[論文レビュー] The superconducting proposal for the CS magnet system of FAST: a preliminary analysis of the heat load due to AC losses

Nicola Pompeo, L. Muzzi|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2011

Magnetic confinement fusion research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、FASTトカマクの超電導中央ソレノイド（CS）の高磁場・高ラムプレートのHモードシナリオ下におけるAC損失を評価し、特に結合損失が顕著な熱負荷（0.04秒間にて最大140kW）を引き起こすことを明らかにした。冷却要件を満たすためには、有効ストランド径を低減し、熱的性能を向上させた高度なケーブル設計が不可欠である。

ABSTRACT

FAST (Fusion Advanced Studies Torus), the Italian proposal of a Satellite Facility to ITER, is a compact tokamak (R$_0$ = 1.82 m, a = 0.64 m, triangularity $δ$ = 0.4) able to investigate non-linear dynamics effects of $α$-particle behavior in burning plasmas and to test technical solutions for the first wall/divertor directly relevant for ITER and DEMO. Currently, ENEA is investigating the feasibility of a superconducting solution for the magnet system. This paper focuses on the analysis of the CS (Central Solenoid) magnet thermal behavior. In particular, considering a superconducting solution for the CS which uses the room available in the resistive design and referring to one of the most severe scenario envisaged for FAST, the heat load of the CS winding pack due to AC losses is preliminarily evaluated. The results provide a tentative baseline for the definition of the strand requirements and conductor design, that can be accepted in order to fulfil the design requirements.

研究の動機と目的

• 厳しい運用条件下におけるFAST中央ソレノイド（CS）の超電導ソリューションの実現可能性を評価すること。
• Hモード基準シナリオ、すなわち高磁場・高ラムプレート運用フェーズにおけるCS巻線パックに生じるAC損失に起因する熱負荷を評価すること。
• 熱的安定性および冷却制約を満たすためのストランドおよび導体設計要件のベースラインを提供すること。
• 重要な熱的マージンを特定し、今後の熱流体的設計最適化を支援すること。
• 抵抗性設計の体積制約が、実現可能な超電導CSソリューションと両立可能かどうかを特定すること。

提案手法

• Opera-3Dを用いて3次元電磁界解析を実施し、CS1U/CS1Lモジュールにおける時間的・位置的依存性を持つ磁界（Bz、Br、Bφ）を計算した。
• パンケーク巻線パックを、各ターンの中央半径における一様な横磁界（Bz）が作用する状態としてモデル化した。
• Nb3SnケーブルにおけるAC損失の動的モデルを適用し、結合損失およびヒステリシス損失の両方を含めた。特に、磁化飽和前および飽和状態の領域に注目した。
• 有効ストランド径（deff）、常態抵抗率（ρ）、および時間定数（nτ）を組み込んだ修正された損失モデルを用い、エネルギー散逸を推定した。
• ヘリウム冷却能力（定格条件下で4.7 kJ/K）とAC損失パワーを比較することで、全散逸エネルギーおよび温度上昇を計算した。
• deff（10 μm）、nτ（10 ms）、およびD_effの主なパラメータに対する損失感度を評価し、設計改善の影響を比較的シナリオで検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FASTの超電導CSにおけるAC損失の大きさは、最も厳しいHモード基準シナリオ下でどの程度か？
• RQ2 急激な磁場ラムプアップおよびラムプダウン段階において、結合損失とヒステリシス損失の大小関係は？
• RQ3 特に0.04秒間のラムプダウン段階におけるピークAC損失パワー（特にその影響）がCS巻線パックに与える熱的影響は？
• RQ4 ケーブル設計の改善（例：deffの低減、nτの低減）によってAC損失をどの程度低減でき、熱的安定性を向上できるか？
• RQ5 現在の抵抗性設計の体積制約は、過度な熱的マージンを必要とせずに、実現可能な超電導CSソリューションを収容可能か？

主な発見

• CS巻線パックにおけるAC損失の熱負荷は、初期0.04秒間のラムプダウン段階で最大140kWに達し、主に結合損失に起因する。
• フラットトップ段階におけるAC損失平均パワーは約194Wであり、冷却能力は19W/K程度と推定され、熱的マージンが非常に狭いことが示された。
• 初期ラムプダウン段階では全散逸エネルギーが5.6kJに達し、設計改善がなければ温度上昇が約1Kに予測された。
• 有効ストランド径（deff）を10μm、時間定数（nτ）を10msに低減することで、初期段階の散逸エネルギーは1kJにまで低下し、より持続可能な約0.2Kの温度上昇に抑えることができた。
• モデルは、特に7番目のターン近辺で結合損失が支配的であることを示しており、これは飽和状態から非飽和状態への遷移に起因する急激なピークが発生するためである。
• 改善されたケーブルモデルおよび正確なD_eff推定が行われない限り、現在の近似手法は非飽和状態において損失を過大評価しており、設計の信頼性を制限する。