ヒートシールドの電磁力解析○本間 寛人 A)
A)

量子科学技術研究開発機構（量研） 那珂研究所 先進プラズマ実験グループ

1.はじめに
図 1 に示す JT-60SA[1]は世界最大の超伝導トカマ
ク型装置であり，高いプラズマ電流で高温・高密度のプラズマを長時間維持する運転を行うことを目的とする．プラズマを制御するため，クライオスタッ
トのポートからプラズマに向かって，計測器を内蔵するポートプラグと呼ばれる長尺な構造材を挿入し，
図 2 に示すようにポートプラグ先端の観測窓を通してプラズマの計測を行う．観測窓前面にはグロー放電による壁コンディショニング中などの非計測時に，

図 1

JT-60SA のデザイン[2]観測窓への不純物の付着を防止するためのシャッター機構が取り付けられている．シャッター駆動部はプラズマからの熱放射によって高温となり機能を失う恐れがあるが，この箇所には水冷機構を設けることが構造的に難しい．そこで，駆動部を保護するために図 2 のようにヒートシールドを設置することも一案であるが，ヒートシールドは熱以外の外力にも耐える構造とする必要がある．トカマク型装置ではしばしばプラズマ電流が急激（~ ms）に消滅する現象（ディスラプションと呼ぶ）が発生し，消滅のタ
イムスケールから非常に大きな電磁力が構造物にかかる．一般に電磁力対策の設計では板の肉厚を増し
[3]

[4]

たり ，スリットを設けたりする ことで電磁力・応

図 2

ポートプラグ先端部に設けられたシャッター機構部を保護するヒートシールド力を低減する手法が採られるが，そのスリット自体の為に力学的構造が弱くなる．したがって，ヒートシールドの設計ではスリットを設けて電磁力を低下させるとともに，リブを工夫して設けることで力学的構造を強化し，電磁力に耐えられる構造となるだ
ろうと考えられる．
2.電磁力・構造解析のモデル
ディスラプションによるプラズマ消滅時のシミュ
レーションは DINA コード[5] によってなされ，5.5MA のプラズマ電流が 4 ms で減衰することを想定している．この条件を構造計算モデルに入力した．図3 に構造計算の解析モデルを示す．図 1 で示した JT60SA の内部構造を模擬し，プラズマ電流の他，CS，
EF と TF コイル，さらに安定化板，真空容器および図 2 に示したポートプラグとヒートシールドが解析

図 3

解析モデル

モデルに含まれる．ヒートシールドは厚み 3 mm，幅372 mm，長さ 144 mm，高さ 76 mm で，板を折り曲げて溶接する構造としている．
プラズマ電流は図 3 に示す円形断面内に一様に分布すると仮定し，前述のとおり 5.5 MA から 4 ms で減衰させる．この急激なプラズマ電流の消滅により，安定化板，真空容器，ポートプラグやヒートシール
ドに渦電流 j が誘起され TF コイルおよび EF コイルによる磁場 B と結合して電磁力 F = j x B が生じる．
ここではこの電磁力を汎用有限要素法解析プログラ
ム ANSYS APDL によって解析を行った．
計算された電磁力による応力をヒートシールドの材料である SUS304 材の設計応力と比較する．すな
わち，ANSYS APDL によるトレスカ応力を，ここでは ヒ ー ト シ ー ル ド の 温 度 を 200 度 と 仮 定 し て
SUS304 材の降伏応力 144 MPa の 1/1.5 の値である

図 4(a)渦電流の分布と(b)電磁力の分布

96 MPa を設計応力（Sm 値）と比較する．設計応力を超える場合には膜応力成分 Pb と曲げ応力成分 Pmに分解し，Pb≦Sm，Pb+Pm≦1.5Sm にて評価を行う．
3.ヒートシールドに対する電磁力解析結果 1：スリットがない場合
図 4(a)にヒートシールドに発生する渦電流の解析結果を示す．同図に示すように XYZ 軸を設定したとき，プラズマ電流は＋Z 軸方向から見たときに時図5計回りに流れている．したがってディスラプションによるプラズマ電流の急激な減衰によってヒートシールド中には＋Z 方向の磁場が過渡的に生じ，反時計回りに渦電流 j が発生する．図 4(a)に示すように

青矢印：端部 3 カ所，黒矢印：中央部 2 カ所
表 1

ヒートシールド（スリットがない場合）の各領域での渦電流と電磁力渦電流は，ヒートシールドを貫く磁束が最も多い電流ループとなるヒートシールドの周辺部で流れる電流が大きくなる．図 4(b)に電磁力の解析結果を示す．
TF コイルと EF コイルがつくる磁場 B は－Y 向きに存在するので，電磁力の方向は±Z 向きに分布する．

ヒートシールドの固定領域

渦電流 [kA]

電磁力 [N]A

3.13509BC

2.84
1.45752199

ヒートシールドは図 5 に青矢印で示す端部と黒矢印で示す中央部で固定されているが，赤の領域は片持ち構造となっている．よって，ここでの強度設計では領域 A，領域 B，および領域 C にかかる+Z 向きに分布する電磁力の低減が重要である．各領域断面（図4(a)中の赤破線部）に流れる渦電流，および各領域に働く電磁力を表 1 に示す．渦電流は領域 A で 3.13kA，領域 B で 752 N であり，各領域に働く力をヒートシールドに加えると，図 6 で示すように広い範囲で設計応力を超えるので，このままではディスラプション時に損壊する恐れがある．

