JP5305336B2

JP5305336B2 - プラズマ平衡磁場コイルの支持構造

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Publication number: JP5305336B2
Application number: JP2008234861A
Authority: JP
Inventors: 勝彦土屋; 清吉田; 要木津
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: JP2010066211A

Description

本発明は、核融合装置用のプラズマ平衡磁場コイル（ＥＦコイル）を挟んで一対のクランプを配置し、プラズマ平衡磁場コイルの側方への各クランプの延出部分に締付力を付与してプラズマ平衡磁場コイルを挟み込み、トロイダル磁場コイル（ＴＦコイル）に対してプラズマ平衡磁場コイルを支持するプラズマ平衡磁場コイルの支持構造に関する。

この種のプラズマ平衡磁場コイルの支持構造は、下記の特許文献１に開示されている。特許文献１では、ＴＦコイルに設けられた支持座に、ＥＦコイルを保持するホルダが固定されている。ホルダは、支持座のホルダ固定面に固定された支持構造体に、一対の板ばねを介してクランプ部を吊り下げて構成されている。クランプ部は、各板ばねに接続された受け板と、締付ボルトで受け板に連結された締付板とを、締付ボルトで互いが近づく向きに締め付けることで、ＥＦコイルを挟み込んで支持している。

特開２００３−１５６５８２号公報

上記特許文献１に記載の支持構造では、ＥＦコイルの左右の側方に延びた左右の端部に締付力を付与された受け板及び締付板が、左右方向の中央部を上方に撓ませることから、ＥＦコイルの左右の端部に機械的圧力が集中し、この圧力集中部に振動等が加わってこすれが生じると、絶縁劣化の生じる虞があった。

本発明は、上記した点に鑑み、ＥＦコイルに対して分散させて締付力を加えることのできるプラズマ平衡磁場コイルの支持構造を提供することを目的とする。

このような課題を解決するために、本発明のプラズマ平衡磁場コイルの支持構造は、核融合装置用のプラズマ平衡磁場コイルを挟んで一対のクランプを配置し、各前記クランプの前記プラズマ平衡磁場コイルの長手方向と垂直な方向への延出部分に締付力を付与して、前記を挟み込み、トロイダル磁場コイルに対して前記プラズマ平衡磁場コイルを支持するプラズマ平衡磁場コイルの支持構造であって、各前記クランプの両前記延出部分間に配置されて各前記クランプと前記プラズマ平衡磁場コイルとの間に介装される一対の圧力緩和板を備え、前記圧力緩和板が、最も肉厚を有した肉厚部から、前記クランプの前記延出部分の延出方向の両端部にかけて一主面を傾斜させて徐々に肉厚を薄くする断面形状を有しており、平坦な他主面を前記プラズマ平衡磁場コイル側に向け、前記一主面を前記クランプ側に向けて介装されることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力緩和板の前記一主面が、前記クランプ側を向いた前記圧力緩和板の傾斜面が、前記プラズマ平衡磁場コイル、一対の前記クランプ、前記圧力緩和板の間に前記プラズマ平衡磁場コイルの運転に伴い空隙が生じるのを防止できるだけの締付力を付与されて前記プラズマ平衡磁場コイル側に撓んだ前記クランプの前記一主面への接触面と等しく湾曲傾斜していることを特徴とする。
また、本発明は、前記圧力緩和板の前記肉厚部が、前記クランプの両前記延出部分間の中央部と向かい合う前記圧力緩和板の中央部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、クランプとプラズマ平衡磁場コイルとの間に介装される一対の圧力緩和板が、湾曲したクランプを傾斜面の広い範囲で受けることから、プラズマ平衡磁場コイルに対して分散させて締付力を加えることができる。

以下、図面を参照して、本発明の最良の形態を説明する。図１は、本実施形態の核融合装置が備えるＴＦコイル（トロイダル磁場コイル）１の斜視図である。なお、以下の説明で用いる上下，前後，左右の各方向は説明に用いる各図に示している。この上下，前後，左右は説明のために記載したもので、実際の配置と異なってよいことはもちろんである。

核融合装置は、円筒状を呈して上下方向に延びたセンターソレノイド（不図示）の外周に、図１に示すＤ型の外観形状を有したＴＦコイル１を等間隔で円環状に配設し、円環状を呈した複数（本実施形態では６つ）のＥＦコイル（プラズマ平衡磁場コイル）２を、各ＴＦコイル１の備える支持座１２ａ〜１２ｆにそれぞれクランプ装置３で支持して構成される。

