核融合新技術特集∪.D.C.る21.039.d72.02d:〔る21.318.3:538.945〕

核融合装置

強磁場超電導卜カマク"TRIAM‑1Mの開発

Dev0lopmentofHighFieldSuperconductingTokamak､､TRIAM‑1M′′伊藤智之*

s￠如んゴJ〜∂

ロイデルー滋場コイルを我が国で初めて超電導化し,装置の小型強耳滋場化を図るなど,

鈴木登夫**

で￠んαO S弘之以たg

他のトカマク計画に比べて幾つかの特徴をもっている｡日立製作所は,このTRIAM‑

鈴木昌平**

5ん∂んe才5加之址んf

1M装置を昭和57年4月に受注し,現在まで設計製作を進めてきた｡

西九州大学応用力学研究所で建設中のトカマク型核融合装置"TRIAM‑1M''は,ト

本論文では,装置全体構成について述べるとともに,工場で製作中のプラズマ真政嗣***〟α5α〜ざ従g伽Ⅳよgんi

川崎剛秀**

Tαゐαん才de∬￠叩￠5αん̀

空容器,超電導トロイデル磁場コイルなどの設計製作につき紹介する｡また,プラズマ断面位置フィードバック制御及び中央制御システムの概要について述べる｡□緒言

昭和52年から九州大学により実験研究が進められている

ルオ滋場コイルをトカマク装置に組み込み,各要素(ポロイグTRIAM計画は1),トロイグル磁場強度の高いトカマク装置をル耳滋場コイル,プラズマ電丁充など)の超電導線材への影響を調用いた,いわゆる強磁場トカマク路線に治った研究開発計画

べ,Nb3Sn超電導コイルの実用化を図る｡
TRIAM計画は昭和52年から,小型強磁場トカマク装置で,その研究目的は他のトカマク計画に比べて次に述べるような特徴をもつ新機軸を盛り込んである｡"TRIAMト1''により実験研究を開始し,現在までに高密度化(1)プラズマ密度乃,閉じ込め時間屯,プラズマ半径α,トの実現や乱i充加熱法の有効性を実証し,その主な研究目的をロイグル磁場強度月王及びトーラス半径月の間には下記のスケ達成した｡昭和57年からは前記研究目的の(1)〜(4)を目指して,トロイダル‡滋場強度がTRIAM‑1の約2倍となる超電導強トローリング削が成り立つ｡‥‥……‥‥(1)氾･㌔∝れ2･α2‥･氾∝β吉/月･……‥以上から強磁場トカマクでは,月の小さい′ト型装置でローソ‥･…‥(2)イデル耳滋場実験装置"TRIAM‑1M''の建設に着手し,現在工場で製作中である｡この装置は,本格的に超電導トロイデル‡滋場コイルをヨ采用したトカマク装置としては世界に類を見ない強磁場を目指したものであー),その成果が注目されている｡

ン条件れ屯≧1014(個･S/cm3)を満足する炉心プラズマを生成でこの九州大学のTRIAM計画に対し,日立製作所は実験装きる可能性がある｡TRIAM計画ではプラズマ密度に関する比例法則を中心として,強磁場トカマクプラズマの閉じ込めと置のメーカーとして約10年前から技術開発と装置の設計製作その比例法則の確立を目指す｡

を通じて全面的に協力してきた｡すなわち,先にTRIAM‑1(2)第2段加熱法としては,現在,高エネルギーNBI(中性粒本体の製作を担当し完成するとともに,引き続きTRIAM‑1M

子入射法)やRF加熱(高周波加熱法)が主流として研究されての本体,電源,制御,冷却系などを含むほとんど全プラントいるが,これらの方法は,大規模なイオン源や発振管の開発の設計,製作及び据付を担当している｡本論文では,TRIAM‑が必要であるなど,炉心プラズマ発生装置に適用する上で困1Mの技術的概要と,トロイデル才蔵場コイル,真空容器,各種難な問題が多い｡TRIAM計画では加熱方式として単純で効制御など核融合装置の技術分野で画期的な進歩をもたらした率が良く,しかも経済的である乱流加熱方式の開発と,その新技術の内容について述べる｡

