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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-07
(45)【発行日】2023-02-15
(54)【発明の名称】超伝導磁石
(51)【国際特許分類】
H01F 6/06 20060101AFI20230208BHJP
H10N 60/81 20230101ALI20230208BHJP
【ＦＩ】
H01F6/06 140
H01F6/06 150
H01L39/04
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2019562280
(86)(22)【出願日】2018-05-09
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-07-16
(86)【国際出願番号】 GB2018051242
(87)【国際公開番号】W WO2018206944
(87)【国際公開日】2018-11-15
【審査請求日】2021-03-31
(31)【優先権主張番号】1707392.5
(32)【優先日】2017-05-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】508341957
【氏名又は名称】ザ ユニバーシティ オブ ダラム
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100132067
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 喜雅
(74)【代理人】
【識別番号】100137903
【弁理士】
【氏名又は名称】菅野 亨
(72)【発明者】
【氏名】ハンプシャー ダミアン
【審査官】秋山 直人
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０４２６８３５３（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開昭６１－１８９４８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２５９９４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０６９５５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５５－１６３８０８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５３－７２９９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２０８１２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５５－３９０７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第４７４９５４０（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第４４７２３４４（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ ６／０６
Ｈ０１Ｆ １７／０６
Ｈ０１Ｌ ３９／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
実質的にトロイダル型の磁場の一部を装置内に生じさせる超伝導の磁石であって、前記トロイダル型の磁場は、回転軸及びこれに垂直なミッドプレーンを有し、前記超伝導の磁石は、
複数の第１の超伝導体と、複数の第２の超伝導体とを含む１組の伝導体であって、前記複数の第１の超伝導体の各々は、前記複数の第２の超伝導体の各々よりも前記回転軸から小さい距離で前記ミッドプレーンを通過する、１組の伝導体と、
１組のジョイントと、
を備え、
前記ジョイントの各々は、前記トロイダル型の磁場のミッドプレーンから離れて配置され、かつ、前記ジョイントは、前記ミッドプレーンのそれぞれの側に交互に配置され、
各ジョイントは、前記第１の超伝導体の細長い接続領域を前記第２の超伝導体の細長い接続領域と接続し、
各ジョイントは、異なる前記第１及び第２の超伝導体を接続して、前記磁石の巻線の少なくとも一部に対応する一連の交互に並ぶ第１及び第２の超伝導体を形成し、
それぞれの前記ジョイントによって接続されたそれぞれの前記第１の超伝導体の前記細長い接続領域は、当該第１の超伝導体の端部か又はその近くにあり、当該第１の超伝導体の前記端部は、当該第１の超伝導体における、前記ミッドプレーンから最も遠い延在部か又はその近くにあり、
前記それぞれのジョイントによって接続されたそれぞれの前記第２の超伝導体の前記細長い接続領域は、当該第２の超伝導体の端部か又はその近くにあり、当該第２の超伝導体の前記端部は、当該第２の超伝導体における、前記ミッドプレーンから最も遠い延在部か又はその近くにあり、
前記細長い接続領域の各々は、その細長く延びる方向が前記回転軸に対し実質的に平行になるように延在する、磁石。
【請求項2】
それぞれの前記ジョイントによって接続された前記第１及び第２の超伝導体は、各々、前記ミッドプレーンから少なくとも部分的に離れる方向に延在する少なくとも１つの部分を含み、前記第１及び第２の超伝導体の前記部分は、実質的に隣接して配置されている、請求項１に記載の磁石。
【請求項3】
前記第１の超伝導体に関連付けられたそれぞれのジョイントの各々は、前記回転軸からそれぞれ異なる距離であって且つ前記ミッドプレーンからそれぞれ異なる距離に配置されている、請求項１又は２に記載の磁石。
【請求項4】
前記第１の超伝導体に関連付けられたそれぞれのジョイントの各々は、前記回転軸に対して平行な線上であって且つ前記ミッドプレーンからそれぞれ異なる距離に配置されている、請求項１又は２に記載の磁石。
【請求項5】
前記ジョイントは、上方臨界磁場を有するハンダを含み、
該ハンダは、使用時における前記ジョイントの位置での最大動作磁場よりも高い上方臨界磁場を有するように選択されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁石。
【請求項6】
３つの前記第１の超伝導体と、３つの前記第２の超伝導体とを備える、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁石。
【請求項7】
Ｄ字形状を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁石。
【請求項8】
前記第１の超伝導体は第１の超伝導特性を有し、前記第２の超伝導体は、前記第１の超伝導特性とは異なる第２の超伝導特性を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁石。
【請求項9】
