プラズマ・核融合学会第29回年会

2013年8月30日 つくば	
(2012.11.27-30 ＠福岡県春日市)JT-60SA機器組立と製作および	プラズマ対向機器の開発の進捗状況	
原子力機構 櫻井 真治	

１．組立の進捗状況	
２．主要機器の製作状況	
３．ダイバータの製作、開発の状況	
1	

1.1 2013年1月より本体組立を開始	
2013年1月までに、22件（全コストの85％）のPA（調達取り決め）を締結	
Year	 2007	 2008	 2009	 2010	 2011	 2012	 2013	 2014	 2015	 2016	 2017	 2018	 2019	 2020	
建設	
運転	準備	

解体	実験	

組立	試験	

総合試験		  JT-­‐60U	  解体・収納を完了 =>	  JT-­‐60SA	  本体組立を開始	
2012 Oct.	

2013 Jan.

日本で初めての放射化した大型核融合装置の解体	
放射化物の取扱、作業安全の確保など、詳細な記録を	将来の核融合開発へのノウハウとして収集した。	

2013 Mar.

クライオスタットベース	（CIEMAT）	

2	

1.2 JT-60SAの組立手順	
●日欧で分担して製作した機器を那珂研で組立	
●最初の組立として、欧州からのクライオスタットベース（真空断熱容器の	基礎）をH25年1月から据付開始（JT-60SA組立開始）	
ポロイダル磁場コイル	

解体終了	
(H24.10)	

クライオスタットベース	

真空容器 40度セクター	

JT-60SA	（H31.3）	
周辺機器	の設置	組立開始	
(H25.1)	

クライオスタット	
ベース(約260トン)	

下部ポロイダル	
磁場コイル(約100トン）	

真空容器	
(約260トン）	

トロイダル	
上部ポロイダル	
磁場コイル(約380トン）	 磁場コイル(約170トン）	

クライオスタット	
(約550トン）	

3	

1.3 クライオスタットベース組立	

那珂研への搬入	

下部構造の設置	

Y	

二重リングの設置精度	

+1.11mm	
+0.0153 deg.	

CB assembled	

X	

-X	

Ideal to the building	-0.69mm	-Y	

既設NBIとの取合いに十分な精度	

4	

2.1 超伝導ポロイダル磁場コイルの製作	
4.4	  m	  超伝導導体製作棟	
（那珂核融合研究所）	

超伝導導体製作：順調	  EF導体(NbTi)	  55%、	  CS導体(Nb3Sn)	  25%	  	  を製作。	  

超伝導コイル巻線棟	
（那珂核融合研究所）	

１体目(EF4 )コイル完成	
コイル電流中心の真円度=0.6mmを実現 （要求値6mmの1/10)	

最初のCS4層パンケーキ巻線完了	  那珂研所のコイル巻線棟で、大型のEF5コイルとEF6コイルを製作中	  =>年内に完成して来年初頭に	  	  EF４＆５＆６を本体室に搬入予定	

EF5&6	  manufacture	  started	  in	  JAEA	  Naka	  12	  m	  CSモデルコイル試験:	  6月(30kA,	  3T)	  	  (JAEA/NIFS共同研究)	  5	

2.2 真空容器の製作	
真空容器40度セクター：６体、2４0度分の製作完了。残り４体はH26年3月までに完成予定。	

インボード部とアウトボード部の現地溶接接続・組立

那珂核融合研究所
真空容器組立棟

実験棟に搬入真空容器ポート：  120度分18体の製作を完了。
残り240度分37体を製作中。
真空容器支持脚：
H24年3月に製作契約
24年度：製作設計を実施
25年度：製作開始
4体目	

5体目	

ポートベローズ：
４３体の製作を完了。
H26年3月末までに、残り12体の納入予定。

6	

3.1 JT-60SAダイバータの目標	
（１）定常・高ベータプラズマでの熱粒子制御	
・高形状因子配位が可能なダイバータ形状	
・Ｖコーナー付き垂直ターゲット	＋不純物ガスパス	
＋ＶＶ内クライオパネル（～100m3/s、多段階可変）	

Particle flow	（２）ＩＴＥＲ＆原型炉への貢献	
・機動性を駆使したITER実験のパスファインダー	（従来型のダイバータ概念、形状や材料の変更が可能）	
・中型装置、ITERとの装置間比較	（サイズの違い、壁材料の違い）による外挿性向上	
・シミュレーションとのベンチマーク、	基礎実験装置との比較による外挿性向上	
0.3-1MW/m2	
10MW/m2	
点線部はVV内で	タイル交換可能	

