DEMO トカマク用非絶縁超伝導トロイダル磁場コイルの数値解析

Concetti Chiave

大型超伝導磁石の内部エネルギー消散を可能にする非絶縁コイル設計の検討と数値解析モデルの開発

Sintesi

本研究では、DEMO トカマクのトロイダル磁場(TF)コイルを対象に、非絶縁(NI)および部分絶縁(PI)技術の適用可能性を検討している。

まず、LTSpice®を用いた電気回路解析により、TF コイルの充放電特性を評価し、適切な層間および巻線間の接触抵抗値を見出した。次に、自作の MATLAB®コードを開発し、電気-熱連成シミュレーションを行った。

シミュレーション結果から、NI/PI 設計では、完全内部エネルギー消散時の最高温度が400 Kを超えることが明らかになった。これは許容範囲を大幅に超えている。一方で、コイル端子電圧は絶縁設計に比べ3桁低減できることが示された。

最高温度の低減には、接触抵抗の分布を広げるか、層間接触抵抗を導入することが有効と考えられる。今後は、これらの対策を検討し、実験的検証を行う必要がある。

Statistiche

完全内部エネルギー消散時の最高温度は400 K以上に達する
コイル端子電圧は絶縁設計に比べ3桁低減できる

Citazioni

"非絶縁/部分絶縁技術の目標は、これらの問題を軽減あるいは解消することである。"
"大型超伝導磁石の内部エネルギー消散問題は、特に EUROFusion DEMO TF コイルに焦点を当てて分析された。"

Approfondimenti chiave tratti da

Numerical analysis of non-insulated DEMO TF coils

by M. Ortino, N... alle arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.19630.pdf

Domande più approfondite

NI/PI 設計の最高温度上昇を抑制するための具体的な対策はどのようなものが考えられるか。

NI（非絶縁）およびPI（部分絶縁）設計において最高温度上昇を抑制するためには、以下の具体的な対策が考えられます。まず、接触抵抗を分散させることが重要です。接触抵抗を局所的に配置するのではなく、コイル全体にわたって均等に分散させることで、熱の伝導経路を短縮し、温度上昇を抑えることができます。また、層間接続（RL）を導入することで、熱がコイルの断面を横断する際の経路を短縮し、熱伝導を促進することが可能です。さらに、コイルの冷却システムを強化し、冷却時間を短縮することも有効です。これにより、クエンチ後の再冷却プロセスが迅速化され、最高温度を低く抑えることができます。最後に、材料選定においても、熱伝導率の高い材料を使用することで、熱の拡散を促進し、温度上昇を抑制することが期待されます。

絶縁設計と比較した NI/PI 設計の長所と短所はどのようなものがあるか。

NI/PI 設計の長所は、主に以下の点にあります。第一に、熱的安定性が向上し、クエンチ保護システム（QPS）が簡素化されることです。絶縁設計では、絶縁材料が熱の伝導を妨げるため、クエンチ時の温度上昇が大きくなりがちですが、NI/PI 設計では接触抵抗を利用して熱を分散させることができます。第二に、高電圧に耐える能力が向上し、運用中のアークなどのリスクが低減します。一方、短所としては、接触抵抗が高すぎると過剰な電流が流れ、機械的なストレスが増加する可能性があることです。また、NI/PI 設計は、絶縁設計に比べて材料の選定や製造プロセスが複雑になることがあり、これがコストや製造の難易度に影響を与える可能性があります。

NI/PI 設計の実用化に向けて、どのような課題が残されているか。

NI/PI 設計の実用化に向けては、いくつかの課題が残されています。まず、接触抵抗の最適化が必要です。接触抵抗が適切に設定されていない場合、過剰な電流が流れ、コイルの損傷や故障を引き起こす可能性があります。次に、クエンチ時の熱の分散メカニズムをより詳細に理解する必要があります。特に、大規模なコイルにおいては、クエンチの進行と温度分布の関係が複雑であり、これを正確にモデル化することが求められます。また、材料の放射線耐性や機械的特性も重要な課題です。次世代の機器では、より高い放射線耐性が求められるため、これに対応した材料開発が必要です。最後に、実験データとの比較を通じて、数値モデルの検証を行い、信頼性を高めることが重要です。これらの課題を克服することで、NI/PI 設計の実用化が進むと期待されます。