S4-4
大型超伝導コイルの製作
Fabrication of Large Superconducting Coil小泉 徳潔
Norikiyo Koizumi
量研機構 ITERプロジェクト部 超伝導コイル開発Gr
Superconducting Coil Technology Group, Department of ITER Project, QST

２．TFコイルの製作方法
TF コイルでは，超伝導導体を巻線して含浸した巻線部（WP）とこれを格納する構造物（コイル容器）で構成されている（Fig.1）．Table 1に TF コイルの主要緒元を記す．TF コイルは，20 年に渡って安定に運転する必要があり，大電磁力に対する電気絶縁の機械的，電気的信頼性を高めるために，巻線して電気絶縁を施した導体をラジアル・プレート（RP）と呼ばれる D型の溝付きステンレス鋼板の溝に挿入して，カバー・プレート（CP）を被せて導体を固定する構造を採用している．詳細な TF コイルの構造については，[1]を参照されたい．
TF コイルの製作フローは，以下のとおりとなる．1) RP のセグメントを機械加工で製作し，最終組立前の 4 分割 RP セグメントまで組み立て，2) これと並行して，1 コイル当たり長さ 4.6
km の TF 導体を，高さ約 14 m，幅約 9 m の D型に数 mm の寸法公差を満足するように巻線し，3) 冷媒入口 部，ジ ョイ ント部 を取 付け， 4)
Nb3Sn 生成のための 650℃，100 時間以上の熱処理を行い，導体長を測定し，5) これに RP 溝の周長が合致するように，4 分割 RP セグメントの最終組立を行い，6) RP の溝に，ガラス・テープとポリイミド・テープを積層して巻き付け

9m

Sub-assemblies of coil case
(200ton)

16.5m

Winding pack(WP) (110ton)

InboardOutboar

１．はじめに
量子科学技術研究開発機構（量研機構；QST）
は、ITERにおける日本の国内機関として，ITER
トロイダル磁場コイル[1]（Fig.1：スペア1個を含み19個．以下，簡単のためにTFコイルと記す．）のうち9個のTFコイル，19個分のコイル容器の調達を担当している．TFコイルは，ITERの超伝導コイルの中でも最大の超伝導コイルであり，かつ，製作の難易度も最も高いコイルである．本稿では，TFコイルの製作方法，技術的課題を説明するとともに，その製作の進捗を報告する．

A pair of TF coils

Winding pack and coil caseCP hole to provide
resin to turn insulation Welding between
CP and RP teeth
Turn insulation

TFWP inboard
Regular double pancake(DP) ( 5 sets)

DP insulation
Radial plate(RP)Conductor
Cover plate (CP)Fig.1

RP groove toinsert conductor

Side DP (2 sets)

