伊藤 悟

本研究では三面複層コーティング流路の金属層に補強材を取り付けることを提案する。補強材を取り付けることによってMHD圧力損失が増加するものの、補強材近傍のみの流動場が変化するため、それを利用して冷却材を攪拌することにより伝熱を促進するような流路を設計することも可能であると考えられる。本共同研究では模擬補強材付流路の流動特性の定量的評価を目的とし、模擬流路試験部を超伝導マグネット6T-CSMに設置してMHD流動試験を行い、また比較のために数値解析による検討を行う。

三面複層コーティング流路の金属層の強度向上を図るため、金属層に補強材を配置することを検討している。この補強材の構造・配置によるMHD流動場の変化、流路強度の変化をMHD流動場解析および構造解析を用いて評価し、最適な補強材配置を検討する。 また、補強材付三面複層コーティング流路の模擬流路を製作し、超伝導マグネットのボア内に設置して、MHDポンプによって液体金属を駆動させ、流動特性試験を行ことで、数値解析で評価した補強材配置とMHD流動場の変化の関係を実験的にも確認する。

核融合炉用マグネットを分割製造し、組立・分解とする分割型高温超伝導マグネットを提案している。本共同研究では、ヘリカル型デモ炉FFHRのヘリカルコイルに分割型高温超伝導マグネットを適用することを目指して、構造解析（弾性解析・接触解析）や熱伝導解析を用いた分割型ヘリカルコイルの支持構造・冷却構造の検討、大容量高温超伝導導体に適用する接合部の開発、の2点を行うことを目的とする。 大容量高温超伝導導体に適用する接合部の開発では、REBCO系（YBCO, GdBCOなど）高温超伝導テープを用いて、FFHRのヘリカルコイルで必要な100 kA級高温超伝導導体に準ずる数kA～数10kA級導体を製作し、各種機械的接合法（バットジョイント、エッジジョイント、ラップジョイント、ブリッジジョイントなど）の適用性を実験的に評価する。また、新たな構造の機械的接合法の検討にも取り組む。数kA程度の基礎試験に関しては東北大学で行うが、数10kA級の導体試験を行う際には、核融合科学研究所の施設を用いる。

本共同研究では、銅ジャケット付GdBCO導体の機械的接合における接合抵抗の温度・磁場・応力依存性の評価を通して、大型導体の接合抵抗の予測手法を確立することを目的とする。まず、15T-CSMを用いてGdBCOテープ1枚同士の機械的ラップジョイントにおける接合抵抗の温度・磁場・磁場角度依存性を評価し、接合抵抗の発生メカニズムを明らかにし、続いて、数値解析モデルを構築して、抵抗の予測手法を確立する。また、各種機械試験により接合部の機械特性を明らかにする。

本研究では三面複層コーティング流路の金属層に補強材を取り付けることを提案する。補強材を取り付けることによってMHD圧力損失が増加するものの、補強材近傍のみの流動場が変化するため、それを利用して冷却材を攪拌することにより伝熱を促進するような流路を設計することも可能であると考えられる。本共同研究では模擬補強材付流路の流動特性の定量的評価を目的とし、模擬流路試験部を超伝導マグネット6T-CSMに設置してMHD流動試験を行い、また比較のために数値解析による検討を行う。

三面複層コーティング流路の金属層の強度向上を図るため、金属層に補強材を配置することを検討している。この補強材の構造・配置によるMHD流動場の変化、流路強度の変化をMHD流動場解析および構造解析を用いて評価し、最適な補強材配置を検討する。 また、補強材付三面複層コーティング流路の模擬流路を製作し、超伝導マグネットのボア内に設置して、MHDポンプによって液体金属を駆動させ、流動特性試験を行ことで、数値解析で評価した補強材配置とMHD流動場の変化の関係を実験的にも確認する。