0.3-1MW/m2	

2MW/m2			

pumpingfuelling

15MW/m2	
7	

3.2 JT-60SAダイバータの特徴、課題	
高形状因子配位での熱粒子制御	
⇒内側ダイバータ空間を削減、Ｖコーナー付き垂直ターゲット（外側ダイバータ）、	VV内クライオパネルによる高排気速度（～100m3/s、１日毎の多段階制御）	
ダイバータ形状、プラズマ対向材（表面）の段階的な改良が可能	⇒プラズマ対向部をモジュール化（部分的に交換、変更）	
ボルト固定アーマタイル（部分的に交換、変更、一部タイルを取り出して表面検査）	
41MW加熱パワーの除熱	⇒プラズマ対向部は全面水冷	
内外ダイバータ板は（将来的には）モノブロックターゲット	
遠隔保守対応	⇒ダイバータカセット方式、配管の切断＆溶接ツール開発	

設計上の制約	
ダイバータ部に大型ポートが無い	⇒冷却水などの導入は小型垂直ポート使用	
カセットの搬入出は大型水平ポート使用	
既存設備の再利用と一部改造、建屋空間の制限	
⇒冷却水温は100℃未満	
8	

3.3 ダイバータカセットの製作	
10度	

炭素タイル	

B

全36台が完成	

水冷ヒートシンク	

（炭素タイルとセンサ取付、一部配管接続等を除く）	

カセット設置面（A,B）に対する、ヒートシンク表面の組立精度	
A

カセットフレーム
および配管	

800kg	

1.7m	
ダイバータカセット（36台）	

内側ダイバータ板≦±0.3mm	
外側ダイバータ板≦±0.5mm	
タイルのテーパー、角Ｒで想定した許容精度（±0.8mm）を満足。	
9	3.4 モノブロックターゲットの製作（１）	
41MW加熱x100秒放電では、10MW/m2（内側）～15MW/m2（外側）の除熱能力が必要	
CuCrZr管	⇒CFCモノブロックターゲットが必要	
緩衝層	
CFC	
CFCモノブロック	（初期は外側の一部のみ：100体製作）	
⇒ロウ付け後の急冷と熱収縮差により	 銅合金製冷却管	
CFCとの接合面に欠陥が生じ易い。	
接合欠陥	

モノブロックターゲット	

量産へのシナリオ	
除熱性能の評価	

製作方法の改良	

効率の良い除熱性能検査	
製作方法への反映	

赤外画像検査（温水⇒冷水切替時の表面温度応答から評価）をJT-60SA向け改良	
熱負荷試験（熱負荷に対する表面温度から評価）｛震災等によるマシンタイムの制限のため、量産品への実施を先送りした｝	

ギャップ、公差管理の見直し	
CFC側への前処理（メタライズ⇒Tiコート）	
緩衝層材料変更（OFCu⇒WCu）	
ロウ付け条件最適化、CFC形状変更	
治具改良、部品管理改善	

10	

3.5 モノブロックターゲットの製作（２）	
JT-60SA（スクリュー管採用）に適した赤外画像検査方法の開発	
冷却時定数（～2秒）に対して、流路毎の冷水立ち上がり

温度	   ~	  2	  sec	  タイミングのバラツキ（0.1～0.2秒）が無視できない。	
90℃	
線上の平均温度	   基準ブロックと検査ブロックの表面上の5箇所で、90℃か60℃	
τref	  時間	   ら60℃の冷却時間から求めた正規化冷却時間を用いて

τtest	  95℃	  

除熱性能を評価する。	  

100	
[℃]	

赤外線カメラ	* フレーム速度 30Hz	

基準ブロック	  (無欠陥)	  p2	 p3	 p4		

80	

p1		

5℃	  赤外線カメラ	  撮影方向	

検査ブロック	  温水、冷水の通水方向			p5		鏡	  60	40	

温水、冷水の	  通水方向	

鏡	  熱負荷面の側面は、	  鏡像から計測	

τtest	  正規化冷却時間 = 	τref	  

冷却時間の測定に影響する要因（流速、初期温度と輻射率補正、雰囲気温度、冷水の水温上昇、CFCブロック熱容量バラツキなど）を評価して、対策および補正した。	
11	

3.6 モノブロックターゲットの製作（３）	
除熱性能の合否判定の基準の当初の考え方	
100体全て熱負荷試験＆赤外画像検査	
⇒熱負荷試験で最高表面温度≦ＸＸＸＸ℃（例えば、無欠陥時の1.X倍）を合格とする。	
⇒100体分の熱負荷試験結果と赤外画像検査結果の対応関係および10種類の	人工欠陥試験体でのベンチマークから、将来の赤外画像検査の合格基準を決定する。	

震災によるマシンタイムの制限や、データ解析に相当の時間が必要なことが判ったため、熱負荷試験での全数の合否判定は現実的では無かった。		
赤外画像検査で一旦、全数の合否判定を行い、判断が難しい物については後日、熱負荷試験で確認する。	
赤外画像検査の合否判定基準をどの様に決めるか？	
事前に、100種類もの人工欠陥試験体を用意してベンチマークすることは非現実的	