前記第１の超伝導体又は前記第２の超伝導体のどちらか一方が高温超伝導特性を有し、前記第１の超伝導体又は前記第２の超伝導体の他方が低温超伝導特性を有する、請求項８に記載の磁石。
【請求項10】
１組の動作条件の下で、前記第１の超伝導体が、第１の磁場において、第１の臨界電流を有し、
前記第２の超伝導体が、前記第１の磁場よりも低い第２の磁場において、第２の臨界電流を有し、
前記第１及び第２の磁場が、それぞれ、前記第１及び第２の超伝導体によって占有されることとなる前記装置の領域内の最大動作磁場に対応し、
前記第１及び第２の臨界電流が、それぞれ、第１及び第２の余裕だけ動作電流を超える、請求項８又は９に記載の磁石。
【請求項11】
１組の動作条件の下で、前記第１の超伝導体が、第１の値に対応する上方臨界磁場を備えた超伝導体を含み、
前記第２の超伝導体が、第２の値に対応する上方臨界磁場を備えた超伝導体を含み、前記第１の値が、前記第２の値よりも高い、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の磁石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、超伝導磁石に関し、特に、トカマクなどの装置において実質的にトロイダル型の磁場の一部を生じさせる超伝導の磁石に関する。
【背景技術】
【0002】
【0003】
特に（断面図である）図１を参照すると、トカマク１は、真空容器２と、いくつかの超伝導磁石システム３、４、５とを含む。
【0004】
真空容器２は、動作の最中は、摂氏１億度を超えた温度まで加熱され、核融合反応に関係する重水素とトリチウムとのプラズマを保持する。
【0005】
特に図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、真空容器２は、実質的にＤ字形状の断面を備えたトロイダル型の形状を有する。真空容器２は、二重の壁を有するステンレス鋼で構築されている。真空容器２は、いわゆるブランケット（図示せず）を保持するが、このブランケットは、真空容器２の内側表面を裏打ちしていて、反応によって生じる高エネルギーの中性子に対するシールドとして作用する。真空容器２は、ダイバータ（図示せず）も保持しており、このダイバータは、反応によって生じる熱を抽出する。
【0006】
図１を再度参照すると、トカマク１は、１６個のトロイダル型の磁場コイル３（以下では、全体として、ＴＦコイルと称される）の組を含んでおり、図には、その約半分が示されている。
【0007】
特に図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、それぞれのＴＦコイル３は、実質的にＤ字形状を有し、トロイダル型の真空容器２の断面を包囲している。動作中は、ＴＦコイル３は、（磁）場６（以下では、トロイダル型の磁場と称される）を生成する。トロイダル型の磁場６は、ＴＦコイル３によって囲まれた領域におおよそ対応する断面を備えたトロイダル型の形状を有する。トロイダル型の磁場６は、主軸７（これも、下記の段落において定義される）の周囲を円運動する実質的に円状の磁力線を有する。トロイダル型の磁場６は、プラズマ３を閉じ込めるように機能する一次磁場である。
【0008】
トロイダル型の磁場６に対応するトロイドの回転軸７は、以下、一般的に、主軸と称される。主軸７は、実質的に垂直方向である。トロイダル型の磁場６のミッドプレーン８、すなわち、主軸７に垂直でありトロイダル型の磁場６を２つの実質的に等しい部分に分割する平面は、以下、一般的に「ミッドプレーン」と称される。ミッドプレーン８は、実質的に水平方向である。主軸７とミッドプレーン８とは、本明細書において、位置や方向などを記述するのに用いられる。
【0009】
特に図２Ａを参照すると、それぞれのＴＦコイル３は、シェル３ａを含む。特に図３Ａ－Ｃを参照すると、それぞれのＴＦコイル３は、シェル３ａの内部の巻線パック３ｂを含む。巻線パック３ｂは、７つのいわゆる二重パンケーキ３ｃを含む。それぞれの二重パンケーキ３ｃは、プレート３ｄを含んでおり、プレート３ｄは、実質的にＤ字形状であり、その主平面の両方の上に巻線溝３ｅを有する。単一のケーブル・イン・コンジット伝導体３ｆ（以下では、一般的に、「伝導体」と称される）が、２つの溝３ｅに配列される。
【0010】
特に図４を参照すると、伝導体３ｆは、多数（約１０００）の超伝導ストランド３ｆｂを含むジャケット３ｆａと、動作中、約４．５ケルビンの温度のヘリウムの流体を運ぶ（中心）冷却チャネル３ｆｃとを有する。超伝導ストランド３ｆｂは、低温超伝導体であるニオブ－スズ（Ｎｂ３Ｓｎ）を含む。
【0011】
再び図３Ａを参照すると、隣接する二重パンケーキ３ｃにおける伝導体３ｆは、ＴＦコイル３の底部において、「パンケーキ間（inter-pancake）」ジョイント３ｇによって結合される。最初および最後の二重パンケーキ３ｃのそれぞれにおける伝導体３ｆは、「終端」ジョイント３ｈによって電源システムに結合される。パンケーキ間ジョイント３ｇは、それぞれが、いわゆる祈り手構成（praying-hands configuration）を有する。終端ジョイント３ｈは、それぞれが、いわゆる握手構成（shaking-hands configuration）を有する。
【0012】
特に、（水平方向の断面図である）図５を参照すると、それぞれのパンケーキ間ジョイント３ｇは、２つの箱３ｇａを含む。それぞれの箱３ｇａは、ステンレス鋼の部分３ｇｂと銅の部分３ｇｃとを含む。ステンレス鋼の部分３ｇｂと銅の部分３ｇｃとは、爆着されている。ある長さの伝導体３ｆは、（いくらかのその絶縁部分なしで）それぞれの箱３ｇａにおける開口の中に強制される。箱３ｇａの銅の部分３ｇｃは、スズ－鉛のハンダ３ｇｄを用いて相互にハンダ付けされ、２つの箱３ｇａは、スチール・クランプ３ｇｅを用いて相互にクランプされる。
【0013】
再び図１を参照すると、トカマク１は、６つのポロイダル型の磁場コイル４（以下では、ＰＦコイルと称される）を含む。それぞれのＰＦコイル４は、リングの形状を有する。それぞれのＰＦコイル４は、主軸７上に中心を有し、水平方向に向けられている。最上位および最下位のＰＦコイル４は、ＰＦコイル４の中で最小であり、それぞれが、ＴＦコイル３の上側および下側に位置する。残りのＰＦコイル４は、ＴＦコイル３を包囲する。それぞれのＰＦコイル４は、低温超伝導体であるニオブ－チタン（ＮｂＴｉ）を用いて作られる。動作中には、ＰＦコイル４は、プラズマの形状を決定し安定化させるように機能する磁場（以下では、ポロイダル型の磁場と称される）を生じさせる。
【0014】
トカマク１は、中心ソレノイド５を含む。中心ソレノイド５は、ＴＦコイル３の組の中心にある開口を通過して垂直方向に延在する。中心ソレノイド５は、Ｎｂ３Ｓｎを用いて作られる。動作中は、プラズマにおいて電流を誘導することによってプラズマを加熱するのを助けるように機能する、時間変動する磁場を、中心ソレノイド５は生じさせる。
【0015】
トカマク１の多数の他のコンポーネントは、図に示されていない。たとえば、トカマク１は、超伝導補正コイル、支持構造、低温システム、電源システムなどを含む。
【0016】