核融合炉用マグネットを分割製造し、組立・分解とする分割型高温超伝導マグネットを提案している。本共同研究では、ヘリカル型デモ炉FFHRのヘリカルコイルに分割型高温超伝導マグネットを適用することを目指して、構造解析（弾性解析・接触解析）や熱伝導解析を用いた分割型ヘリカルコイルの支持構造・冷却構造の検討、大容量高温超伝導導体に適用する接合部の開発、の2点を行うことを目的とする。 大容量高温超伝導導体に適用する接合部の開発では、REBCO系（YBCO, GdBCOなど）高温超伝導テープを用いて、FFHRのヘリカルコイルで必要な100 kA級高温超伝導導体に準ずる数kA～数10kA級導体を製作し、各種機械的接合法（バットジョイント、エッジジョイント、ラップジョイント、ブリッジジョイントなど）の適用性を実験的に評価する。また、新たな構造の機械的接合法の検討にも取り組む。数kA程度の基礎試験に関しては東北大学で行うが、数10kA級の導体試験を行う際には、核融合科学研究所の施設を用いる。

本共同研究では、銅ジャケット付GdBCO導体の機械的接合における接合抵抗の温度・磁場依存性の評価を通して、大型導体の接合抵抗の予測手法を確立することを目的とする。まず、15T-CSMを用いてGdBCOテープ1枚同士の機械的ラップジョイントにおける接合抵抗の温度・磁場依存性を評価し、接合抵抗の発生メカニズムを明らかにし、続いて、数値解析モデルを構築して、抵抗の予測手法を確立する。 また、大口径のボアを有する6T-CSMと伝導冷却クライオスタットを用いて、導体の接合部の引張強度と接合抵抗の関係を評価できる実験体系の構築を目指す。

本研究では三面複層コーティング流路によるMHD圧力損失低減効果を実験と数値解析の両面から検証して最終的に核融合炉ブランケットへの適用性を評価することを目的とする。具体的には複層コーティング流路を模擬した流路を製作し、実験的にMHD圧力損失の低減効果を確認する。また、流路と流体の接触抵抗、流体（液体金属）に生じる酸化層の影響を実験的に明らかにし、ブランケット設計に対する工学的な課題の抽出を行う。

三面複層コーティング流路の模擬流路（二重円筒開流路）を金属薄板にセラミックコーティングを施し、流路に挟み込むことで製作する。この三面複層コーティング流路の試験部を含んだ流動実験ループを超伝導マグネットのボア内に設置して、MHDポンプによって液体金属を駆動させ、流動特性試験を行う。圧力損失は試験部前後それぞれでの圧力を計測し算出する。これまでの共同研究の成果により、液体金属と流路壁の間の接触電気抵抗が圧力損失に影響することが確認されているので、接触抵抗の値を計測して、その影響を加味した数値解析結果との比較検討を行う。さらに直線状の三面複層コーティング流路を実際に製作し、日米協力事業核融合分野TITAN計画と連携し、UCLAにて三面複層コーティング流路の圧力損失低減効果の実証試験も行う。 また、これまで開発してきた数値解析コードを用いて、ブランケットの成立条件を熱流動、構造解析によって検討するとともに、曲がり管部の流動特性についても評価する。

REBCO系高温超伝導テープ材［YBCO、GdBCOなど］を用いて金属ジャケット付高温超伝導導体を製作し、機械的バットジョイント、および機械的ラップジョイントの試験を強磁場環境下で実施して、その成立性を検証する。導体構造、接合面状態、接合力の負荷状況を機械的接合法の性能に影響する因子であると考え、これらを変化させながら、その性能を評価していく。概念設計では構造解析・熱解析を用いて、電磁力、および構造材料の機械的特性の温度依存性を考慮して、ヘリカル型核融合炉FFHRにおいてヘリカルコイルの分割設計が成立する条件を検討する。

本研究では、高温超電導ケーブルの着脱式簡易型ジョイントを提案する。提案する着脱式簡易型ジョイントを実現するためには、高温超電導テープの機械的ラップジョイント技術、および多孔質体を用いた液体窒素冷却システムを確立することが必要となる。具体的には、1) 直流および交流を印加した場合の接合部の抵抗挙動、電流分布および発熱挙動の解明、2) 液体窒素の多孔質体内流動特性、熱伝達率、最大除去熱流束などの伝熱特性の評価、3) 接合技術と冷却技術を統合したプロトタイプの製作、といったものが実現までに必要な研究項目である。本研究（本年度の研究）では、着脱式簡易型ジョイントを実現するための研究の第一段階である直流を印加した場合の高温超電導テープの機械的ラップジョイントの抵抗評価を行う。

