極低温下での複合超伝導導体の強度評価

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超伝導マグネットを利用した強磁場利用機器には、大電流と強磁場の相互作用による強大な電磁力が作用し、この電磁力が構造材に及ぼす影響と力学的挙動の解明が注目されている。このため、強磁場を発生するコイルの使用温度である極低温下での材料の強度の評価が重要である。超伝導導体は超伝導素線、安定化材、強度メンバ等の複合構造であり、その比率、配置は多種にわたる。導体間の絶縁材も繊維強化複合材が使用され、コイルはこれらの複合部材が組み合わされているため、その力学的挙動の評価は容易ではなく、従来の複合則による等価剛性では定量的な評価が困難である。本研究ではこれらのコイルの構成部材の強度を実験的、理論的に評価することを目的とし、実際の超伝導コイルに使用される超伝導導体およびコイルの一部を模擬したコイルパックの実験およびその解析を行った。コイルパックの実験では大型ヘリカルコイルで使用される超伝導導体と絶縁物を使用し、極低温下で圧縮試験を行った。この実験の結果を評価するために、コイルパックで用いた超伝導導体単体の常温での圧縮試験を実施し、導体のみの剛性を評価した。さらに、これらの実験結果を詳細に評価するために、材料の異方性を考慮した有限要素法による数値解析した。超伝導コイルで使用される絶縁物はおもにGFRPなどの繊維強化複合材料が使用されており、板厚方向の絶縁物単体での剛性が未知であること、実際のコイルには絶縁物が接着などにより接合することから、超伝導導体と絶縁物をそれぞれモデル化し、超伝導導体、絶縁物の剛性と力学的挙動を算出した。また、実験で得られた剛性と比較して、導体の構成、配置による剛性を定量的に評価することに成功した。得られた剛性、強度のデータベースは実際の超伝導コイルの設計に生かすことのできる形でまとめることができた。