トカマク１のさらなる詳細は、たとえば、M. Huguet, “Key engineering features of the ITER-FEAT magnet system and implications for the R&D programme”, Nuclear Fusion, vol.41, p.1503, 2011, および N. Mitchell et al., “The ITER Magnet System”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.18, p.435, 2008において提供されている。
【発明の概要】
【0017】
知られているトカマクの短所
そのようなトカマク１の短所は、たとえば、ＴＦコイル３の中の１つが故障を生じる場合であっても、特に真空容器２を少なくとも部分的に分解せずに、それを容易に交換することは不可能であるように、ＴＦコイル３と真空容器２とが相互にリンクされていることである。
そのようなトカマク１の短所は、たとえば、ＴＦコイル３の中の１つが故障を生じる場合であっても、特に真空容器２を少なくとも部分的に分解せずに、それを容易に交換することは不可能であるように、ＴＦコイル３と真空容器２とが相互にリンクされていることである。
【0018】
取り外し可能なジョイント
上述された短所に対応する１つの方法は、取り外し可能なジョイントを有するＴＦコイル３を用いることである。取り外し可能なジョイントとは、たとえば、そのジョイントによって接続されている伝導体の性能を著しく劣化させることなく、破壊され再度作られることが可能なジョイントである。
上述された短所に対応する１つの方法は、取り外し可能なジョイントを有するＴＦコイル３を用いることである。取り外し可能なジョイントとは、たとえば、そのジョイントによって接続されている伝導体の性能を著しく劣化させることなく、破壊され再度作られることが可能なジョイントである。
【0019】
たとえば、Y. Tsui et al, “Soldered joints-an essential component of demountable high temperature superconducting fusion magnets”, Superconductor Science and Technology, vol.29, p.075005, 2016において説明されているように、取り外し可能なジョイントは、モノリシックなＴＦコイル構造の単一障害点（single point failure）を除去し、非常に大型で複雑な超伝導磁石のモジュール構成を可能にし、アクセスを向上させることによって、反応炉のメンテナンスを向上させ、核融合反応炉の利用可能性を増大させ、簡略化された材料コンポーネントの試験を可能にする。
【0020】
Z.S. Hartwig et al, “An initial study of demountable high-temperature superconducting toroidal field magnets for the Vulcan tokamak conceptual design”, Fusion Engineering and Design, vol.87, p.201, 2012には、取り外し可能な高温超伝導（ＨＴＳ）ＴＦ磁石システムの技術的課題と低温に依存するコストおよびパラメータとの初期評価が、バルカン・トカマク概念設計（長半径Ｒ＝１．２ｍ、短半径ａ＝０．３ｍ、軸上の磁場Ｂ０＝７Ｔ）をベースラインとして用いて、実行されたことの記載がある。主たる真空容器の垂直方向の取り外しとコア・コンポーネントの日常的なメンテナンスを許容するためにミッドプレーンにおいて結合されることにより、構造的なＤ字形状のスチール製支持ケースが、内部的にルーティングされたイットリウム－バリウム－銅－酸化物（ＹＢＣＯ）の超伝導ケーブルのための低温冷却を提供する。
【0021】
B.N. Sorbom et al, “ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets”, Fusion Engineering and Design, vol.100, p.378, 2015には、長半径が３．３ｍ、短半径が１．１ｍ、軸上の磁場が９．２ＴであるＡＲＣ２００－２５０ＭＷｅトカマク反応炉の記載がある。ＡＲＣは、希土類－バリウム－銅－酸化物（ＲＥＢＣＯ）超伝導トロイダル型磁場コイルを有しており、これは、分解を可能にするジョイントを有する。ジョイントは、外側ミッドプレーンとコイルの頂部とに配置される。また、磁石の４つのコーナー全部にあるジョイントが取り外し可能である磁石構成が可能であることを表す「額縁（picture frame）」型のＴＦコイル配列についても記載がある。
【0022】
概要
本発明の一態様によれば、実質的にトロイダル型の磁場の一部を装置において生じさせる超伝導磁石が提供され、この磁石は、
１つまたは複数の第１の伝導体と、１つまたは複数の第２の伝導体とを含む１組の伝導体と、
１組のジョイントであって、ジョイントの各々が、磁石の巻線の少なくとも一部に対応する、一連の交互に並ぶ第１の伝導体と第２の伝導体とを形成するように、第１の伝導体の領域と第２の伝導体の領域とを接続する、１組のジョイントと
を備え、
ジョイントの各々が、トロイダル型の磁場のミッドプレーンから離れて位置決めされ、ジョイントが、ミッドプレーンの交互に並ぶ側面（alternating sides）に位置決めされ、各第１の伝導体が、各第２の伝導体よりも、トロイダル型の磁場の回転軸から小さい距離で、ミッドプレーンを通過し、
領域の各々が、ミッドプレーンから少なくとも部分的に離れる方向に、細長く延在する。
本発明の一態様によれば、実質的にトロイダル型の磁場の一部を装置において生じさせる超伝導磁石が提供され、この磁石は、
１つまたは複数の第１の伝導体と、１つまたは複数の第２の伝導体とを含む１組の伝導体と、
１組のジョイントであって、ジョイントの各々が、磁石の巻線の少なくとも一部に対応する、一連の交互に並ぶ第１の伝導体と第２の伝導体とを形成するように、第１の伝導体の領域と第２の伝導体の領域とを接続する、１組のジョイントと
を備え、
ジョイントの各々が、トロイダル型の磁場のミッドプレーンから離れて位置決めされ、ジョイントが、ミッドプレーンの交互に並ぶ側面（alternating sides）に位置決めされ、各第１の伝導体が、各第２の伝導体よりも、トロイダル型の磁場の回転軸から小さい距離で、ミッドプレーンを通過し、
領域の各々が、ミッドプレーンから少なくとも部分的に離れる方向に、細長く延在する。
【0023】
よって、この磁石は、様々な長所を有し得る構成を有する。たとえば、ジョイントは、比較的低い磁場領域に位置決めされ得る。
【0024】
ジョイント自体は、より低い領域に延在し得、より大きな表面積を有し得るが、これら両方が、ジョイントの抵抗値を低下させ得る。さらに、磁石における利用可能な空間が、有効に用いられ得る。
【0025】