大型装置への適用性の研究を行なう｡
臣I(3)トカマク型炉心プラズマ発生装置の最大の欠点といわれTRIAM‑1Mの概要ているパルス運転を改善する方法の一つとして,電i充駆動法

TRIAM‑1Mのプラント構成を図1に,主要パラメータを表が考えられるが,これまでの電流駆動法の実験では数秒程度1に示す｡装置本体部は,プラズマ閉じ込め空間を形成するの電i充維持であり,パルス運転を克服しているとは言いにく真空容器,閉じ込め磁場を生成するトロイデル磁場コイル,い｡そこで昭和57年に建設に着手したTRIAM‑1Mでは,トロプラズマ断面形状を制御する各種ポロイデル磁場コイル,プ

イデル耳滋場コイルを超電導化して,プラズマ電ラ充を直i充的ラズマ加熱用空心変i充器コイル及び乱流加熱コイル,トロイグ(10秒以上)に流し,低域混成波電流駆動法を採用して,電流ルj滋場コイルを液体ヘリウム温度に保持するため,本体全体を駆動のメカニズム,電流分布のコントロール,不純物の影響外部から断熱する断熱真空容器,並びにベースなどの支持構などについて研究を行なう｡

造物外により構成される｡その外観を図2に示す｡本体の周(4)磁場閉じ込め方式による核融合炉を目指す場合,超電導辺には真空排気設備,ヘリウム液化冷i東設備,冷却水設備なコイルの採用は不可欠である｡特に10T以上の強磁場を超電どが配置されている｡電源は前述の超電導トロイデル磁場コ導コイルで発生するためには,超電導線材としてNb3Snを使イルを励才蔵するための精密直i充電源,各種ポロイデルー滋場コ用する必要がある｡TRIAM‑1MではNb3Sn超電導強トロイダイル用の電源などから構成される｡これらの全プラント機器*九州大学応用力学研究所工学博士**

日立製作所日立工場***

日立製作所エネルギー研究所工学博士

41

672

日立評論

VO+.66No.9(1984‑9)

プラズマ位置制御
計算機システム

データ処理装置l￣

主制御計算システム

照

明設

備!

空調設

備

搬

設

備

(クレーン他)‑･‑トーートーーーーーーーーーーーl‑‑‑･‑‑1

L‑‑‑‑‑‑1‑‑+

1†■

精密直流電源｢￣■■‑‑‑‑‑‑+‑‑‑｢‑‑‑‑｢lプラズマ計測設備

1

本体計測制御装置

中央制御設備

精密直流電源

1

制

特別高圧
受電設備

ひ

運

御分 電 盤(工事用分電盤を含む)

盤
予冷GHe予冷LHe補給LHe

1

ヘリ ウ ム液化
冷
凍 設
備

1l

転移検出盤
̲̲̲̲̲̲̲+｢‑‑‑‑一‑‑‑L■‑‑+一■‑‑一:■圏国

ヘリウム系制御盤

本体

変流器電源

系

冷系

却

水バルブユニットllr￣

変流器制御盤ウ ム
ヘリバルブユニット窒素

空庄ノ令却水設
備
制御盤

原設備

純水冷却水設 備

循環冷却水設備

系

起高真力土
排気設備

網棚胡ニット

乱流加熱制御盤‥刀スヘリウム系

乱流加熱電源■■一

非常用電源(バッテリー)

バルブユニット■

液体窒素供給設備

排断

飲料 水 設 備

断
熱 容器
排気設備制御盤

気熱設容

超高真空排気設 備 制 御盤

備器

計測系電源

注:□○(日立製作所担当

高周波加熱設備

国(日立製作所一部担当)

図l

TRIAM一川Jのプラント構成

TRIAM‑1Mは超電導トロイダルコイルを備えているため,冷却系として水のほかに液体窒素及び液体ヘリウム関係の設備を必､要とする｡

表】

TRIAM‑1M主要諸元

プラズマ並びに主要部晶の寸法及び電気的諸元を示す｡

断熱真空容器‑(上ふた)
架台(常温ベース)

