AbstractA large superconducting magnet system for a fusion device requires large support structures which must have enough stiffness and toughness in cryogenic service. In the large helical device (LHD), an austenitic stainless steel SUS 316 with a thickness of up to 100 mm has been used for a supporting shell, shell arms and helical coil covers. Since these structures are assembled by welding, fracture toughness of the thick-section weld joint of SUS 316 has been investigated at cryogenic temperature using a large bend bar with a cross-section 87.5 × 175 mm. In three tests, unstable fracture (large pop-ins) occurred at maximum load. The toughness at the first large pop-in showed a higher resistance to crack initiation than that obtained in a conventional compact tension specimen, however, the crack propagated rapidly and no stable tearing was observed. When a linear elastic failure concept is employed to estimate the critical section thickness, it is confirmed that the LHD cryogenic structures have enough safety margin to resist linear elastic breaks.
核融合装置用大型超伝導磁石システムには、極低温環境下で十分な剛性と靭性を有する大型支持構造物が必要である。大型ヘリカル装置（LHD）では、厚さ最大100 mmのオーステナイト系ステンレス鋼SUS 316が、支持シェル、ヘリカルコイルアーム、およびヘリカルコイルカバーに使用されている。これらの構造物は溶接により組み立てられるため、断面87.5 × 175 mmの大型曲げ試験片を用いて、極低温におけるSUS 316溶接継手の破壊靭性が調査された。3回の試験において、最大荷重時に不安定破壊（大きなポップイン）が発生した。最初の大きなポップイン時における靭性は、従来のコンパクトテンション試験片で得られたき裂発生抵抗よりも高い値を示したが、き裂は急速に伝播し、安定なティアリングは観察されなかった。線形弾性破壊概念を用いて限界断面厚さを評価した場合、LHD極低温構造物は線形弾性破壊に対して十分な安全余裕を有することが確認された。