[論文レビュー] The SPARC Toroidal Field Model Coil Program

Zachary Hartwig, R. Vieira+98 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Superconducting Materials and ApplicationsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、SPARC核融合エネルギー計画内において、レアアースバリウム銅酸化物（REBCO）超伝導体技術を用いて、高磁場（20.1 T）、大規模（3 m）なトロイダル磁場コイルの成功した設計・製造・試験を提示している。このプロジェクトは、成熟したスケーラブルなREBCO磁石性能を実証した。具体的には、40.5 kAの端子電流、815 kN/mのローレンツ力負荷、1 GPaの機械的応力耐性、および0.5–2.0 nΩの低抵抗（15個）の接合部を含み、将来的なコンact tokamak用の核融合関連のキーテクノロジーを検証した。

ABSTRACT

The SPARC Toroidal Field Model Coil (TFMC) Program was a three-year effort between 2018 and 2021 that developed novel Rare Earth Yttrium Barium Copper Oxide (REBCO) superconductor technologies and then successfully utilized these technologies to design, build, and test a first-in-class, high-field (~20 T), representative-scale (~3 m) superconducting toroidal field coil. With the principal objective of demonstrating mature, large-scale, REBCO magnets, the project was executed jointly by the MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) and Commonwealth Fusion Systems (CFS). The TFMC achieved its programmatic goal of experimentally demonstrating a large-scale high-field REBCO magnet, achieving 20.1 T peak field-on-conductor with 40.5 kA of terminal current, 815 kN/m of Lorentz loading on the REBCO stacks, and almost 1 GPa of mechanical stress accommodated by the structural case. Fifteen internal demountable pancake-to-pancake joints operated in the 0.5 to 2.0 nOhm range at 20 K and in magnetic fields up to 12 T. The DC and AC electromagnetic performance of the magnet, predicted by new advances in high-fidelity computational models, was confirmed in two test campaigns while the massively parallel, single-pass, pressure-vessel style coolant scheme capable of large heat removal was validated. The REBCO current lead and feeder system was experimentally qualified up to 50 kA, and the crycooler based cryogenic system provided 600 W of cooling power at 20 K with mass flow rates up to 70 g/s at a maximum design pressure of 20 bar-a for the test campaigns. Finally, the feasibility of using passive, self-protection against a quench in a fusion-scale NI TF coil was experimentally assessed with an intentional open-circuit quench at 31.5 kA terminal current.

研究の動機と目的

• 核融合エネルギー用途に向けた成熟した大規模REBCO超伝導体技術の実証。
• REBCOテープを用いた、代表的スケール（3 m）、高磁場（約20 T）のトロイダル磁場コイルの設計および製作。
• 核融合に類似した条件下での電磁的・機械的・冷却性能の検証。
• 非絶縁コイルとしての融合スケールの非絶縁REBCOトロイダル磁場コイルにおける、被動的自己保護によるクエンチ保護の実証。
• 50 kAまで達するREBCO電流リードおよび給電システムの資格認定と、高効率冷却機構の検証。

提案手法

• 高電流密度および機械的頑丈さに最適化された、REBCO超伝導体技術の開発および統合。
• 構造的ケースおよび内部接合部を備えたREBCOテープを用いた、直径3 m、15層のパンケイク巻きのトロイダル磁場コイルの設計および製造。
• 高熱除去能力を有する単パス・プレッシャーベルセル方式冷却スキームの実装。
• 高精度な計算モデルを用いてDCおよびAC電磁的性能を予測・検証。
• 20 Kで600 Wの冷却能力を発揮し、最大70 g/sの質量流量および20 bar-aの圧力を発揮する冷却器ベースのシステムの統合。
• 50 kAまで実験的に資格認定されたREBCO電流リードおよび給電システムの評価、および意図的な開放回路クエンチ試験による被動的クエンチ保護の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模・高磁場REBCOトロイダル磁場コイルは、核融合に類似した機械的および電磁的負荷下で、20.1 Tの磁場および40.5 kAの端子電流を安定して発揮できるか？
• RQ2 単パス・プレッシャーベルセル方式冷却スキームは、大規模REBCO磁石システムにおいて高熱負荷を効果的に除去できるか？
• RQ3 高磁場および20 Kでの動作下で、内部分解可能パンケイク同士の接合部の電気的性能および信頼性はいかがなものか？
• RQ4 被動的自己保護メカニズムは、融合スケールの非絶縁REBCOトロイダル磁場コイルにおいて、クエンチ損傷を効果的に制限できるか？
• RQ5 REBCO電流リードおよび給電システムは、高磁場・高応力の核融合環境下で50 kAでの運用にどの程度まで資格認定可能か？

主な発見

• TFMCは、40.5 kAの端子電流を伴い、導体上でのピーク磁場が20.1 Tに達し、目標の約20 Tを上回った。
• コイルは815 kN/mのローレンツ力負荷に耐え、構造的ケースではほぼ1 GPaの機械的応力を耐えた。
• 15個の内部パンケイク同士の接合部は、20 Kで0.5–2.0 nΩの抵抗を示し、最大12 Tの磁場下でも安定した。
• 高精度な電磁的モデルはDCおよびAC性能を正確に予測し、2回の試験キャンペーンで確認された。
• 単パス・プレッシャーベルセル冷却スキームは、高熱負荷を効果的に除去し、核融合炉へのスケーラビリティを検証した。
• REBCO電流リードおよび給電システムは50 kAまで実験的に資格認定され、冷却器システムは20 Kで600 Wの冷却能力を発揮し、質量流量70 g/s、圧力20 bar-aを達成した。