O1 3O1-3O1 3中性子回折による 用大型超伝導導体 内部歪測定中性子回折によるITER用大型超伝導導体の内部歪測定中性子回折によるITER用大型超伝導導体の内部歪測定

辺見 努1 小泉 徳潔1* 2 中嶋 秀夫1辺見 努1,小泉 徳潔1*,ステファヌス ハルヨ2, 中嶋 秀夫1,辺見 努 ,小泉 徳潔 , テ ァ ル , 中嶋 秀夫 ,相澤 一也2 町屋 修太郎3 長村 光造4相澤 一也2, 町屋 修太郎3, 長村 光造4

原子力機構 核融合研究開発部門1, 原子力機構 核融合研究開発部門 ,原子力機構 J-PARCセンター2原子力機構 J-PARCセンタ ,大同大学3 応用科学研究所4大同大学3, 応用科学研究所4

1

目次目次目次

1 ITER 超電導コイル1. ITER 超電導コイル

2 核融合炉用Nb Sn 導体2. 核融合炉用Nb3Sn 導体3

3 短尺Nb Sn 導体の性能劣化3. 短尺Nb3Sn 導体の性能劣化3

4 中性子回折による評価4. 中性子回折による評価

5 まとめ5. まとめ

The views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the ITER OrganizationThe views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the ITER Organization.2

的と 標ITERの目的と目標ITERの目的と目標

ITER 目的ITERの目的 日・欧・米・露・韓・中・印の７極がの目的核融合エネルギ の科学的 工学的実証

日・欧・米・露・韓・中・印の７極が参加核融合エネルギーの科学的・工学的実証 参加

• 実際の核融合燃料（重水素、トリチウム） ・ 世界人口の半数以上が関与実際の核融合燃料（重水素、トリチウム）を用い 制御された点火と長時間燃焼（定 ・ 世界のGNPの８０％以上を用い、制御された点火と長時間燃焼（定常化が最終目標） 及び拡大燃焼の実証

世界のGNPの８０％以上

常化が最終目標）、及び拡大燃焼の実証。28 m• 核融合炉工学技術の実証28 m

核融合炉 学技術 実証

ITER 標ITERの目標ITERの目標全核融合出力 500 MW（700 MW）全核融合出力 500 MW（700 MW）

25 mエネルギー増倍率（Ｑ値） 10以上ネ ギ 増倍率（ 値） 以

燃焼時間 400秒以上燃焼時間 400秒以上

プ ズプラズマ電流 15 MA

（Q=核融合出力／外部入射パワー）

超電導 イITER超電導コイルITER超電導コイル

補 個補正(CC)ｺｲﾙ(18個)

PFｺｲﾙ (6個)PFｺｲﾙ (6個)

TFｺｲﾙ(18個)TFｺｲﾙ(18個)m

18m

1

CSｺｲﾙｲﾙ(6ﾓｼﾞｭｰﾙ) 4(6ﾓｼ ｭ ﾙ)

ITER Nb S ｹ ﾞﾙ ｲ ｼﾞ ﾄ（CIC)導体ITER Nb3Snｹｰﾌﾞﾙ･ｲﾝ･ｺﾝｼﾞｯﾄ（CIC)導体ITER Nb3Snｹ ﾌ ﾙ ｲﾝ ｺﾝｼ ｯﾄ（CIC)導体

Parameters CS TFITER CS TFコイル：Nb3Sn ｹｰﾌﾞﾙ・ｲﾝ・

Parameters CS TFITER CS、TFコイル：Nb3Sn ｹ ﾌ ﾙ ｲﾝｺﾝｼﾞｯﾄ(CIC)導体 を使用 Current 40 kA (SOD) 68 kAｺﾝｼ ｯﾄ(CIC)導体 を使用 Current ( )

45.4 kA (516s) 68 kA

CS導体：576本のNb3Sn線 288本の銅線45.4 kA (516s)13 0 T(SOD)CS導体：576本のNb3Sn線、288本の銅線、

中心流路 JK2LB矩形ｺﾝｼﾞｯﾄを使用 Maximum field 13.0 T(SOD) 11 8 T中心流路、JK2LB矩形ｺﾝｼ ｯﾄを使用 Maximum field 12.4 T(516s) 11.8 T

TF導体：900本のNb3Sn線 522本の銅線( )

Required Tcs 5 2 K 5 7 KTF導体：900本のNb3Sn線、522本の銅線、中心流路 SUS316LN円形ｺﾝｼﾞｯﾄを使用

Required Tcs 5.2 K 5.7 K中心流路、SUS316LN円形ｺﾝｼ ｯﾄを使用 No of cycles 60 000 1 000No. of cycles 60,000 1,000

CS 導体 TF導体 CS 導体 TF導体

5

C C導体 構成ITER CIC導体の構成ITER CIC導体の構成

ｹ ﾌﾞﾙ ｲﾝ ｺﾝｼﾞｯﾄ導体ｹｰﾌ ﾙ･ｲﾝ･ｺﾝｼ ｯﾄ導体(CICC)(CICC)

