ブルックヘブン国立研究所が超伝導磁石貯蔵システムを再設計し、貯蔵容量を向上させコストを削減

米国エネルギー省ブルックヘブン国立研究所（Brookhaven National Laboratory）が再設計した超伝導磁石貯蔵システムは、約42万米ドル（約327万6000香港ドル）を節約できると見込まれ、同時に将来の粒子加速器に必要な設備の貯蔵容量を向上させる。この4層構造は、限られた空間内で最大45,000ポンドの磁石を収容できる。この設計は、ロチェスター工科大学（Rochester Institute of Technology、略称RIT）4年の機械工学技術専攻の学生ロバート・デジャルダン（Robert Desjardins）が、10週間の夏季インターンシップ期間中に開発した。

この設計は、ブルックヘブンが相対論的重イオン衝突型加速器（Relativistic Heavy Ion Collider、略称RHIC）から取り外される約80基の磁石を貯蔵するのを支援する。これらの装置は、電子-イオン衝突型加速器（Electron-Ion Collider、略称EIC）で再利用される予定で、同加速器は2030年代半ばに運用開始を見込んでいる。各超伝導磁石は長さ約20フィート、重量10,000ポンド超。

新設計が貯蔵容量を向上

新設計の支架は、追加の床面積を必要とせずに、貯蔵容量を3基から4基へと増やした。

従来の貯蔵用支架は1990年代に設計され、3基の磁石しか収容できなかった。ブルックヘブンは、耐荷重と安全要件を満たしつつ、追加の磁石を収容できるより高い構造を必要としていた。デジャルダンはコンピュータ支援工学モデルを用いて支架を再設計し、既存の図面を検証し、製造業者と協力して提案構造を評価した。デジャルダンは「従来の支架は1990年代に設計され、当時は3基しか収容できなかった。彼らは容量を4基に引き上げたいと考えていた」と述べている。今回の再設計には、構造強度、耐荷重能力、耐震性能を評価するための広範なシミュレーションも必要だった。

シミュレーション検証が安全性を確保

これらの検証は、支架が重量物を安全に支持できるか、地震関連の力が作用した場合の挙動を含めて判定することを目的としていた。デジャルダンは、ブルックヘブンの機械エンジニアであるジョナサン・グリーン（Jonathon Greene）と協力した。グリーンはRITの卒業生で、本プロジェクトを監督した。グリーンによると、改訂設計は貯蔵システムの高さを高めながらコストを削減したという。同氏は「ロバートは高さを高めながら、元の設計のコストを下げた。これにより約42万米ドル（約327万6000香港ドル）を節約できた」と述べている。報道によれば、節約額は貯蔵用支架の再設計に関連するが、提供された情報には節約の計算方法の具体的な説明や、当該数値を独立に検証する資料は含まれていない。

ブルックヘブンのRHICは26年以上稼働しており、科学者が極限条件下で物質を研究できるようにしてきた。そのうちのいくつかの超伝導磁石は、新しい電子-イオン衝突型加速器用に保管され、廃棄されることはない。EICの開発は、陽子と原子核の内部構造を調査することを目的としている。この加速器は電子とイオンを衝突させ、研究者がクォークとグルーオンの物質内部での振る舞いを観察できるようにする。既存磁石の保管は、研究所が2つの施設間の移行に備える一環である。再設計された支架は、再利用に向けた装置の貯蔵スペースを提供する。

開発過程で、デジャルダンはブルックヘブンのエンジニアと科学者に設計の更新を示し、材料選定、安全評価、シミュレーション結果に関する質問に答えた。ブルックヘブンはまた、4層支架の試作を記録している。ただし、提供された資料では、必要な支架がすべて製造済みかどうか、または約80基の磁石の完全な在庫が貯蔵に移されたかどうかは確認されていない。

本プロジェクトは、比較的単純な構造再設計がいかに貯蔵密度を高め、インフラコストを削減しつつ、大規模科学施設の建設を支援できるかを示している。

構造再設計が科学研究にとっての意義

ブルックヘブン国立研究所の超伝導磁石貯蔵システムの再設計は、貯蔵容量を向上させただけでなく、限られた空間内でリソースを効果的に活用する可能性を示した。この技術革新は、将来の粒子加速器の運用にとって極めて重要である。なぜなら、コストを増やすことなく、より大規模な科学実験を支援できるからだ。この方法により、研究所は新施設への移行により良く備え、既存装置の継続使用を確保し、ひいては科学研究の進展を促進できる。