本装置は、トカマクとすることができ、一般的に、本明細書では、「トカマク」と称される。しかし、この磁石は、他のタイプの装置でも用いられ得る。この磁石は、異なる磁場（たとえば、直線状、円筒状の磁場）を生じさせるためにも用いられ得るが、その場合には、本明細書に記載されている長所のいくつかを有しない可能性があり得る。
【0026】
少なくとも１つの第１の伝導体または少なくとも１つの第２の伝導体は、実質的な直線として延在する少なくとも１つの細長い部分を含み得る。よって、この磁石は、好ましくは直線状である伝導体（たとえば、曲げることにより損傷を受ける伝導体）を含み得る。
【0027】
少なくとも１つの第１の伝導体または少なくとも１つの第２の伝導体は、連続的な第１、第２および第３の細長い部分を含み得る。第１および第３の部分は、実質的な直線の中の線分に沿って延在し得る。第２の部分は、実質的に曲線状の経路に沿って延在し得る。
【0028】
したがって、この磁石は、いわゆるΦの半分の形状を有し得る（たとえば、図６Ｂを参照）。そのような磁石は、本明細書に記載された長所のうちのいくつかまたは全部を有し得る。さらに、そのような磁石は、トカマクにおいて用いられるのに特に適し得るが、その理由は、その内側表面が、トカマクのＤ字形状を有する真空容器の外側表面と、実質的に一致し得るからである。
【0029】
第１および／または第２の伝導体の形状は、その伝導体において好ましい動作応力／歪みを生じるように、適合させることが可能である。さらに、超伝導体の結晶構造の相対的方位と、磁場とに依存する臨界電流を有する超伝導体については、動作磁場に対するその超伝導体の好ましい向きは、適切で適合させた形状を用いて、達成され得る。
【0030】
１組のジョイントのうちの少なくとも１つについて、１組の動作条件の下で、そのジョイント、および／またはジョイントによって接続される第１の伝導体の領域、および／またはジョイントによって接続される第２の伝導体の領域は、ハンダを含み得るが、そのハンダは、最大動作磁場がそのハンダの上方臨界磁場未満である装置の領域を占有すべきである。この結果、このハンダは、超伝導性を有し得るので、ジョイントの（電気）抵抗値を、したがって、ジョイントのオーム加熱を低下させる。これが、ひいては、冷却要件や熱的不安定性などを緩和し得る。
【0031】
１組のジョイントのうちの少なくとも１つについて、ジョイントによって接続される第１の伝導体と第２の伝導体とは、各々が細長く、各々がミッドプレーンから少なくとも部分的に離れる方向に延在する少なくとも１つの部分を含み得る。よって、これらの伝導体は、ミッドプレーンからさらに離れた領域に延在し得るが、そのような領域では、動作磁場は一般的により低く、上で説明されたように、ジョイントは効果的に位置決めされ得る。さらに、これらの伝導体の臨界電流は、そのようなより低い動作磁場ではより大きくなり得、このことが、ジョイントにおける抵抗値をさらに低下させ得る。
【0032】
第１の伝導体および第２の伝導体のこれらの部分は、実質的に並ぶように位置決めされ得る。よって、この形状は、磁場エネルギーを過度に上昇させることを必要としない。
【0033】
１組のジョイントのうちの少なくとも１つについて、そのジョイントによって接続される第１の伝導体の領域は、第１の伝導体の端部にまたはその近傍にあり得る。第１の伝導体の端部は、第１の伝導体のミッドプレーンから最も遠い延在部に、またはその近傍にあり得る。代替的にまたは付加的に、そのジョイントによって接続される第２の伝導体の領域は、第２の伝導体の端部に、またはその近傍にあり得る。第２の伝導体の端部は、第２の伝導体のミッドプレーンから最も遠い延在部に、またはその近傍にあり得る。このように、伝導体の与えられた形状に対して、ジョイントは、ミッドプレーンからの最大距離に、またはその近傍に位置決めされ、よって、最小の動作磁場に、または最小の動作磁場の近傍に、効果的に位置決めされる。
【0034】
１組のジョイントのうちの少なくとも１つについて、そのジョイントによって接続される第１の伝導体の領域は、第１の表面を含み得、そのジョイントによって接続される第２の伝導体の領域は、第２の一致する表面を含み得る。こうして、２つの領域の間に、低抵抗値および／または強力な接続が、獲得され得る。
【0035】
１組のジョイントのうちの少なくとも１つは、祈り手ジョイントであってもよい。そのようなジョイントは、本明細書に記載されている伝導体の配列のいくつかと共に用いることに特に適し得る。
【0036】
１組のジョイントのうちの少なくとも１つは、取り外し可能であってもよい。
【0037】
第２の伝導体は、第１の伝導体とは異なるタイプとし得る。よって、第１および第２の伝導体は、軸からおよび／またはミッドプレーンからの距離がより遠い「外側の」領域と比較すると、軸からおよび／またはミッドプレーンからの距離がより近い「中心の」領域では、異なる条件に応じて、（たとえば、特に適切な特性を有するように）適合させ得る。これらの異なる条件には、動作磁場、応力、放射線、利用可能な空間などが含まれ得る。
【0038】
少なくとも１つの第１の伝導体は、第１の超伝導体を含み得、少なくとも１つの第２の伝導体は、第２の、異なる超伝導体を含み得る。よって、異なる超伝導体の異なる特性（たとえば、臨界電流、上方臨界磁場、臨界温度）を利用し得る。
【0039】
本発明のさらなる態様によれば、実質的にトロイダル型の磁場の一部を装置において生じさせる超伝導磁石が提供され、この磁石は、
各々が第１の超伝導体を含む、１つまたは複数の第１の伝導体と、
各々が第２の異なる超伝導体を含む、１つまたは複数の第２の伝導体と
を備え、
各第１の伝導体は、各第２の伝導体よりも、トロイダル型の磁場の回転軸から小さい距離で、トロイダル型の磁場のミッドプレーンを通過する。
各々が第１の超伝導体を含む、１つまたは複数の第１の伝導体と、
各々が第２の異なる超伝導体を含む、１つまたは複数の第２の伝導体と
を備え、
各第１の伝導体は、各第２の伝導体よりも、トロイダル型の磁場の回転軸から小さい距離で、トロイダル型の磁場のミッドプレーンを通過する。
【0040】
よって、ここでも、第１および第２の伝導体は、中心領域および外側領域のそれぞれにおいて、異なる条件に応じるように適合させ得、特に、異なる超伝導体の（たとえば、臨界電流、上方臨界磁場、臨界温度などの）異なる特性が利用され得る。
【0041】
この磁石は、１組のジョイントをさらに含み得る。これらのジョイントの各々は、磁石の巻線の少なくとも一部に対応する、一連の交互に並ぶ第１の伝導体と第２の伝導体とを形成するように、第１の伝導体の領域と第２の伝導体の領域とを接続し得る。これらのジョイントの各々は、ミッドプレーンから離れて位置決めされ得、これらのジョイントは、ミッドプレーンの交互に並ぶ側面に位置決めされ得る。
【0042】
これらの領域の各々は、ミッドプレーンから少なくとも部分的に離れる方向に、細長く延在し得る。
【0043】
この磁石は、１組のジョイントを含み得、これらのジョイントの各々は、第１の伝導体と第２の伝導体とを間接的に接続して、磁石の巻線の少なくとも一部に対応し、交互に並ぶ第１の伝導体と第２の伝導体とを含む一連の伝導体を形成する。巻線は、第１の伝導体と第２の伝導体との間にさらなる伝導体（および、さらなるジョイント）を含み得る。