6

導体 素線TF導体用Nb Sn素線TF導体用Nb3Sn素線ブロンズ法ブロンズ法

( ) Hit hi(JA) JASTEC(JA)BAS(EU) ChMP(RF) Hitachi(JA) JASTEC(JA)内部拡散法

BAS(EU) ( )内部拡散法

KAT(KO) Luvata(US) OST(EU&US) WST(CH)KAT(KO) Luvata(US) OST(EU&US) WST(CH)

C t f A D d (ITER O i ti )約240 tonのTF素線の製作を完了 7Courtesy of A. Devred (ITER Organization)約240 tonのTF素線の製作を完了

TFコイル用Nb Sn撚線の最終撚線TFコイル用Nb3Sn撚線の最終撚線3

Sub-cable drumSpiral tube Sub cable drumSpiral tube

Sub-cableSub-cable

Spiral tube

SS t

pdrum

SS tapewrapping devicewrapping device

1st dieC blCable

Forming roll2nd die2nd die

Caterpillar typeCaterpillar typehauling-off devicehauling-off device

Take up drumTake-up drum

8

導体 製 方TFコイル導体の製作方法TFコイル導体の製作方法

①撚線 ②ｼﾞｬｹｯﾄ同士の突き合せ溶接

13

①撚線 ②ｼ ｬｹｯﾄ同士の突き合せ溶接

13m

J kｼﾞ ｹ ﾄ Jacketｼﾞｬｹｯﾄ

760mｹｰﾌﾞﾙ (φ41.8mm, 760m) 760m

③ｼﾞ ｹ ﾄ縮径加④導体巻取り ③ｼﾞｬｹｯﾄ縮径加工

4m④導体巻取り

4m

3m3m

TFジャケ ト（SS316LN）TFジャケット（SS316LN）OD 48 0OD:48.0mmID:44.2mm

43 7mmWall Thickness: 1.9mm

43.7mmUnit length: 13m

⑤受入検査⑤受入検査9

導体ジ ケ グTF導体ジャケッティングTF導体ジャケッティング

44 m

C t f A D d (ITERCourtesy of A. Devred (ITER )Organization)

日本は20本のTF導体を 製作済日本は20本のTF導体を 製作済

中国 ロシア EU 韓国はダミ 導体の製作を完了 10中国、ロシア、EU、韓国はダミー導体の製作を完了

Nb S CIC導体内の内部歪Nb3Sn CIC導体内の内部歪Nb3Sn CIC導体内の内部歪

導体内 は 素線と ジ 熱収縮差 よ 熱歪が発生するCIC導体内では、素線とコンジットの熱収縮差によって熱歪が発生する素線は圧縮される方向に変形し 座屈による曲げが発生することがある素線は圧縮される方向に変形し、座屈による曲げが発生することがある加えて 巨大な電磁力（800kN/m）によって 導体内の素線が下図に示すよう加えて、巨大な電磁力（800kN/m）によって、導体内の素線が下図に示すよう

曲げ変 を受けるに曲げ変形を受ける

C i ith b diCompressive with bending(Cable)

Electromagnetic force( )

Electromagnetic force

Tensile (Jacket)

a)

Tensile (Jacket)

Electromagnetic force Strand (MP

Electromagnetic force(accumulated)

Strand

ure

((accu u ated)

ess

uP

re

Strand (bent by transverse load)Strand (bent by transverse load)

11

短尺CS導体の臨界電流性能の試験短尺CS導体の臨界電流性能の試験短尺CS導体の臨界電流性能の試験

ITERでは 製作したNb Sn CIC導体の臨界電流性能を評価するために 超電導ITERでは、製作したNb3Sn CIC導体の臨界電流性能を評価するために、超電導状態を維持 きる最大温度（磁場 電流値 歪 関数）を測定状態を維持できる最大温度（磁場、電流値、歪の関数）を測定本試験を実施できる装置はスイスのSULTAN装置のみ本試験を実施できる装置はスイスのSULTAN装置のみCS導体の性能試験をSULTAN装置で実施 試験では 10 000回のサイクル通電CS導体の性能試験をSULTAN装置で実施。試験では、10,000回のサイクル通電試験を実施（約 電流を約 磁場 繰返し通電）試験を実施（約50kAの電流を約11Tの磁場下で繰返し通電）分流開始温度が通電回数に対して劣化分流開始温度が通電回数に対して劣化

K)e

(K JACS02 LJACS02 R Warm-up7.0ur

e JACS02 LJ CS0 Warm up/Cool-down

ratu

per

JACS01 Rem W6.0JACS01 R

g te Warm-up

/Cool-downent

ring /Cool-down

urre

shaCuSC Magnet

JACS01 Lnt sSC Magnet

5.0 JACS01 L

rren

Cur

0 2000 4000 6000 8000 10000

C

0 2000 4000 6000 8000 10000Number of cyclesSample (3 6m)SULTAN (CRPP) 12Number of cyclesSample (3.6m)SULTAN (CRPP)

