核融合用超伝導マグネットの電磁構造力学とクライオメカニックス

核聚变超导磁体的电磁结构力学和低温力学

• 批准号: 01050004
• 负责人: 高橋 秀明
• 金额: $ 9.28万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Fusion Research
• 财政年份: 1989
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1989 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-01050004/
• 关键词: 核融合; 超伝導マグネット; 電磁構造力学; クライオメカニックス; クエンチ; 巻線剛性; 三次元磁界; ヘリカルコイル

本研究は核融合用超伝導マグネットの構造設計および機能安定性評価に関する電磁構造力学並びにクライオメカニックスに基づく基礎研究である。ヘリカルやトカマクに代表される磁気閉じ込め方式の核融合炉の開発においては、高磁場を発生する電磁石の開発が1つの大きな研究課題となっており、特に将来の核融合炉として定常的プラズマの閉じ込めを実現するためのクエンチ安定性解析は不可欠である。それに伴い、その主因子と考えられる構造力学的諸問題、例えば剛性評価あるいは、導体運動、すべり、絶縁材の剥離等に伴う温度上昇の定量的な評価は充分な精度をもって行う必要がある。そこで、クエンチ安定性解析には、高精度のマグネット構造剛性の評価が不可欠であるとのこれまでの成果に基づき、マグネットを基本的には導体、コイル、支持材の複合構造体として捉え、各要素剛性の的確な評価の後、それらの力学的結合モデルを導入し構造剛性を評価し得る手法の開発を行った。まず、超伝導マグネットの構造健全性評価の中で、大型構造物としての機械的構造健全性評価のために、破壊力学並びに電磁破壊力学を取り込んだ。これに加え、マグネットの機能安定性評価の上で熱的安定性も極めて重要となるため、単に超伝導芯線の挙動だけでなく、安定化材、絶縁体、その他の支持構造材全体の複合的な力学的挙動と機械的擾乱の解析・評価が不可欠であり、構造剛性解析、要素剛性解析、巻線剛性解析の研究を進めた。その一環としてモノリス導体を巻線したサンプルコイルを用いて実験を行い、数種類の解析法を検討し、巻線剛性評価法を開発した。今後、小型の超伝導マグネットを用いての実験により、励磁下での更に詳細な剛性評価を行う予定である。また、第1次超伝導ヘリカルコイル(KYOTOーSC)を用い、最大電流1530A、最大磁場5.7Tまでの励磁試験を行った。これらの実験によりヘリカルコイルの力学的安定性が実証された他、クエンチ、励磁下の各部の歪値等、超伝導大型ヘリカルコイルの設計上、有用なデータが数多く得られた。

This study is aimed at fundamental research on electromagnetic structural mechanics and functional stability evaluation of nuclear fusion superconductors. The development of electromagnets for the generation of high magnetic fields represents a major research topic for the development of nuclear fusion furnaces in the magnetic field mode, especially in the future. For example, the evaluation of rigidity, the motion of conductor, the separation of insulating material, etc., the quantitative evaluation of temperature rise, etc., are necessary for sufficient accuracy. The stability analysis of the composite structure is carried out in order to evaluate the structural rigidity with high precision. Structural soundness assessment of medium and large structures and mechanisms in the field of structural mechanics and electromagnetic mechanics In addition, the functional stability evaluation of the composite materials, thermal stability analysis, structural rigidity analysis, element rigidity analysis, and linear rigidity analysis are also studied. A method for analyzing the number of types of conductors and evaluating the rigidity of the conductors is developed. In the future, the small size of the superconductor will be used in the implementation of the system, and the excitation will be more detailed in the rigid evaluation. The excitation test was conducted for the first time, with a maximum current of 1530A and a maximum magnetic field of 5.7 T. The mechanical stability of this kind of equipment is verified by other factors, such as the deviation value of each part under excitation, the design of super large equipment, and the number of useful equipment.

项目成果

Y.Shindo: "Transient Response of Cracked Materials in a Strong Magnetic Field." Fusion Engineering and Design. 9. 81-85 (1989)

Y.Shindo：“强磁场中裂纹材料的瞬态响应。”

T.Mito: "Excitation Tests of the First Superconducting Helical Coil as an R&D Program of Large Helical Device." MT-11 Conference,Aug.28-Sep.1,1989.

T.Mito：“第一个超导螺旋线圈作为 R 的励磁测试

進藤裕英: "き裂を有する電導平板の電磁ねじり" 日本機械学会論文集(A編). 55. 1328-1333 (1989)

Hirohide Shindo：“裂纹导电板的电磁扭转”日本机械工程师学会会刊（A 版）55. 1328-1333 (1989)。

T.Takagi: "Finite Element Slip Analysis of Multi Layer Beam Plate Based on a Composite Theory." Fusion Engineering and Design. 7. 255-268 (1989)

T.Takagi：“基于复合理论的多层梁板有限元滑移分析”。

T.Takagi: "Mechanical and Thermal Behavior of Multi Layer Plates Simulating Superconducting Laminated Structure." IUTAM Symposium on Mechanical Modelings of New Electromagnetic Materials,1990.

T.Takagi：“模拟超导层状结构的多层板的机械和热行为。”