銅ジャケット付BSCCO2223導体、GdBCO導体を用いて、機械的バットジョイントの試験を行い、温度変化、磁場変化による接合抵抗の変化を評価する。また、接合性能を議論する場合に、臨界電流に関する情報が必要な場合に超伝導テープおよび導体の臨界電流の温度、磁場依存性を取得する。

本研究では複層コーティング流路を模擬した流路を製作し、作動流体をBiPnとして、流動試験を行い、複層コーティングによるMHD圧力損失低減効果を実験的に証明することを目的とする。流路としては、導電壁流路、絶縁壁流路、複層コーティング流路の3つを用意する。これらをそれぞれ6T-CSM（6T無冷媒超伝導マグネット）に設置して、MHDポンプによって作動流体を駆動し、MHDポンプを停止した後の流動状態を評価することによって複層コーティングによるMHD圧力損失の低減効果を実験的に確かめる。

まず、複層コーティング流路の製作方法を検討し、実際に流路製作を行う。続いて、導電壁流路、絶縁壁流路、複層コーティング流路における液体金属BiSn（Uアロイ：融点～135℃）の流動特性試験を行う。流動特性試験では、φ220のボアを持ち6Tの磁場を生可能な伝導冷却超伝導マグネットのボア内に用意した円形自由表面流路を設置して、BiSnをMHDポンプにより駆動し、MHD圧力損失の定量的評価法を用いてMHD圧力低減効果を確認する。また、これまでに開発した数値解析コードを用いて、実験条件と同じ条件となる自由表面かつ遠心力を考慮した流れのシミュレーションを行い、実験結果と比較して考察を加える。

本研究では三面複層絶縁流路によるMHD圧力損失低減効果を実験と数値解析の両面から検証して最終的に核融合炉ブランケットへの適用性を評価することを目的とする。具体的には絶縁・導電壁・複層コーティング流路での圧力損失測定を行い、各流路での圧力損失の比較を行う。

Li-Vブランケット開発においてMHD圧力損失の低減は重要な課題である．その対策として絶縁被膜のある金属薄板を挿入した流路（三面複層コーティング流路）が提案されている．本研究では，強磁場下における三面複層コーティング流路のMHD圧力損失低減効果を実験により評価し，核融合炉ブランケットの適応性について検証することを最終目的とする．本年度は，まず必要な実験体系の確立を目的として実験を行った．

平成18年度において採択された研究において、大口径冷凍機冷却クライオスタットを用いて、負膨張性材料（DFRP）による接合の基礎実験を行った。今年度からの研究においても引き続き、DFRPを用いた接合試験を行い、まず、負膨張性材料接合を確立する。続いて、電磁力による接合試験のための予備試験として、高磁場下における高温超伝導ケーブルのButt Jointの特性を確認する。得られたデータを基にセルフジョイントシステムの有効性を検証し、また必要な課題を提示する。

高温超伝導ケーブルのButt Jointにおいて輸送電流を増加させるために温度を低下させ臨界電流値を増加させることが必要であり、本研究の第一段階の目的は、液体窒素温度未満の温度環境下における接合性能の変化を評価することとする。これは将来的に強磁場中での接合試験を行うための予備実験に相当するものである。

ヘリカル型核融合炉FFHRのヘリカルコイルを分割し、着脱可能とする分割型高温超伝導マグネットの実現を目指している。本共同研究では、東北大学において銅ジャケットを装着した積層BSCCO 2223導体を製作し、機械的接合試験を行うことを通して、材料劣化による接合性の低下、ひずみによる接合面のずれの防止といった工学的課題の解決を図る。また、核融合科学研究所よりヘリカル型核融合炉FFHRのヘリカルコイルの電磁力のデータを提供して頂き、実験結果を基にして構造解析を行い、分割型ヘリカルコイル構造、支持構造物配置などを核融合科学研究所との連携を通して検討し、分割型高温超伝導マグネットのヘリカル炉への適用可能性を評価する。