ＴＦコイル１は、ＮｂＴｉ，Ｎｂ３Ｓｎ，Ｎｂ３Ａｌ等の超伝導材料からなる線材を、ケースに収容して構成されている。ＥＦコイル２は、ＮｂＴｉ等の超伝導材料をステンレス鋼に含有させて形成されており、外周を絶縁材料で覆われている。ＴＦコイル１及びＥＦコイル２は、各ＴＦコイル１の内側に配置されてセンターソレノイドの周方向に沿って延びる環状の真空容器（不図示）内にプラズマを閉じこめるのに用いられる。

クランプ装置３を用いた支持座１２ａ〜１２ｆへのＥＦコイル２の支持構造の一例として、支持座１２ｆへの支持構造を説明する。図２は、クランプ装置３の外観を示す斜視図である。

支持座１２ｆにＥＦコイル２を支持するクランプ装置３は、図２に示すように、ＥＦコイル２を互いで上下方向に挟み込むクランプ３１，３３と、クランプ３１とクランプ３３とを連結してクランプ３１及び３３にＥＦコイル２を挟み込むための締付力を付与するテンションロッド３４と、クランプ３１を各支持座１２ｆに支持する一対の支持板バネ３２とを備えている。

クランプ３３は、略矩形の平板状を呈しており、前縁部及び後縁部からはそれぞれ延出板３３１が延出している。延出板３３１は、クランプ３３の前後の側面の下端部から前後方向に延びており、下面をクランプ３３の下面と一致させ、先端側にかけて上面を下降傾斜させて徐々に肉薄にする断面形状を有している。

各延出板３３１は、クランプ３３の前側の延出板３３１から後側の延出板３３１にかけてのクランプ３３の下面で挟み込んだＥＦコイル２の上面の左右の縁部（ＥＦコイル２の上面の内縁及び外縁）に、その左右の縁部を向かい合わせる平面形状を有している。

クランプ３３の左右の両端部には、テンションロッド３４を挿通する複数（図に示す例では４つ）の挿通孔３３２が、前後方向に等間隔で直線状に配列されている。左右の各挿通孔３３２は、向かい合う縁部の挿通孔３３２と前後位置を揃えて配置されており、上端に拡開部を備えている。

クランプ３１は、クランプ３３よりも広い左右の幅を有した略矩形の平板状を呈しており、クランプ３３と同様に前後の縁部から延びた延出板３１１と、テンションロッド３４を挿通する挿通孔３１２とを備えている。挿通孔３１２は、上端から下端にかけて等しい径で延びている。挿通孔３１２よりも外側に位置するクランプ３１の左右の端部には、それぞれ支持板バネ３２が固定される。

支持板バネ３２は、主面を左右に向けて上下方向に延びた平板状の板バネ部３２２と、板バネ部３２２の上下の両端部に備えられて前後方向に延びた略四角ブロック状の固定部３２１とを備えている。板バネ部３２２の前後の両側面の左右方向の中央部には、板バネ部３２２を前後方向に貫通した貫通孔３２３が、板バネ部３２２の上端部から下端部にかけて直線状に延びて開口している。支持板バネ３２の下側の固定部３２１はクランプ３１の左右の端部に、上側の固定部３２１は支持座１２ｆにそれぞれ固定される。

テンションロッド３４は、上下の両端部に拡径部を備えた丸棒状を呈しており、上側の拡径部には頭部３４ａを、下側の拡径部には雄ネジ部３４ｂをそれぞれ備えている。テンションロッド３４は、上下の各拡径部を挿通孔３１２及び挿通孔３３２にそれぞれ挿通させて、頭部３４ａを挿通孔３３２の拡開部に収容され、挿通孔３１２の下端開口部から延出した雄ネジ部３４ｂにナット３５（図３参照）を螺着されて、クランプ３１とクランプ３３とを連結する。

図３は、クランプ３１及び３３でＥＦコイル２を挟み込んで支持する支持方法を説明する図である。図４は、クランプ３１及び３３でＥＦコイル２を挟み込む際に用いられる圧力緩和板４を示す図であり、（ａ）は斜視図，（ｂ）は平面図，（ｃ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、圧力緩和板４の断面形状を説明する図である。