断熱真空容器‑(円筒胴部卜架台(低温ベース)
断熱真空容器(熟轄射シールド板〉
架台(シヤーパネル)

トロイダル磁場コイル
ポロイダル磁場コイル
真空容器
プラズマ

断熱真空容器(底板〉
う主:略語説明SN(ShapingNegative)

SP(ShapingPositive)

BH‑FB(B‑HorizontalFeed‑Back)
BH(B‑Horizontaり
TH〔Turbulent

空心変兼寿主コイルー

図2

TRIAM‑1M外観

TRIAM‑1Mは,超電導トロイダルコイルを大気から断熱するために全体が断熱真空容器の中に収められている｡

Heating(乱う充加熱)〕は大幅に自動化された制御装置によr),円滑かつ安全に運転

電導トロイグル磁場コイルと,この真空容器との間に3種類される｡のポロイデル磁場コイル(SP,SN,BH‑FB:表1下略語説8明参照)及び乱流加熱コイルが設けられるが,これらは常温領プラズマ美空容器

域の水冷コイルであるため,プラズマ真空容器から支持されTRIAM‑1Mのプラズマ真空答器は周方向に2分害岬色縁されたD聖断面のトーラスである7)｡真空容器の一部はボックス構造で各種ポート,固定リミタ及びビューイングダンプなどが取り付けられる｡また,液体ヘリウム温度に冷却された超42てし､る5)｡

前述のように,本体全体は断熱真空容器内に収納されるので,プラズマ真空容器には,内部を真空に排気したときの外圧だけでなく,内部が大気圧である状態で外部を真空に排気強磁場超電導トカマク型核融合装置"TR仏M‑1M''の開発∧;;≦;;鮮ご′J)亨∧673

繋乾賀荒､､磨
ご賀…､ご≡′賢≡て′宍′′:韓′､滋真空容器外観図3

外周に水冷却配管とポロイグル磁場コイル及び乱;充加熱コイルのサポートを備えている｡ポートにはリークテストのため,ふたをしている｡

したときの内圧が加わる場合もあることを考慮しなければならない｡更に,通常の運転状態では外部が真空雰囲気であるため冷却が悪くなるので,真空容器外周に冷却配管を設け水冷却する構造とした｡本真空容器は33本のポートを備えてい

図4

るが,垂直方向のポートはプラズマ真空容器の支持脚も兼ねを示す｡右側がトーラス中心側で.テーパ状に厚さが薄くなっている｡

トロイグルコイル外観

っり上げ中の完成したトロイダルコイルた構造とした｡外観を図3に示す｡
プラズマ真空春着旨に加わる力としては内圧･外圧･熟応力
及びポロイデル‡滋場コイル･乱i充加熱コイルの電イ滋力と,パコイルにパルス耳遠場を印加し,このときの交流手員失を測定し,ルス運転時･プラズマディスラブション時の渦電流電耳遠力が十分精度の高い計算方式を確立した｡

ある｡､これらの力の組み合わせを考慮してプラズマ真空容器の応力解析を行ない,SUS304L材でASME(AmericancietyofMechanicalEngineers),SECIIIに準拠した許容応力値内であることを確認した｡

この■交i売手員失計算方式をもとに,予定されているすべてのSo‑

トカマタ運転に対して,超電導トロイデル磁場コイルの安定性をシミュレートしたところ,超電導ご状態を安定に保持できることが確認された｡

完成したトロイグルコイルの外観を図4に示す｡
8トロイグル磁場コイル
トロイデル石姦場コイルは,トロイデル中心磁場月｡=8Tを達成するために超電導化されている4)｡トロイグル磁場コイルは最大経験石造場β仇が11Tに達するこB