CS導体の破壊試験CS導体の破壊試験CS導体の破壊試験

A

Electromagnetic loading

A BA B

S(a) High transverse loading side (HLS) Strandbending bending direction

Bdirection

B

30 Large void

30 mm

(b) low transverse loading side (LLS) Strand buckling(b) low transverse loading side (LLS) Strand buckling

高電磁力側で素線の曲げが起こり劣化すると考えられてきた高電磁力側で素線の曲げが起 り劣化すると考えられてきた低電磁力側で素線の大きな曲げが発生低電磁力側で素線の大きな曲げが発生

これは撚線が高電磁力側に偏り 低電磁力側では空隙部が発生して 素線が熱歪にこれは撚線が高電磁力側に偏り、低電磁力側では空隙部が発生して、素線が熱歪による圧縮によ て座屈したためと推察されるよる圧縮によって座屈したためと推察される

13

中性子回折の目的中性子回折の目的

CIC導体内部の素線の内部歪の測定が 性能劣化原因の調査のために必要CIC導体内部の素線の内部歪の測定が、性能劣化原因の調査のために必要

14

Nb Sn CIC導体の中性子回折結果Nb3Sn CIC導体の中性子回折結果3

Nb S の回折ピ クは銅の回折ピ ク（111）の約1%Nb3Snの回折ピークは銅の回折ピーク（111）の約1%3Nb Sn (211)の内部歪は-0 22%±0 02%と評価されたNb3Sn (211)の内部歪は-0.22%±0.02%と評価された

4 1 5 4

%) 1.5

3) (%

311

)

10)11)

)

321)

Sn (2

1

Nb (1 (1

1

(210

)

1.0u.)

2 00) Sn (3

20)

Nb3S N

Cu

3Sn ( (a.

n (40 Nb

3Sn

(322

2) N

00)to C

Nb3

ity

1 Nb3S

n

Nb3S

Sn (2

Sn (2

0

ity t

ens

1 N NNb

3S

Nb3Snsi

0.5nteN

nte

I0of

In

20)

0) 00)

0) 1) 1)o o 0 0-1 e (22

(220

e (20

(200

e (11

(111

Rati 0.01

γFe

Cu

γFe

Cu

γFe

Cu R

0 12 0 16 0 20 0 24 0 28 0.214 0.216 0.2180.12 0.16 0.20 0.24 0.28Lattice spacing (nm) Lattice spacing (nm)Lattice spacing (nm) Lattice spacing (nm)

15

CIC導体の破壊試験結果との比較CIC導体の破壊試験結果との比較CIC導体の破壊試験結果との比較

Nb Sn CIC導体の高磁場部及び低磁場部から切り出したサンプルに対しNb3Sn CIC導体の高磁場部及び低磁場部から切り出したサンプルに対して中性子回折を実施て中性子回折を実施高磁場部では回折ピークが平準化る高磁場部では回折ピ クが平準化る

1 515 1.5A i l di i RT

15

m)

Axial direction at RT1200ppm

Nb3Sn (211)1000

1200

et (p

T) 1.0u.)

3 ( )1000 10ck

e

d (T

(a.u

8000

f jac

ield

ity (

600

800

n of ic f

0 5nsi600

5rain

neti

0.5

nte4005

str

agn

In

200ual

Ma

200

sid

0.00 0Res

-1000 0 1000 2000R

0.214 0.216 0.218Distance along the conductor length f th fi ld t ( ) 0.214 0.216 0.218

Lattice spacing (nm) from the field center (mm)

Lattice spacing (nm)

16

フルサイズ試験サンプルの試験フルサイズ試験サンプルの試験

プ2011年3月にJ-PARCの匠にサンプルを設置2011年3月にJ PARCの匠にサンプルを設置震災により試験延期震災により試験延期試験 米 実施 定試験は米国SNSのVULCAN で実施.予定試験は米国 の で実施 予定

Takumi of J-PARC Japan VULCAN of SNS USTakumi of J-PARC, Japan VULCAN of SNS, US

Sample slit

Detector DetectorJACS01

Detector Detector

Sample Tablep

Courtesy of K AnCourtesy of K. An

17

ま と めま と めま と め

Nb3Sn CIC導体の短尺導体を用いた臨界電流性能評価試験で、通電回数のNb3Sn CIC導体の短尺導体を用いた臨界電流性能評価試験で、通電回数の増加によって臨界電流性能が劣化することが判明増加によって臨界電流性能が劣化することが判明

破壊試験の結果、素線の座屈による曲げが劣化の原因と推察された破壊試験の結果、素線の座屈による曲げが劣化の原因と推察された

中性子解析が本推察の妥当性を定量的に実証する唯 のツ である 中中性子解析が本推察の妥当性を定量的に実証する唯一のツールである。中性子回折で素線内部の歪を測定する手法を開発した性子回折で素線内部の歪を測定する手法を開発した

Nb S CIC導体の短尺導体の中性子回折試験を米国SNSので実施予定Nb3Sn CIC導体の短尺導体の中性子回折試験を米国SNSので実施予定

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