図３に示すように、クランプ３１及び３３は、それぞれ圧力緩和板４を介してＥＦコイル２を上下方向に挟み込んで支持する。クランプ３１及び３３とＥＦコイル２との間に介装される圧力緩和板４について説明する。

クランプ３３とＥＦコイル２との間に介装される圧力緩和板４は、図４に示すように、クランプ３３の前端側の延出板３３１の前縁から後端側の延出板３３１の後縁にかけてのＥＦコイル２の上面形状とほぼ等しい平面形状を有した平板体であり、クランプ３３と同じ材質で形成されている。圧力緩和板４は、最も肉厚を有した肉厚部を左右の幅方向の中央部に備え、この肉厚部から左右の両端にかけて上面を下側に後退させて傾斜させ、徐々に肉薄にする断面形状を有している。

本実施形態では、圧力緩和板４の上面は、テンションロッド３４から締付力を付与されたクランプ３３が、圧力緩和板４の肉厚部との当接箇所を支点として撓ませた下面の断面形状と一致する断面形状を有して湾曲傾斜している。具体的には、図５に示すように、圧力緩和板４の肉厚部の上面を原点０，この原点０を通って圧力緩和板４の下面と平行に延びる軸をＸ軸として、Ｘ軸に対する上面の下面側への後退量（距離）δが、以下の（式１）で表される関係を満たすように定められる。
δ＝Ｗ（３Ｌｘ^２−ｘ^３）／（６ＥＩ）・・・（式１）
ここで、Ｗ：テンションロッド３４からクランプ３３に付与される締付力，Ｌ：クランプ３３に対する締付力の付与位置の原点０からのＸ軸上での距離，ｘ：圧力緩和板４の上面の原点０からのＸ軸上での距離，Ｅ：クランプ３３のヤング係数，Ｉ：距離ｘでのクランプ３３の断面二次モーメントである。なお、図５では、圧力緩和板４の肉厚部から左側の断面形状について説明しているが、左側の断面形状も右側と同様の条件で定められる。

また、クランプ３１とＥＦコイル２との間に介装される圧力緩和板４は、クランプ３１の前側の延出板３１１の前縁から後側の延出板３１１の後縁にかけてのＥＦコイル２の下面形状とほぼ等しい平面形状を有しており、左右の幅方向の中央部に位置する肉厚部から両端にかけての下面を、上述したクランプ３３とＥＦコイル２との間に介装される圧力緩和板４の上面と同様の条件で定めた断面形状に形成されている。

次に、圧力緩和板４を用いてＥＦコイル２を挟み込むクランプ装置３の動作を、図６を用いて説明する。

図６（ａ）に示すように、クランプ３１の下方に突出したテンションロッド３４の雄ネジ部３４ｂにナット３５が螺着されると、クランプ３１及び３３には、テンションロッド３４の頭部３４ａ及びナット３５から互いが近づく向きの締付力が付与される。テンションロッド３４の頭部３４ａ及びナット３５から締付力を付与されたクランプ３１及び３３は、圧力緩和板４を介してＥＦコイル２を上下方向に挟み込むと、図６（ｂ）に示すように、圧力緩和板４の肉厚部との接触箇所を支点として、締付力を付与された方向に左右の両端側を撓ませる。

テンションロッド３４の雄ネジ部３４ｂに対するナット３５の締付量が、ＥＦコイル２の運転時に、冷却及び鉛直方向電磁力荷重によって、ＥＦコイル２、クランプ３１，３３、圧力緩和板４の間に空隙が生じるのを防止できる所定の締付量に達すると、クランプ３１及び３３は、圧力緩和板４を介してＥＦコイル２を挟み込む上面及び下面を、向き合わせた圧力緩和板４の湾曲傾斜した上面又は下面に沿わせて湾曲させる。これにより、圧力緩和板４の肉厚部を支点として撓んだクランプ３１及び３３が、接触した圧力緩和板４の上面又は下面の左端から右端のほぼ全面に、接触面を密着させる。

本実施形態によれば、肉厚部から左右の端部にかけて徐々に肉厚を薄くする断面形状を有した一対の圧力緩和板４が、平坦面をＥＦコイル２側に向け、傾斜面をクランプ３１，３３側に向けて各クランプ３１，３３とＥＦコイル２との間に介装されることで、クランプ３１及び３３の圧力緩和板４との接触面を、圧力緩和板４の肉厚部との接触箇所を支点として撓ませ、圧力緩和板４の傾斜面の形状に沿わせて湾曲させることができる。従って、ＥＦコイル２の左右の両端部だけでなく中央部にも表面圧力を分散させて加え、ＥＦコイル２に加えられる表面圧力の最大値を小さく抑えることができる。