プラズマ断面･位置フィードバック制御
プラズマ位置のフィードバック制御系の設計では,従来70ラズマを線状電享充環で近似するモデルが用いられていた｡こと,トカマク運転により外部石造場のパルス的外乱を受けるこのモデルは,プラズマの断面形二状制御には適用できない｡米とを考慮して,線材すべてを臨界温度T｡の高いNb3Sn線材で国のタブレッ構成した｡すなわち,コイル内の才蔵東宮度分布を考慮して,数値解析で求めておき,外部磁場の分布がその解が示すi滋場導体を3グレードに分割しているが,最外層(β=5T以下)分布に一致するように制御している｡この方式では,実験条の部分にもNb3Sn超電導線材を用いた｡本トロイデル磁場コ件を変えるたびに平衡解を求める必要がある｡この欠点を解

イルは装置全体の′ト型化･強磁場化の要請から,完全安定化決するため,断面形状を考慮した平衡方程式の解析解を新た超電導コイルとしては従来の約2倍の高電流密度となっていに導出した2)｡この解析解はTRIAM‑1Mで計画されているする｡高電i充密度の条件で完全安定化条件を満たすため,本コ

べてのプラズマ形状を取r)扱えるように八重極変形,すなわ

イルの超電導導体は安定化材に従来の鋼に加えて,一部に高ち四角形の変形まで考慮している｡

純度アルミニウム(残留抵抗比≧3,000)を用いた複合安定化

トⅠⅠⅠトカマクでは,非円形プラズマの平衡解をフィードバック制御系のシミュレーションプログラムは,超電導線とするなどの新技術を盛り込んでいる｡更に本導体

回路方程式3)を基本としている｡すなわち,プラズマ及びポは,液体ヘリウムに接する冷却面に高性能伝熟面加工(サーモロイデル磁場コイル系と,真空容器などの構造物の電磁的結エクセルC:日立製作所商品名)を施し,必要な熟i充束を確合状態を,回路方程式で記述している｡

保している｡コイル全体はダブルパンケーキ巻線･液体ヘリウム浸せき冷却とした｡

プラズマ位置のフィードバック制御のシミュレーション結果の一例を図5に示す｡この例は非円形度1.1の70ラズマを超電導トロイデル磁場コイルを安定に保持するためには,乱i充加熱し,ポロイデルβ値を1msの間に0.5から1.0まで上上述の安定化設計に加えて,超電導導体の交i充‡員失に対する昇させたときの水平方向位置制御を示している｡プラズマは応答を正しく評価する必要がある｡すなわち,トカマク運転ポロイダルβ値の上昇に伴い,外側(』月>0)に移動する｡

により外部変動一遍場が超電導導体に加わると,渦電子充によるこれに伴い,プラズマ断面形状の三角度と四角度が変化してジュール熱(交流手貞夫)が発生し,超電導導体の常電導転移を引いる｡これはプラズマが移動したとき,真空容器に押し付けき起こす可台削生がある｡そこで,実機超電導トロイグル磁場られ,断面形状がゆがんだことを示している｡i3674

日立評論VO+.66

No.9い984‑9)5(∈∈)柵単軸

中央制御設備

∩)

主制御盤
5

警

報

表示

タ

運転モード切換指∩)イ ミ ン グ
令発 信(シーケンス制御)只U

じ軸《田.わ世檻H

0 0グラフィパネック

放電方式設定ル0 04

制御インタロック
運転状態表示00 04

一放電制御操作設 備 間 保 護
イ ン タ ロ ック

10■

｢一￣一￣￣￣￣

データ処理用0 5101520￣￣￣一￣●▼■一‑￣l

計算機

25

￣￣￣■￣

図5

プラズマ位置制御シミュレーションの結果‑

プラズマ制御用計算機

時間(ms)

一‑

目標値
ポロイダルβ値計算

データ収集
編集処理の上昇に伴い,プラズマはいったん外側に移動する｡このとき,断面形状の三機

リンケージ

装置‑‑†

塑や一｢払†巳℃

L±
プラズマ位置
形 状演算

制御

演算

角度,四角度も変化する｡

tヨCAMAC

全体制御

コイル電流目標値●

高速アナログ入 力 装 置70ラズマ計測用

TRIAM‑1M全設備の統括と安全運転,及びプラズマ放電制

llll
̲̲̲.̲̲J■■▼■

御の実行を目的として,園6に示す機能と構成をもつ制御シプラ ズマ
計測装置

ステムの開発を進めている｡

6.1中央制御設備

コイル電源
制 御 盤

ブロック設備制御盤

注:===ミ>(データ)

