適化を渦電流を考慮して行った。ITERの炉内構造物は複雑な構造を有しており、そこに誘起される渦電流の複雑な経路を模擬するために、有限要素法を用いた詳細な炉内機器のモデル化を行った。プラズマ放電開始においては、ポロイダル磁場コイルにより、大きな誘導電場をトカマクにかけ、絶縁破壊を起こしプラズマ電流を発生させる。その後、プラズマ電流成長に適した磁場配位を作ることにより、プラズマ電流を増加させる。ITERでは、このプラズマ放電初期に大きな渦電流が誘起されることが予測される。本発表では、誘起される渦電流を考慮して、コイル制御を最適化することにより有効なプラズマ立ち上げを得ることを報告する。

蒸気発生器伝熱管用渦電流探傷試験装置の開発 -オフラインデータ解析処理条件の設定及び検証-

永井 桂一; 荒 邦章; 軍司 稔

PNC TN9410 97-087, 142 Pages, 1997/07

PNC-TN9410-97-087.pdf:5.29MB

高速原型炉「もんじゅ」の蒸気発生器(SG)伝熱管の渦電流探傷(ECT)による供用期間中検査(ISI)では、検査データの評価作業の迅速化や効率化及び容易化を図るために、計算機を用いたオフラインデータ解析処理を計画している。このオフラインデータ解析処理は、検査信号の位相と振幅をもとに設定したベクトルウィンドウと呼ばれる信号パターンに比較させ、一定の条件に当てはめることによって検査信号の分類や欠陥信号の識別を行うものであり、検査信号を精度良く分類することが要求される。このため、解析ソフトの倫理演算条件をパラメーターとした解析を行い、分類精度が最も良好となる条件を設定した。また、実機の探傷データを用いた解析も行い、設定した条件の有効性の検証や実機探傷データの整備構築を図った。主な成果は以下の通りである。(1)オフライン解析処理条件の設定支持板部についてはほぼ全数の支持板信号の自動分類が可能な条件を設定することができ、溶接部とベンド部については、自動分類可能な信号の数が最も多くなる倫理演算条件を設定することができた。(2)解析処理条件の検証「もんじゅ」の供用前検査(PSI)データ用に設定した解析条件は、信号発生要因の総数に対し約8085%の要因数をオフライン解析処理によって自動分類可能であり、手動解析機能との併用によって全ての信号発生要因を分類することが可能であった。また、設定した解析条件は、実機のISIデータの解析評価に充分適用できる見通しを得た。(3)データベースの整備「もんじゅ」SG伝熱管のPSIデータを対象に、設定した条件を用いて解析処理を行った結果、ISI時の信号評価を行う上で基本となる信号発生要因とその発生位置及び信号波形等の基礎データを整備構築することができた。

Approximation of eddy currents in three dimensional structures by toroidally symmetric models,and plasma control issues

仙田 郁夫*; 荘司 昭朗; 常松 俊秀; 西野 徹*; 藤枝 浩文*

Nuclear Fusion, 37(8), p.1129 - 1145, 1997/00

https://doi.org/10.1088/0029-5515/37/8/I08

トカマク炉内構造物に誘起される渦電流とそのプラズマ制御への影響を検討した。トカマク炉の例として、国際熱核融合実験炉(ITER)の設計を用い、そのブランケットのモジュール構造を詳細にモデル化し解析を行った。また、トロイダル対称性を持つ2次元的な炉内構造物のモデルで3次元的な詳細モデルと同様な効果を得るための方法を提案した。炉内構造物の渦電流と深く係わるプラズマ制御の問題として、炉内構造物プラズマ安定化効果、プラズマ位置形状の時間発展、磁気計測器の信号、プラズマ点火時の誤差磁場について検討を行った。その結果、プラズマの位置・形状の時間発展などについては、本論文で提案する方法で得た2次元的なモデルで3次元的モデルと良く一致する結果を得た。計測器信号や誤差磁場については、3次元的な渦電流経路の効果が重要であることがわかった。

非破壊検査で迫る傷と劣化

荒 克之

MSJ-94-1, 0, p.1 - 8, 1996/03

渦電流探傷の分野において、傷の有無だけでなく、傷の形状、大きさなどの同定可能な探傷法の開発が望まれており、いくつかの新しい探傷プローブが提案されている。筆者らも、平行四辺形平面プローブを提案し、基礎実験を進め有効なデータが得られている。材料の経年劣化の非破壊計測は未踏の技術であるが、磁気に着目した研究が有望視され磁気ヒステリシスやバルクハウゼン雑音を測定する方法が試みられている。また測定センサとしてSQUID(超電導量子干渉素子)の応用が試みられている。筆者らも原子炉圧力容器の経年劣化の非破壊計測法として「磁気問いかけ法」を提案している。材質劣化の非破壊計測の実現には、材料の機械的性質と磁気的性質の間の相関に関する基礎的研究の展開が不可欠である。この分野はチャレンジングな研究課題が多く、かつ学際的問題である。若い有能な研究者の参加が望まれる。

乱れ磁束検出型渦電流探傷プローブの提案と基礎実験

海老根 典也; 竹内 信次郎*; 荒 克之

MAG-96-73, 0, p.73 - 82, 1996/00

蒸気発生器伝熱細管の探傷検査に広く使われている細管内挿のボビンコイル型プローブは、円周方向の傷割れに対して検出感度が悪いという欠点があった。そこで、傷の方向性によらず感度がよく探傷可能なプローブの開発を目的として、探傷プローブの形状を励起コイルによる磁場分布を基に検討し、平行四辺形平面コイルを用いる方法を提案した。原理は、平面コイルを用いて励起磁界を発生させ、欠陥による磁束の乱れ成分を差動型磁束検出コイルで検出する方法である。プローブは、平行四辺形平面励磁コイルと欠陥による励磁磁界の乱れを検出する誘導コイルで構成される。それを用いて、平板の模擬非貫通欠陥に関して探傷試験を行った結果、縦、横のスリット欠陥のいずれでも検出できた。また、穴欠陥についても、直径0.5mmの穴まで検出することができた。

乱れ磁束検出型渦電流探傷法のための探傷プローブ形状の検討

海老根 典也; 竹内 信次郎*; 荒 克之

電気学会論文誌,A, 115(10), p.999 - 1006, 1995/10

ボビンコイル型渦電流探傷プローブは、円周方向の傷割れに対して検出感度が悪いという欠点があった。そのため、傷によって乱される磁束の乱れ成分のみを効果的に検出する乱れ磁束検出型渦電流探傷法に基づき、励磁コイルの磁界分布を踏まえた探傷プローブの構成を検討した。そして傷の方向性によらず探傷可能なプローブとして磁束検出用差動コイル群と励磁用平行四辺形平面コイルから構成される平行四辺形探傷プローブと提案し試作したプローブを用いて探傷実験を行った。その結果、スリット傷の長手方向がプローブの走査方向に対して縦、横のいずれの場合にも検出が可能であること、また直径0.5mmの貫通穴に対しても有効な探傷能力を有することが確認できた。このことから、本プローブの探傷能力は傷の方向に左右されず、かつ小さい穴傷から大きなスリット傷に至るまで有効であることが分かった。