また、本実施形態によれば、クランプ３１，３３側を向いた圧力緩和板４の傾斜面が、ＥＦコイル２、クランプ３１，３３、圧力緩和板４の間にＥＦコイル２の運転に伴い空隙が生じるのを防止できるだけの締付力を加えられて撓んだクランプ３１，３３の傾斜面への接触面と等しく湾曲傾斜していることから、ＥＦコイル２の左右の両端部間に、表面圧力をより効果的に分散させることができる。

以下、本発明の実施例を説明する。図７は、クランプ３１，３３で挟み込まれたＥＦコイル２の上下の表面に加わる表面圧力の左右の幅方向での分布を示す図である。図８は、圧力緩和板４の断面形状とＥＦコイル２の上下の表面に加わる最大表面圧力との関係を比較して示す図である。

まず、クランプ３１，３３に締付力を付与してＥＦコイル２を挟み込む際に、クランプ３１，３３とＥＦコイル２との間に圧力緩和板４を介装した実施例と、圧力緩和板４を介装せずにクランプ３１，３３で直接ＥＦコイル２を挟み込んだ比較例とで、ＥＦコイル２の上下の表面に加わる表面圧力の左右の幅方向での分布を、有限要素法を用いて解析した。解析結果を図７に示す。

図７に示すように、クランプ３１及び３３でＥＦコイル２を直接挟み込んだ比較例では、ＥＦコイル２の左右の両端部に大きな表面圧力が加えられ、左右方向の中央部にはほとんど加えられていないことを確認できる。これに対し、圧力緩和板４を介装させた実施例では、ＥＦコイル２の左右の両端部間に表面圧力が分散して加えられており、左右の両端部に比較例ほどの大きな表面圧力が加えられていないのを確認できる。

このように、クランプ３１及び３３とＥＦコイル２との間に圧力緩和板４を介装させてＥＦコイル２を挟み込むことで、クランプ３１及び３３でＥＦコイル２を直接挟み込む場合に比べ、ＥＦコイル２の左右の両端部間に表面圧力を分散させて、左右の両端部に加えられる最大表面圧力を小さく抑えられるのを確認できた。

次に、圧力緩和板４のクランプ３１，３３との接触面の断面形状と、ＥＦコイル２に加わる最大表面圧力との関係を、有限要素法を用いて解析した。解析には、図８（ａ）に示すように、原点からＸ軸方向に向けてのクランプ３１，３３との接触面の断面形状を平坦に形成した圧力緩和板４０ａ，及び曲面１〜曲面４に形成した圧力緩和板４０ｂ〜４０ｅを用いた。解析結果を図８（ｂ）に示す。

図８（ｂ）に示すように、クランプ３１，３３との接触面が平坦な圧力緩和板４０ａでＥＦコイル２の最大表面圧力が最も大きく、肉厚部の左右の幅が徐々に狭くなる曲面１〜曲面３の順で最大表面圧力が小さくなり、締付力を付与されて撓んだクランプ３１，３３の接触面と等しく傾斜面を湾曲傾斜させた曲面３で最大表面圧力が最も小さくなることを確認できる。また、締付力を付与されて撓んだクランプ３１，３３の接触面よりも傾斜面を大きく湾曲傾斜させた曲面４では、曲面３に比べて最大表面圧力が大きくなることを確認できる。

このように、締付力を付与されて撓んだクランプ３１，３３の接触面の断面形状に圧力緩和板４の断面形状を近づけることで、ＥＦコイル２の左右の両端部間に表面圧力を効果的に分散させて、ＥＦコイル２に加えられる最大表面圧力を小さく抑えられるのを確認できた。また、ＥＦコイル２側に撓んだクランプ３１，３３の接触面と等しく圧力緩和板４の傾斜面を湾曲傾斜させることで、このような効果をより効果的に得られることを確認できた。

上記実施形態では、圧力緩和板４が備える傾斜面の平坦面側への後退量（距離）を、（式１）で表される関係を満たすように定めた場合について説明した。しかしながら、圧力緩和板４は、最も肉厚を有した肉厚部から左右の両端部にかけてクランプ３１，３３との接触面を傾斜させて、徐々に肉厚を薄くする断面形状を有しており、平坦面をＥＦコイル２側に向け、傾斜面をクランプ３１，３３側に向けて介装されるのであれば、その傾斜面の断面形状は任意である。