本設備は,TRIAM‑1M全設備の運転の統括を行なうもので‑‑‑‑‑‑‑‑‑(インタロック信号)あり,各ブロック設備制御盤と信号の授受を行ない,設備全‑‑一一‑(タイミング信号)

体の制御･保護インタロックを処理するとともに,放電制御

区16時のタイ統括監視,制御,保護及びデータ収集を行なう｡全系制御設備,プラズマ制御

ミング信号を各設備機署削こ与えるものである｡

TRIAM‑1M制御システムの機能と構成

TRIAM‑1M全設備の用計算機,データ処王里用計算機から成る制御システムの機能と構成を示す｡

主制御盤はデスク巧竺とし,運転員がオペレーションパネル及び表示灯業引こよって操作･監視が可能な構成としている｡
運転時間設定盤は,主制御盤からの運転指令を受信し,各設装置技術の進歩に寄与するところが大きいと確信している｡

備の運転状態と照合して,各電源制御装置などに制御シーケ

特に,日立製作所はこのプラントを構成するほとんどの機器ンスに必要なタイミング指令を与えるもので,乱i充加熱運転などの速いパルスに対応するため,高精度のタイミングユニの建設を設計から据え付け,試運転に至るまで,九州大学の指導のもとに一貫して‡旦当し,システムとしての統一性,整ットを備え,制御精度が高いのが特長である｡また,放電実行時の安全性維持のための保護インタロック処理も,本制御合性を追求し合理性と信頼性の確保に努めている｡これらの盤で行なっている｡運転表示盤はTRIAM‑1M全設備の運転状ゆきたいと念願している｡

技術的経験を,今後建設される超電導核融合装置に生かして態を監視するための設備で,できる限りグラフィック化を図り,運転員が把握しやすいようにしている｡

計算機システム6.2

プラズマ制御用計算機は,電磁気計測検出器からの信号によr)プラズマの位置･形状を演算し,これと目標値との偏差に対し制御演算を行なってコイル電流指令値を算出し,下位の電盲原制御装置へ出力することによってフィードバック制御を行なう｡本システムでは,プラズマ制御コイル系の簡素化

参考文献
1)伊藤,外:TRIAM‑1M計画,物理学会話満子稿集(1982)
2)染谷,外:TRIAM‑1Mプラズマ位置断面形状制御,物理学会
話寸寅予稿集(1982)
3)阿部,外:TRIAM‑1Mプラズマ位置断面形状制御ⅠⅠ,物理学会講演予稿集(1982)

4)鈴木(昌),外:TRIAM‑1M超電導(Nb3Sn)超電導強トロイデを図るため,ハイブリッドコイルを用いた多変数制御方式によるフィードバック制御を計画している｡また,プラズマ放ルー滋場コイルの設計,物理学会講演予稿集(1982)
5)鈴木(登),外:TRIAM‑1M構造解析,物ヨ理学会講1寅予稿集(1982)

電中に発生する大量の実験データを収集,処理するために,高速,大容量のデータ処理用計算機を設置して,実験の高効率化を図っている｡

6)

中村(幸),外:TRIAM‑1M超電導トロイデルコイルの実証試
験,物理学会話清子稿集(1983)

7)鈴木(昌),外:TRIAM‑1Mプラズマ真空容器の設計,プラズ
l】

緒

言

我が国で初めて本格的に超電導トロイデル磁場コイルをj采用した強1滋場核融合装置"TRIAM‑1M''は,間もなく工場組

マ･核融合学会講i寅予稿集(1984)8)中村(幸),外:TRIAM‑1M超電導トロイデルコイルの交壬充損
失,プラズマ･核融合学会講演予稿集(1984)9)S.Shimamoto,et

立,現地据付けを経て稼動を開始する｡本機は技術的にも画the期的な新しい試みが多く採り入れられた装置であり,核融合

Fusion44

Largeal∴Japanese
CoilTask,Proc.8th,Symp.on

Res.p.1174(1979)

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CoilforEng.Prob.of