【0044】
換言すると、この磁石は、１組のさらなる伝導体と、１組のジョイントとをさらに含み得る。これらのジョイントの各々は、伝導体（たとえば、第１の伝導体と第２の伝導体、第１の伝導体とさらなる伝導体、第２の伝導体とさらなる伝導体、または２つのさらなる伝導体）のうちの２つを、一連の伝導体を形成するように接続し得る。この一連の伝導体は、第１の伝導体と第２の伝導体とが交互に生じる磁石の巻線の少なくとも一部に対応し得る。
【0045】
第１の超伝導体および第２の超伝導体のうちの一方は、高温超伝導体（ＨＴＳ）であってもよく、第１の超伝導体および第２の超伝導体のうちの他方は、低温超伝導体（ＬＴＳ）であってもよい。よって、特性は、著しく異なる場合があり得る。
【0046】
第１の伝導体と第２の伝導体とは、同一の超伝導体を含み得る。第１の伝導体と第２の伝導体とは、異なるサイズ、異なる形状、異なる非超伝導成分、その他を有し得る。第１の伝導体と第２の伝導体とは、同一の超伝導体の異なるバージョンを有し得る。同一のタイプの伝導体でも、厳密に同一ではないことがあり得る。１組の伝導体のうちの少なくともいくつかが、一連のうちのそれらの順序に従って、異なる形状および／または特性を有し得る。以上のように言明したものの、同一のタイプの伝導体間のいかなる差異も、一般的に、異なるタイプの伝導体間の差異よりも小さい。
【0047】
１組の（動作温度、動作応力、その他を含む）動作条件の下で、少なくとも１つの第１の伝導体は、第１の磁場において、第１の臨界電流を有し得、少なくとも１つの第２の伝導体は、第２の、より低い磁場において、第２の臨界電流を有し得る。第１の磁場および第２の磁場は、それぞれ第１の伝導体および第２の伝導体によって占有されるべき装置の領域における最大動作磁場に対応し得る。第１の臨界電流および第２の臨界電流は、それぞれ第１の余裕および第２の余裕だけ、動作電流を超え得る。臨界電流とは、（事実上）抵抗値がゼロの状態で、超伝導体が運ぶことができる最大電流である。
【0048】
動作磁場は、一般的に、第１の伝導体によって占有される、より中心に近い領域ほど、第２の伝導体によって占有される、より外側の領域よりも、高い。第１の伝導体と第２の伝導体とは、該当する磁場での使用のために、最適化され得る。特に、第１の伝導体と第２の伝導体とは、該当する磁場においてゼロの抵抗値で動作電流を本当に安全に（すなわち、適切な余地を有しながら）運ぶことができるように、選択され得る。
【0049】
動作磁場は、（動作電流を運ぶ）磁石や（たとえば、他のトロイダル型磁場コイル、中心ソレノイドなどの）他の磁石、その他によって、生じ得る。動作磁場は、時間変動し得るが、その場合に、本明細書では、その（時間経過に伴う）最高値が関連する。
【0050】
第１の伝導体は、より高い磁場において抵抗値ゼロで動作電流を運ばなければならないので、第１の伝導体の方が、一般的に、第２の伝導体よりも高コストである。第１の伝導体を、全体には有しないことにより、磁石は、従来型の（１部品型の）磁石よりも低コストで特定の動作磁場を生じさせることが可能になり得る。
【0051】
１組の動作条件の下で、少なくとも１つの第１の伝導体は、第１の値に対応する上方臨界磁場を備えた超伝導体を含み得、少なくとも１つの第２の伝導体は、第２の値に対応する上方臨界磁場を備えた超伝導体を含み得る。第１の値は、第２の値より高いことがあり得る。上方臨界磁場とは、（タイプＩＩの）超伝導体が超伝導状態を維持する最高の磁場であり、したがって、特定の磁場において用いられるための超伝導体の適合性を示す。
【0052】
少なくとも１つの第１の伝導体と、少なくとも１つの第２の伝導体とは、異なる動作温度を有し得る。よって、磁石において用いられ得る超伝導体については、より多くの選択肢が存在する。磁石の冷却がより複雑であり得る場合であっても、これにより、改善された磁石が製造されることが、可能になり得る。
【0053】
放射線によって生じる性能（たとえば、臨界電流）のいかなる低下も、少なくとも１つの第２の伝導体に対するものよりも、少なくとも１つの第１の伝導体に対するものの方が、小さくなる場合があり得る。トカマクにおけるプラズマによって放出される放射線は、一般的に、外側領域においてよりも、中心領域における方が、より強い。よって、中心領域においてだけ、放射線による損傷を生じにくい伝導体を有することにより、磁石の動作／サービス寿命を、そのコストを過度に増大させることなく、伸ばすことが可能になり得る。
【0054】
巻線は、整数値または非整数値である巻回数Ｎで構成され得るが、このＮは、１００の前後、または、それよりも多いもしくは少ないことがあり得る。
【0055】
１組の伝導体の各々は、１ターンの４分の１から４分の３に対応し得るが、好ましくは、１ターンの２分の１である。
【0056】
平均では、１ターン当たり、１組の伝導体のうちの２つ（たとえば、１つの第１の伝導体と１つの第２の伝導体）と、１組のジョイントのうちの２つであり得る。最初のターンと最後のターンとは、異なり得る。したがって、磁石は、約２Ｎ個の伝導体（たとえば、約Ｎ個の第１の伝導体および約Ｎ個の第２の伝導体）と、約２Ｎ個のジョイントとを有し得る。
【0057】
この磁石は、それが特に適した、球状トカマクにおいて用いられるように、構成され得る。
【0058】
この磁石は、たとえば、トロイダル型の真空容器から容易に除去されるなど、取り外し可能であり得、トロイダル型の真空容器の周囲に容易に再度組み立てられ得る。これには、ジョイントの全部が取り外し可能であることが要求される。
【0059】
この磁石は、
各々が第１の伝導体のうちの少なくともいくつかを含む、１つまたは複数の第１のユニットと、
各々が第２の伝導体のうちの少なくともいくつかを含む、１つまたは複数の第２のユニットと
を含み得る。
各々が第１の伝導体のうちの少なくともいくつかを含む、１つまたは複数の第１のユニットと、
各々が第２の伝導体のうちの少なくともいくつかを含む、１つまたは複数の第２のユニットと
を含み得る。
【0060】
これらのユニットは、磁石のレッグに対応し得、この場合、磁石は、ただ１つの第１のユニットと、ただ１つの第２のユニットとを含み得る。
【0061】
これらのユニットは、磁石のパンケーキの一部に対応し得、この場合には、磁石は、それぞれの対がパンケーキに対応する、第１および第２のユニットの中の１つまたは複数の対を含み得る。同一のパンケーキにおいて伝導体を接続するジョイントは、異なるパンケーキにおいて伝導体を接続するものとは異なり得る。
【0062】
本発明のさらなる態様によると、上述された磁石の第１のユニットおよび／または第２のユニットが提供される。そのようなユニットは、別々に供給され得る。
【0063】
複数の上述された磁石と、プラズマのためのトロイダル型の真空容器とを含むトカマクが提供され得る。
【0064】
本発明のさらなる態様によると、上述されたトカマクを構築する方法が提供され、この方法は、
真空容器の少なくとも一部を提供するステップと、次に、
伝導体を、真空容器の周囲に配列するステップと、
１組のジョイントを作成するステップと
を含む。