例えば、上述した例では、上記（式１）で定める関係の他に、ＥＦコイル２等の冷却収縮やＥＦコイル２に生じる鉛直方向電磁力荷重等を必要に応じて考慮して、締付力を付与されてＥＦコイル２側に撓んだクランプ３１，３３の接触面と等しく傾斜面を湾曲傾斜させることができる。

また、上記実施形態では、圧力緩和板４の肉厚部が、左右方向の中央部に設けられている場合について説明したが、肉厚部の形成位置は中央部に限られず、左右方向の任意の位置に定めることができる。

上記実施形態では、圧力緩和板４をクランプ３１，３３と同じ材質で形成した場合について説明したが、圧力緩和板４の材質はクランプ３１，３３と同じである必要はなく、クランプ３１，３３と異なる材質で形成してもよい。この場合、クランプ３１，３３と圧力緩和板４の間の熱収縮差により生じる空隙を抑えるように、圧力緩和板４の傾斜面を湾曲傾斜させることで、表面圧力の集中を避けることができる。

また、上記実施形態では、クランプ３１，３３の左右の両端部に形成された挿通孔３１２，３３２が、前後方向に等間隔で直線状に配列されている場合について説明した。しかしながら、図９に示すように、各挿通孔３１２，３３２が、クランプ３１，３３に挟持されるＥＦコイル２の上面又は下面の左右の縁部に沿って配列されている構成としてもよい。

本発明の一実施形態の核融合装置が備えるＴＦコイルの斜視図である。核融合装置が備えるクランプ装置の外観を示す斜視図である。クランプでＥＦコイルを挟み込んで支持する支持方法を説明する図である。クランプでＥＦコイルを挟み込む際に用いられる圧力緩和板を示す図である。圧力緩和板の断面形状を説明する図である。圧力緩和板を用いてＥＦコイルを挟み込むクランプ装置の動作を説明する図である。クランプで挟み込まれたＥＦコイルの上下の表面に加わる表面圧力の左右の幅方向での分布を示す図である。圧力緩和板の断面形状とＥＦコイルの上下の表面に加わる最大表面圧力とを比較して示す図である。クランプが備える挿通孔の配置方法の変形例を説明する図である。

符号の説明

１ＴＦコイル
１２ａ〜１２ｆ支持座
２ＥＦコイル
３クランプ装置
３１，３３クランプ
３１２，３３２挿通孔
３２支持板バネ
３４テンションロッド
４圧力緩和板

Claims

核融合装置用のプラズマ平衡磁場コイルを挟んで一対のクランプを配置し、各前記クランプの前記プラズマ平衡磁場コイルの長手方向と垂直な方向への延出部分に締付力を付与して、前記プラズマ平衡磁場コイルを挟み込み、トロイダル磁場コイルに対して前記プラズマ平衡磁場コイルを支持するプラズマ平衡磁場コイルの支持構造であって、
各前記クランプの両前記延出部分間に配置されて各前記クランプと前記プラズマ平衡磁場コイルとの間に介装される一対の圧力緩和板を備え、
前記圧力緩和板は、最も肉厚を有した肉厚部から、前記クランプの前記延出部分の延出方向の両端部にかけて一主面を傾斜させて徐々に肉厚を薄くする断面形状を有しており、平坦な他主面を前記プラズマ平衡磁場コイル側に向け、前記一主面を前記クランプ側に向けて介装されることを特徴とするプラズマ平衡磁場コイルの支持構造。
前記圧力緩和板の前記一主面は、前記クランプ側を向いた前記圧力緩和板の傾斜面が、前記プラズマ平衡磁場コイル、一対の前記クランプ、前記圧力緩和板の間に前記プラズマ平衡磁場コイルの運転に伴い空隙が生じるのを防止できるだけの締付力を付与されて前記プラズマ平衡磁場コイル側に撓んだ前記クランプの前記一主面への接触面と等しく湾曲傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ平衡磁場コイルの支持構造。
前記圧力緩和板の前記肉厚部は、前記クランプの両前記延出部分間の中央部と向かい合う前記圧力緩和板の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ平衡磁場コイルの支持構造。