ITER TF coil and structures

Table 1Major parameters of ITER-TF coil
43.7 mmConductor outer diameter
39.7 mmCable diameter
SS316LN
Conduit material
18
Number of coils
7 (5rDPs + 2sDPs)
Number of DPs
760 m / rDP, 415 m /Conductor length in DPsDP
Nominal current
68 kA
Nominal field
11.8 Tた導体を挿入（トランスファー）し，7) 導体固定用の CP を被せ，CP を RP にレーザー溶接し，
8) ダブル・パンケーキ（DP）全体にガラス・テープとポリイミド・テープを積層して巻き付
け，9) 導体絶縁と DP 絶縁を同時に耐放射線性の樹脂で含浸し，10) 2 枚のサイド DP（sDP）と 5 枚の標準 DP（rDP）の合計 7 枚の DP を積層し，DP 間のジョイントを接続し，11) これらに耐放射線性の樹脂で対地絶縁を施して巻線部を製作し，12) 巻線部と並行してサブ・アッセンブリと呼ばれる 4 つのコイル容器セグメン
トも製作し，13) 巻線部とこれらのサブ・アッセンブリを組合せ，溶接，含浸することで，TFコイルとして一体化する．
３．TFコイル開発の主な技術課題
TF コイルの製作では，その大きさに関わらず，数 mm 程度の厳しい寸法公差が要求されており，主な技術課題[1-5]は，この厳しい寸法公差に起因する．以下に，これらの主な技術課題を記す．
1) 熱処理後の導体を RP 溝に挿入するトランス
ファでは，巻線及び熱処理によって導体長が伸縮するにもかかわらず，熱処理後の導体長とRP 溝の長さの差を±0.02%の高精度で管理する必要があった．RP の組立時に，巻線と熱処理による導体長の誤差を吸収する方法が考案された．しかし，本方法を採用しても，±0.05%の公差を達成する必要がある．
2) rDP では長さ約 1.5 km に渡って，sDP では上面と下面で非対称に約 500 m と約 250 m に渡って，CP 溶接（レーザー溶接；LBW）を行うが，DP の平面度として 3mm，7DP を積層した WP の電流中心（CCL）の輪郭度としてインボード（IB）で 2mm，アウトボード（OB）で 4 mm が要求されている．
3) コイル容器及び RP 用の高強度厚肉完全オー
ステナイト・ステンレス鋼板の製作技術の確立，及びその溶接技術を確立する必要がある．
4) TF コイルでは，約 1022 n/m2 の中性子照射を受けるため，このレベルで機械特性の劣化を生じない樹脂を開発し，本樹脂で DP 及び巻線部の含浸を実施する必要がある．
ITER TF コイルの製作では，上記の課題を解決しながら製作を進めている．以下に，これらの解決策と製作の進捗を記す．
４．ITER TFコイルの製作進捗
トランスファでは，±0.01%の高精度の光学的巻線導体長の測定システムを開発し，また，熱処理による導体の伸びも標準偏差 40ppm のFig. 2Completed DP.

高精度で一致しており，±0.05%の公差を十分満足できた．これらの結果から，現在では，熱処理を待たずに予め RP の組立を実施できるようになっており，13DP のトランスファを成功裏に完了している．
CP 溶接では，LBW の順番を最適化し，10DPの CP 溶接を完了し，平面度 2.1 mm～2.8 mm を達成している．各 DP の CCL については，OBで一部公差を満足できていないが，7DP の平均値となる WP の CCL では，輪郭度の公差も達成可能と予測している．
RP，構造物の製作では，30kW の LBW 溶接技術を開発するなどして，溶接変形を小さく抑えることに成功し，TF コイル 2 機分の RP 製作を完了させるとともに，コイル容器 IB の最終加工を進めている．
DP 含浸については，耐放射線性樹脂（シアネート・エステル）とエポキシを混合した新樹脂を開発し，加えて，導体絶縁層内のボイドを1%以下に抑える含浸技術を開発し，7DP の含浸を完了し，平面度 2mm も達成している．Fig.2に含浸後の DP を，Fig.3 に最終機械加工前の IBの写真を示す．
以上のように，TF コイルの製作は，多くの課題を解決しながら，順調に進展している．
謝辞
TFコイルの製作では，三菱重工，東芝，三菱電機，現代重工を始めとする多数のメーカに協力を頂き、技術的課題を解決しながら進めています．これらのメーカのご協力に感謝します．
参考文献(1) ITER TFコイル特集号: 低温工学, 47(2012) 135-139(2) N. Koizumi, et al. “Study of the Manufacturing Process ofthe ITER TF Coil Winding pack,” Fus. Eng. Des., 84(2009) 210-213(3) K. Matsui, et al., “Trial Fabrication of One-Third Scale
Double Pancake of ITER Toroidal Field Coil”, IEEETrans., 22 (2012) 4203005(4) M. Iguchi, et al., “Development of Structures for ITER
Toroidal Field Coil in Japan”, IEEE Trans. Appl.
Supercond., 22 (2012) 42-33-58(5) N. Koizumi, et al. “Full-scale trial results to qualify
optimized manufacturing plan for ITER Toroidal Field
coil winding pack in Japan”, Proc. of 25th IAEA Fus. Ene.
Conf., FIP/1-3.

Fig. 3

Inboard sub-assembly during welding among basic segments.