⇒10種類の人工欠陥試験体を用いたFEMモデルと赤外画像試験、	熱負荷試験のベンチマークにより、妥当性を確認したFEMモデルを用いて	数100種類の接合欠陥分布に対する赤外画像検査（冷却時間）と	熱負荷試験（最高表面温度）のデータベースを作成して、判定基準を決定	
12	

3.7 モノブロックターゲットの製作（４）	
FEMモデルの物性値：ITER用データ等を使用。	
スクリュー管の熱伝達率：赤外画像検査（低壁温、一様）、熱負荷試験（高壁温、非一様）の	双方に良く一致するモデル（Petukhovの式×1.7）を採用	

正規化冷却時間	

赤外画像検査とのベンチマーク例	  Θ	  =	  0	  °⊿θ	  =	  80	  °欠陥厚さ 2	  mm	

1.80	
1.70	
1.60	
1.50	
1.40	
1.30	
1.20	
1.10	
1.00	
0.90	

FEM	
実験	

Θ	  =	  90	  °⊿θ	  =	  80	  °	  欠陥厚さ 2	  mm	

1	2	3	

計測位置	4	

熱負荷検査とのベンチマーク例	
欠陥条件	

最高表面温度 [℃]	⊿θ[°]	

厚さ [mm]	

FEM 	

実験	

FEM	

実験	

0	0	0	1750	

1800	

1.00	

1.00	0	80	2	3500	

2000 以上	

2.00	

1.11 以上	

90	80	2	1860	

1900	

1.06	1.06	

*正規化最高表面温度 =	  	検査ブロックの最高表面温度	
無欠陥の最高表面温度	

Θ p3			
⊿θ	p2	

p4				

正規化最高表面温度	

Θ[°]	

5		p1	
欠陥	CFC	  	p5		

CuCrZr	   WCu	  既知欠陥加工試験体	

FEMモデル	13	3.8 モノブロックターゲットの製作（５）	
ベンチマーク済みFEMモデルを用いて、種々の接合欠陥分布（～200種類）に対する、冷却時間分布（赤外画像試験測定値）と予想最高表面温度（除熱性能）のデータベース作成	
接合欠陥分布	0°	

180°	

-180°	

p3(正面）で正規化冷却時間が最大の場合	

正規化冷却時間	

灰色部が接合欠陥	10MW/m2に対する正規化最高表面温度15MW/m2に対する判定基準も同様に決定	
ブロック位置による判定基準	
(2) (3) (4)(1)
バッチ	
10MW/m2 10MW/m2
目標性能	 許容限界	以上	
以上	

(~7MW/m2)
10MW/m2
目標性能以上	

15MW/m2
許容限界以上	

15MW/m2
目標性能以上	

10MW/m2
目標性能以上	

量産バッチの良品率（%）の推移	
計	

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	（１）	33	0	0	50	

20	10	10	10	0	0	22	86	

100	 39本	（２）	

0	0	15	40	

20	

10	0	0	15	17	11	

7	0	17本	（３）	

67	100	85	

10	35	55	

50	50	46	83	

56	

0	0	60本	

CFC形状変更	 部品管理改善など試行錯誤	
キーとなる要素を概ね同定	

要求性能を満たすターゲット100本以上を製作し、歩留まり改善の見通しを得た。先送りしていた熱負荷試験など実施中。	
14	

3.9 タングステン壁に向けた技術開発	
ダイバータカセット遠隔保守用マニピュレータの可搬重量の制限のため、	
JT-60SAでは、バルクWは部分的にしか使用できない。	
⇒モノブロックターゲットの製作方法と整合し、十分な耐久性を有する	
CFC表面へのW被覆または接合技術の確立が必須	
委託研究などを活用して、要素技術の試作を開始	
H24年度（九大）：厚肉（≧1mm）のW被覆の試作を実施。	

プラズマ溶射	CFCブロック（W溶射前）	

CFCブロック（W溶射後）	

H25年度（室蘭工大）：W板（≧1mm）とCFCブロックの接合試作を実施中。	
CFCロウ付け工程（1000℃のプリベーキング、ロウ付け温度からのガスクエンチ）への耐久性を確認後、短パルス熱負荷試験を予定。	
15	

まとめ	（１）2013年1月より本体組立を開始、3月にクライオスタットベース設置を完了	
（２）EF4の製作を完了、EF5,6及びCSを製作中	
（３）VV40度セクター６体の製作を完了。残り120度分（4体）を製作中	
（４）ダイバータカセットおよびモノブロックターゲットの製作を完了	
ターゲットの接合自体は改善された。熱負荷試験などを実施中。	
（５）カセット配管切断＆溶接装置の製作を完了	
溶接条件等の最適化等を検討中。	
（６）委託研究等を活用して、CFCへのW被覆・接合技術の開発を実施中	

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