真空容器の少なくとも一部を提供するステップと、次に、
伝導体を、真空容器の周囲に配列するステップと、
１組のジョイントを作成するステップと
を含む。
【0065】
よって、この磁石は、トロイダル型の真空容器の周囲に組み立てられ得ることにより、トカマクの製造を容易にする。
【0066】
本発明のさらなる態様によると、上述されたトカマクを動作させる方法が提供され、この方法は、
磁石の少なくとも一部が交換されるべきであると決定するステップと、
１組のジョイントのうちの少なくとも１つを取り外すステップと、
磁石の一部を交換するステップと、
１組のジョイントのうちの少なくとも１つを作成するステップと
を含む。
磁石の少なくとも一部が交換されるべきであると決定するステップと、
１組のジョイントのうちの少なくとも１つを取り外すステップと、
磁石の一部を交換するステップと、
１組のジョイントのうちの少なくとも１つを作成するステップと
を含む。
【0067】
このように、この磁石またはこの磁石の一部は、完全にまたは部分的に取り外し可能であり得、すなわち、たとえば、トロイダル型の真空容器を分解することなく、交換可能になり得る。これが、トカマクの手入れと修理とを容易にし得る。
【0068】
この決定するステップは、動作寿命またはサービス寿命が終了したと決定することを含み得る。こうして、磁石故障のリスクを、減少させ得る。
【0069】
この方法は、第１の伝導体（より強い放射線の影響を受ける可能性がある）の各々を、第２の伝導体の各々よりも、より頻繁に交換するステップを含み得る。よって、放射線の効果が、有効にかつ効率的に管理され得る。
【0070】
ここで、本発明の特定の実施形態が、添付の図面を参照することにより、例として、説明される。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【発明を実施するための形態】
【0072】
【0073】
磁石３０といくつかの関係するコンポーネントとを除くと、第１のトカマク１０は、上述された「知られている」トカマク１と同一のコンポーネントを有し得る。特に、第１のトカマク１０は、真空容器２０、ＰＦコイル（図示せず）、および中心ソレノイド（図示せず）を含み得るが、これらは、それぞれ、知られているトカマク１の真空容器２、ＰＦコイル４、および中心ソレノイド５と同一である。
【0074】
第１のトカマク１０は、複数の磁石を含んでいるが、これら複数の磁石の各々は、図６Ａ～Ｃに示されており、かつ後述される磁石３０と実質的に同一であり得る。
【0075】
磁石３０は、「Φの半分」の形状を有しており、これは、「Ｄ」の形状であってＤの縦方向の線が延在したものに対応する。Φの半分の形状によって囲まれた領域は、概ねＤ字形状である。磁石３０は、トロイダル型の真空容器２０の一部分を取り囲んでいる。動作中、磁石３０は、トロイダル型の磁場６０の一部を生成する。トロイダル型の磁場６０は、磁石３０によって囲まれた領域におおよそ対応する断面を備えたトロイダル型の形状を有する。トロイダル型の磁場６０は、（実質的に垂直方向の）主軸７０と、（実質的に水平方向の）ミッドプレーン８０とを有しており、これらは、知られているトカマク１における場合と同様に定義される。トロイダル型の磁場６０は、主軸７０の周囲を循環する実質的に円形の磁力線（field lines）を有する。
【0076】
磁石３０は、２つの部分３１、３２（以後、内側レッグおよび外側レッグと称される）を備えている。特に図６Ｃを参照すると、部分３１は分離可能であり、それにより、後述されるように、磁石３０が取り外し可能になる。内側レッグ３１は、細長く、主軸７０と平行な方向に実質的に直線として、延在している。内側レッグ３１は、トロイダル型の真空容器２０における開口を通過する。外側レッグ３２は、細長く、曲線状の経路に沿って延在している。外側レッグ３２の最上位部分は、内側レッグ３１の最上位部分と実質的に平行であり、内側レッグ３１の最上位部分と並ぶように配置されている。外側レッグ３２の最下位部分は、内側レッグ３１の最下位部分と実質的に平行であり、内側レッグ３１の最下位部分と並ぶように配置されている。外側レッグ３２の残りの部分は、最上位部分と最下位部分とのそれぞれに向かって滑らかな曲線状になっていることを除いて、おおよそＤ字形状を有している。外側レッグ３２は、真空容器２０の外側を包囲するように通っている。
【0077】
したがって、外側レッグ３２は、全体として、内側レッグ３２よりも、主軸７０および／またはミッドプレーン８０から、より離れて（すなわち、中心から離れて）いる。トロイダル型の磁場６０は、一般的に、主軸７０からの距離が増大するにつれて、および、ミッドプレーン８０からの距離が増大するにつれて、減少する。したがって、外側レッグ３２は、一般的に、内側レッグ３１よりも、より小さな（動作）磁場の影響を受ける。トカマクにおける他の磁場（特に、他の磁場の中で最大である、中心ソレノイドによって生成される磁場）は、同様の態様で変動し得るので、この差異を強調することになる。
【0078】
図６Ａを特に参照すると、磁石３０は、シェル３０ａを含んでおり、このシェル３０ａは、内側レッグ３１と外側レッグ３２とにそれぞれ関連する「内側」部分３１ａと「外側」部分３２ａとに分割され得る。
【0079】
（シェル３０ａが取り外されている）図６Ｃを特に参照すると、内側レッグ３１は、磁石３０の巻線パック３０ｂの「内側」部分３１ｂを含み、外側レッグ３２は、巻線パック３０ｂの「外側」部分を含む。特に、内側レッグ３１は、１つまたは複数の「内側」パンケーキ部分３１ｃのいくつかを含み、外側レッグ３２は、それと同数の「外側」パンケーキ部分３２ｃを含む。それぞれの内側パンケーキ部分３１ｃは、対応する外側パンケーキ部分３２ｃと対になり、パンケーキ３０ｃを形成する。
【0080】
次は、特に図７を参照し、パンケーキ３０ｃの１つについて、説明される。
【0081】
内側のパンケーキ部分３１ｃは「内側」プレート３１ｃを含み、外側のパンケーキ部分３２ｃは「外側」プレート３２ｄを含む。内側プレート３１ｄは内側レッグ３１と類似の形状を有し、外側プレート３２ｄは外側レッグ３２と類似の形状を有するが、内側プレート３１ｄと外側プレート３２ｄとの最上位部分と最下位部分とはより複雑な形状を有する点が異なっており、これについては、後述される。
【0082】
内側部分３１ｄと外側部分３２ｄとは相互に接している場合があり得、任意の適切な態様で、着脱自在の態様で相互に接続され得る。
【0083】
パンケーキ３０ａは、単一のパンケーキである。あるいは、パンケーキ３０ａは、二重パンケーキまたは別のタイプのパンケーキであり得る。内側プレート３１ｄはその主な表面のうちの１つの上に１組の溝３１ｅ（以下では、内側溝と称される）を有し、外側プレート３２ｄはその主な表面のうちの同じ向きを有する１つの上に１組の溝３２ｅ（以下では、外側溝と称される）を有する。
【0084】