図6

各領域に働く電磁力を与えた時のヒートシールドに働くトレスカ応力（設計応力を超える領域を赤で示す）

4.ヒートシールドに対する電磁力解析結果 2：スリッ
トがある場合ヒートシールド中を周回する電流成分を低減させるため，図 5 の青実線部で示す位置にスリットを設ける．また，黄一点鎖線部にもスリットを設ける．
A 領域と B 領域に分けるスリットは側面を流れる渦電流のピーク付近とし，B 領域と C 領域に分けるスリットは 2 つの黒矢印固定部中央とした．また，黄一点鎖線部のスリットはヒートシールド固定ボルト

図7

スリットを切ったヒートシールド

図 8(a)渦電流の分布と(b)電磁力の分布の中央部に設け，各ボルトが支える領域が均等になるように分割している．４本のスリットは，プラズマの熱放射によるヒートシールド内部への入熱が小さくなるようになるべく細い幅とするのがよい．機械加工の都合から幅 3 mm とし，図 4(a)で示すように，渦電流が 1/1000 となる領域まで切断するため，各 100 mm としている．図 7 にスリットを切ったヒートシールドを示す．
図 8(a)にヒートシールドに発生する渦電流の解析結果を示す．スリットによって渦電流の流れが遮られ，スリットに沿って回り込むような流れがみられる．図 8(b)に電磁力の分布を，表 2 に各領域の断面（図 8(a)中の赤破線部）に流れる渦電流，および各領域に働く電磁力を示す．スリットなしの場合に最大となっていた領域 A の渦電流は 1.45 kA，領域 B での電磁力は最大 142 N となっており，それぞれスリットありの場合とに比べて減少した．同様に他の領域でも減少している．スリットを設けることで渦電流を減少させ，電磁力を低減できる見通しが得られ

表 2ヒートシールド（スリットがある場合）た．しかし，応力評価を行うと図 9 中の赤色で示すの各領域での渦電流と電磁力ように，まだ中央部と角部で設計応力を超える．

領域

渦電流 [kA]

電磁力 [N]

5.ヒートシールドに対する電磁力解析結果 3：スリッA
B

1.45
1.03335
142

C0.5565.6

トが有りかつリブ有りの場合
図 6 に示す解析結果から主に領域 A および領域 Bの応力を低減させる必要がある．ヒートシールドに加わる力は+Z 方向に作用するため，格子上のリブを設けて曲げ方向に対する断面係数を大きくする方法が有効である．一方，リブの追加によってさらなる渦電流の増加は最小限に抑える必要がある．これらの条件から，Y 方向のみリブを設けることとする．
また，図 9 の応力分布から応力の大きな領域 A にはリブを 4 か所，領域 B にはリブを 3 カ所設ける．領域 C では電磁力は十分に小さいのでリブを設ける必

図9

各領域に働く電磁力を与えた時の要はない．図 10 にリブを設けたヒートシールドを示

ヒートシールドに働くトレスカ応力す．図 9 に示したようにリブがない場合，応力の最（設計応力を超える領域を赤で示す）

大値は 680MPa であるので，断面係数を約 7 倍以上増加させることによって設計応力である 96 MPa 以下が達成可能となる．また，溶接性やその他構造物との干渉の都合から，リブ厚，高さ，間隔をそれぞれ 5 mm，30mm，および最小 25 mm とした．図 11に示すように，リブを設けたモデルでは応力はヒートシールドの角部で最大となる．設計応力を超えるため，膜曲げ成分に分解して再度評価を行うと，表3 に示すように膜応力成分 Pb と曲げ応力成分 Pm は，Pb≦Sm，Pb+Pm≦1.5Sm を満たすため，設計条件を満足することが確認された．
6.まとめ

図 10

構造強化したヒートシールド

プラズマの熱放射からシャッター機構部を保護するため，ヒートシールドの構造設計を行った．ヒートシールドにはディスラプション時に発生する渦電流のため電磁力がかかり，これによって損壊する．
これを防ぐためにヒートシールドにスリットを設けると渦電流が最大で 64 %減少し，電磁力が最大で81 %減少したが，生じる応力は設計応力を超えることが判明した．そこで，渦電流の流れ方，電磁力のかかり方を考慮してリブを磁場と平行な方向に設けることによって生じる応力を設計応力以下に抑えることに成功した．

図 11

各領域に働く電磁力を与えた時のヒートシールドに働くトレスカ応力（設計応力を超える領域を赤で示す）

今回の設計では，電流が流れる経路をスリットによって妨害することで，電磁力が低減されることが表3示された．一方で，スリットの位置や角度について膜（Pm）

膜＋曲げ（Pm+Pb）

パラメータスキャンを行っていないため，最適なス

Sm (=96MPa)

1.5Sm (=144MPa)

リットの形状・配置は得られたとは言えない．電磁17MPa

46MPa

力低減は他の機器設計でも共通の課題であるため，最適な形状・配置を得る手法の確立が重要である．
参考文献[1] P.Barabaschi, Y.Kamata, H.Shirai, et al., Progress of
the JT-60SA project, Nucl. Fusion 59 (2019).
[2] Fusion for energy, “JT-60SA Design, 2020,
https://fusionforenergy.europa.eu/news/europe-andjapan-complete-jt-60sa-the-most-powerful-tokamak-inthe-world/, (参照 2020-6-25)[3] S.Yamamoto, et al., Design of stabilizing plate of JT60S, Fusion Eng. Des., 168(2021)[4] K.Weishan, et al., Electromagnetic analyses andoptimization for slit configuration of ITER blanket shieldblock, Fusion Eng. Des., 109-111(2016)[5] M. Takechi, S. Sakurai, K. Masaki, et al., Disruption
simulation for JT-60SA design and construction
Fusion Eng. Des., 146 (2019)

角部での応力評価