核融合炉の試作機における磁場試験中、ニオブ・スズ製コイルが壊滅的な短絡を起こしました。故障の原因は電気的なものではなく、機械的なものでした。ローレンツ力によって巻線が変形し、セラミック絶縁体が破断したのです。CST Studio Suite、Siemens NX、COMSOLを統合した3Dパイプラインにより、超伝導体の崩壊に至った疲労サイクルを再現することができました。
3Dパイプライン：電磁力からセラミック絶縁体の破断へ ⚡
解析はCST Studio Suiteから始まり、磁場分布をシミュレーションし、巻線の各素線に作用するローレンツ力を計算しました。これらのデータはSiemens NXに転送され、絶縁体の微視的な欠陥も含めた実際の巻線形状をモデル化しました。最後にCOMSOLで、周期的な機械的応力とセラミック材料の劣化を連成させたマルチフィジックス解析を実行しました。シミュレーションにより、1,200回の負荷サイクル後にニオブ・スズ母材の微細な亀裂が進展し、局所的な短絡とその後の導体溶融に至る過程が可視化されました。
核融合炉への教訓：建設前に疲労をシミュレーションせよ 🔧
この事例は、核融合炉の実現可能性がプラズマ物理学だけでなく、その構成部品の機械的強度にも依存することを示しています。3Dパイプラインにより、当初の設計では巻線の曲線部における応力集中が過小評価されていたことが明らかになりました。この疲労解析がなければ、実際の試験まで故障を予測することは不可能だったでしょう。現在、業界では、超伝導コイルが未来のエネルギーの弱点となることを防ぐため、設計段階でこれらのシミュレーションを統合することが求められています。
核融合炉における電磁負荷サイクル中のNb3Sn超伝導コイルの疲労き裂発生の正確な起点を予測することを可能にする予測モデリング戦略とはどのようなものか
(追記：材料の疲労は、10時間シミュレーションを実行した後のあなたの疲労と同じようなものです。)