AbstractThe Large Helical Device (LHD) will be operated under various loads, such as strong electromagnetic forces, atmospheric pressure, and thermal stress. The outer vessel of the cryostat has a toroidal shape and is the largest component of the LHD. The designed maximum pressure of the vessel is 0.1 MPa inward and 0.01 MPa outward. Since the cross section of the outer vessel is not circular, the presence of unbalanced atmospheric pressure requires carefully designed studies of the rigidity of the cryostat. The poloidal cross section of the vessel is designed as a bell-shape, of which the bottom is a flat plate of 150 mm and the top has a major radius of 4 m, the minor radius is 2 m, with a thickness of 50 mm, by the finite element method using ANSYS. In this case, the maximum deformation appears at the center of the bottom flat plate; its value is 1.7 mm when stainless steel is used. The poloidal cross section of the outer vessel of the cryostat is desirable to have a symmetric circular shape which increases the mechanical stiffness and reduces the unbalanced magnetic field due to the eddy current during experiments. However, from an engineering point of view, the bottom is required to have the shape of a flat plate to have working space for inner components. We analyzed the stress field and deformation of the outer vessel under atmospheric pressure by using a finite element analysis code to pursue the optimized shape and thickness of the body.
大型ヘリカル装置（LHD）は、強い電磁力、大気圧、熱応力など、様々な荷重下で運転される。クライオスタットの外胴はトロイダル形状を有し、LHDの最大の構成要素である。この容器の設計最大圧力は、内方向に0.1MPa、外方向に0.01MPaである。外胴の断面は円形ではないため、不均衡な大気圧の存在は、クライオスタットの剛性に関する慎重な設計検討を必要とする。容器のポロイダル断面は釣鐘状に設計されており、底部は厚さ150mmの平板で、上部は主半径4m、副半径2m、厚さ50mmである。ANSYSを用いた有限要素法により解析を行った。この場合、最大変形は底部平板の中央に生じ、その値はステンレス鋼使用時で1.7mmである。クライオスタットの外胴のポロイダル断面は、機械的剛性を高め、実験中の渦電流による不均衡磁場を低減するため、対称な円形形状が望ましい。しかしながら、工学的見地からは、内部構成要素のための作業スペースを確保するため、底部は平板形状であることが要求される。我々は、本体の最適な形状と厚さを追求するため、有限要素解析コードを用いて、大気圧下における外胴の応力場と変形を解析した。