伝導体３１ｆ（以下では、内側伝導体と称される）が、内側溝３１ｅのそれぞれに配置され、伝導体３２ｆ（以下では、外側伝導体と称される）が、外側溝３２ｅのそれぞれに配置されている。内側伝導体３１ｆは外側伝導体３２ｆと実質的に同一であり得、内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆとのそれぞれは、図４に示された伝導体３ｆと実質的に同一であり得る。あるいは、以下で説明されるように、内側伝導体３１ｆが、外側伝導体３２ｆと異なり得る。
【0085】
図には、３つの内側伝導体３１ｆ１、３１ｆ２、３１ｆ３と、３つの外側伝導体３２ｆ１、３２ｆ２、３２ｆ３とだけが、図示されている。しかし、任意の個数の内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆとが存在し得る。
【0086】
内側伝導体３１ｆは、外側伝導体３２ｆと、ジョイント３３（以下では、パンケーキ内ジョイントと称される）において接触するが、これについては後述される。
【0087】
伝導体３１ｆと伝導体３２ｆとは、両者で、（Φの半分のような）歪んだ渦巻を形成する。この渦巻は、左回りまたは右回りであり得る。
【0088】
それぞれの内側伝導体３１ｆは、直線状の経路に従う。それぞれの外側伝導体３２ｆは、外側プレート３２ｄの形状におおよそ対応する経路に従うが、ただし、外側伝導体３２ｆのそれぞれの最上位部分と最下位部分とが、より複雑な経路に従うことが異なっており、これについては後述される。
【0089】
異なる内側伝導体３１ｆと関連付けられているパンケーキ内ジョイント３３は、主軸７０からの距離が異なるように位置決めされる。これにより、各内側伝導体３１ｆが主軸７０と平行な直線経路に従うことが可能になる。さらに、異なる外側伝導体３２ｆと関連付けられているパンケーキ内ジョイント３３は、ミッドプレーン８０からの距離が異なるように位置決めされる。これにより、各外側伝導体３２ｆが、他のパンケーキ内ジョイント３３を回避しながら、該当する（relevant）パンケーキ内ジョイント３３への滑らかな経路に従うことが可能になる。パンケーキ内ジョイント３３のサイズに応じ、外側伝導体３２ｆは、それらの端部に向かって広がる経路に従い得る。
【0090】
内側プレート３１ｄと外側プレート３２ｄとは、パンケーキ内ジョイント３３との間で内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆとをそれぞれ運ぶような形状を有しながら、それぞれのパンケーキ内ジョイント３３の近傍で接触する。したがって、図に示されているように、内側プレート３１ｄは、その最上位端部と最下位端部とに向かって段階的に狭くなり、外側プレート３２ｄは、相補的な態様で、広くなる。
【0091】
渦巻において最も中心に近い伝導体（この場合には、第３の外側伝導体３２ｆ３）は、パンケーキ間ジョイント３０ｇまたは（この場合には）終端ジョイント３０ｈのための適切な位置まで適切な態様で延在する。たとえば、そのような伝導体は、部分的に上昇されたまたは下降された経路に従うことがあり得る。二重パンケーキでは、そのような伝導体は、内側プレート３１ｄおよび／または外側プレート３２ｄを通過して延在し得、内側プレート３１ｄと外側プレート３２ｄとの他方の主な表面における類似の渦巻の中心に最も近い伝導体に対応し得る（または、結合され得る）。
【0092】
各パンケーキ内ジョイント３３は、内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆとの間に、（電気的）接続を形成する（そして、他のパンケーキ内ジョイント３３からは絶縁されている）。したがって、伝導体３１ｆ、３２ｆは、磁石３０の巻線の一部を形成する。各パンケーキ内ジョイント３３は、任意の適切な態様で、形成され得る。たとえば、各パンケーキ内ジョイント３３は、知られているトカマク１のパンケーキ間ジョイント３ｇ（特に、図５を参照）の特徴の中のいくつかまたは全部を有し得る。そのようなパンケーキ内ジョイント３３は、細長いことがあり得、主軸７０と実質的に平行に向けられることがあり得る。内側プレート３１ｄおよび／または外側プレート３２ｄは、各パンケーキ内ジョイント３３を少なくとも部分的に収容するため、切欠領域（cut-out region）を有し得る。内側プレート３１ｄおよび／または外側プレート３２ｄは、各パンケーキ内ジョイント３３を少なくとも部分的にクランプするように、機能し得る。
【0093】
この図に示されているパンケーキ３０ｃは、巻線パック３０ｂにおける最初または最後のパンケーキ３０ｃに対応し得るものであり、（組み立てられるときには）１つのパンケーキ間ジョイント３０ｇと１つの終端ジョイント３０ｈとを有する。
【0094】
パンケーキ間ジョイント３０ｇは、知られているトカマク１のパンケーキ間ジョイント３ｇ（特に、図５を参照）と、おおよそ同一であり得る。パンケーキ間ジョイント３０ｇは、適切な伝導体（この場合は、第１の内側伝導体３１ｆ１）を別のパンケーキ３０ｃの適切な伝導体と接続するためのものである。
【0095】
終端ジョイント３０ｈは、知られているトカマク１の終端ジョイント３ｈとおおよそ同一であり得る。終端ジョイント３０ｈは、適切な伝導体（この場合は、第３の外側伝導体３２ｆ３）を電源システムと接続するためのものである。
【0096】
磁石３０におけるジョイントのそれぞれ（すなわち、各パンケーキ内ジョイント３３、各パンケーキ間ジョイント３０ｇ、および各終端ジョイント３０ｈ）は、着脱自在のクランプや、容易に溶融可能なハンダなど、取り外しを容易にする特徴を含み得る。
【0097】
巻線パック３０ｂにおける中間的なパンケーキ３０ｃに対応し得る他のパンケーキ３０ｃは、２つのパンケーキ間ジョイント３０ｇを有し得、これら２つのパンケーキ間ジョイントのそれぞれは、パンケーキ３０ｃの適切な伝導体を別のパンケーキ３０ｃの適切な伝導体と接続するためのものである。
【0098】
パンケーキ３０ｃは、電流の同一の回転を維持する任意の適切な態様で、相互に接続され得る。
【0099】
巻線パック３０ｂがただ１つのパンケーキ３０ｃを含む場合には、そのパンケーキ３０ｃは、２つの終端ジョイント３０ｈを含み得る。
【0100】
磁石３０は、取り外しが可能であり、それは、磁石３０におけるジョイントのいくつかのまたは全部（すなわちパンケーキ内ジョイント３３、パンケーキ間ジョイント３０ｇ、および終端ジョイント３０ｈの中のいくつかまたは全部）が取り外し可能であることを含む。
【0101】
トカマクを構築し動作させる方法
図８Ａを参照して、第１のトカマク１０を構築する方法が、簡潔に説明される。
図８Ａを参照して、第１のトカマク１０を構築する方法が、簡潔に説明される。
【0102】
第１のステップＳ１では、真空容器２０の少なくとも一部が、提供される（たとえば、組み立てられる）。第１のトカマク１０のいくつかの他のコンポーネントもまた、この段階で、提供され得る。
【0103】
第２のステップＳ２では、内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆとが、真空容器２０の周囲に配置される。たとえば、事前に組み立てられた内側レッグ３１と外側レッグ３２とが、あるべき場所に配置され得る。第２のステップＳ２は、トロイダル型の真空容器２０などが既に完全に組み立てられている（そして、その分解が要求されていない）場合でも、実行され得る。
【0104】
第３のステップＳ３では、磁石３０におけるジョイントのいくつかまたは全部が作られる。これは、たとえば、これらのジョイントをハンダ付けおよび／またはクランプすることを含み得る。
【0105】
その後で、磁石３０の組み立てを完了させ（たとえば、シェル３０ａを追加する）、第１のトカマク１０の構築を完了させるため、様々なさらなるステップが行われ得る。
【0106】
図８Ｂを参照して、第１のトカマク１０の動作方法が、簡潔に説明される。
【0107】
第１のステップＳ１１では、磁石３０の少なくとも一部が置き換えられるべきであると決定される。たとえば、巻線パック３１ｂ、３２ｂの一方もしくは両方、１つもしくは複数のパンケーキ部分３１ｃ、３２ｃ、または１つもしくは複数の伝導体３１ｆ、３２ｆが置き換えられるべきであると決定され得る。この決定は、任意の適切な態様で、なされ得る。たとえば、それは、磁石３０と関連する１つまたは複数のセンサからのデータに基づき得る。それは、磁石３０または磁石３０の一部の動作／サービス寿命が終了したということであり得る。
【0108】
内側伝導体３１ｆは、それらが中心位置により近いことに起因して、より強烈な放射線の影響を受け得る。したがって、一般的に、内側伝導体３１ｆは、外側伝導体３２ｆよりも、寿命がより短く、より頻繁な交換を要求することになる。これは、球状のトカマクでは特に妥当するが、それは、球状のトカマクにおいては、プラズマが（したがって、内側伝導体３１ｆが）主軸７０に特に近接しているからである。
【0109】
第２のステップＳ１２では、該当するジョイントが取り外される。たとえば、ただ１つの伝導体（たとえば、内側伝導体３１ｆ）が交換されるべき場合であっても、該当するジョイントは、その伝導体３１ｆと関連する２つのジョイント、またはその伝導体３１ｆが含まれるパンケーキ３０ｃと関連するジョイント、または磁石３０におけるパンケーキ３０ｃの２つもしくはそれより多くもしくは全部と関連するジョイントであり得る。磁石３０の他のコンポーネント（たとえば、シェル３０ａ）および／または第１のトカマク１０の他のコンポーネントが、該当のジョイントを取り外す前に分解されることがあり得る。
【0110】
第３のステップＳ１３では、磁石３０または磁石３０の一部が、交換される。たとえば、内側レッグ３１が取り出され、新たな内側レッグ３１が、元の外側レッグ３２と共に、適切な位置に配置されることがあり得る。第３のステップＳ１３は、トロイダル型の真空容器２０の分解を要求することなく、実行され得る。
【0111】
第４のステップＳ１４では、該当するジョイントが作られる。上述されたように、これには、たとえば、これらのジョイントをハンダ付けおよび／またはクランプすることが含まれ得る。
【0112】
この後では、様々なさらなるステップが、磁石３０を完全に再度組み立てる（たとえば、シェル３０ａを追加する）および／または第１のトカマク１０を完全に再度組み立てるために、行われ得る。
【0113】
異なるパンケーキ
次は、図９を参照して、異なる「第２の」パンケーキ１３０ｃについて、説明される。
次は、図９を参照して、異なる「第２の」パンケーキ１３０ｃについて、説明される。
【0114】
第２のパンケーキ１３０ｃは、上述された磁石３０における第１のパンケーキ３０ｃの代わりに用いられ得る。第２のパンケーキ１３０ｃは、以下の点を除くと、第１のパンケーキ３０ｃと実質的に同一である。
－ 第２のパンケーキ１３０のパンケーキ内ジョイント１３３は、全部が、主軸７０と平行な直線上に位置決めされている。
－ 内側プレート１３１ｄと外側プレート１３２ｄとは、この直線上で接触する。
－ それぞれの内側溝１３１ｅと関連する伝導体１３１ｆとは、その端部の一方または両方に向かって曲線状になっており該当するパンケーキ内ジョイント１３３に至る経路に従う。
－ 第２のパンケーキ１３０のパンケーキ内ジョイント１３３は、全部が、主軸７０と平行な直線上に位置決めされている。
－ 内側プレート１３１ｄと外側プレート１３２ｄとは、この直線上で接触する。
－ それぞれの内側溝１３１ｅと関連する伝導体１３１ｆとは、その端部の一方または両方に向かって曲線状になっており該当するパンケーキ内ジョイント１３３に至る経路に従う。
【0115】
第２のパンケーキ１３０ｃは、内側パンケーキの部分１３１ｃと外側パンケーキの部分１３２ｃとの間の接続がシンプルであるという潜在的な長所と、内側伝導体１３１ｆが曲線状であるという潜在的な短所とを有する。
【0116】
異なる磁石
次には、図１０を参照して、別の（「第２の」）磁石２３０について、説明される。
次には、図１０を参照して、別の（「第２の」）磁石２３０について、説明される。
【0117】
第２の磁石２３０は、第１のトカマク１０と同等のトカマクにおいて、用いられ得る。
【0118】
第２の磁石２３０は、（内側伝導体に対応し得る）複数の直線状の伝導体２３１と、（外側伝導体に対応し得る）複数の曲線状の伝導体２３２とを含む。上述された「第１の」磁石３０とは対照的に、直線状の伝導体２３１の全部が、相互に実質的に同一であり得、曲線状の伝導体２３２の全部が、相互に実質的に同一であり得る。曲線状の伝導体２３２は、それぞれが、上述された磁石３０の外側伝導体３２ｆの形状におおよそ対応する（３次元の）経路に従い得る。第２の磁石２３０は、複数のジョイント２３３を含む。各ジョイント２３３は、直線状の伝導体２３１と曲線状の伝導体２３２とを接続し、一連の直線状の伝導体と曲線状の伝導体とが交互になったもの２３１１、２３２１、２３１２、２３２２を形成する。伝導体２３１、２３２は、共同して、（Φの半分のような）歪んだ螺旋を形成する。
【0119】
したがって、第２の磁石２３０の伝導体２３１、２３２は、（歪んだ渦巻で）実質的に２次元的に配列されている第１の磁石３０の伝導体３１ｆ、３２ｆとは対照的に、（歪んだ螺旋で）３次元的に配列されている。
【0120】
他の磁石が、渦巻と螺旋との両方の特性を備えた伝導体の配列を有することもあり得る。
【0121】
第２の磁石２３０は、伝導体２３１、２３２を支持する任意の適切な構造（図示せず）を有し得る。
【0122】
図１１のＡ－Ｄを参照して、いくつかのさらなる磁石について、述べられる。
【0123】
各磁石は、第１の磁石３０の変形であり、第１のトカマク１０と同等のトカマクにおいて用いられ得る。特に、各磁石は、第１の磁石３０とは異なる形状を有する内側レッグと外側レッグとを有する。各磁石は、全体として、（適切に異なった形状を有してはいるが）第１の磁石３０と実質的に同一のコンポーネントを有する。
【0124】
図１１のＡを参照すると、「第３の」磁石３３０は、外側レッグ３２２の曲率を部分的に反映するように僅かに曲がった内側レッグ３３１を含み得る。こうして、第３の磁石３３０は、曲がる程度がより少ない外側レッグ３３２、および／または、中心からより離れより低い磁場領域に位置決めされているジョイントを有するという潜在的な長所を有する。
【0125】
図１１のＢを参照すると、「第４の」磁石４３０は、実質的に対称的な内側レッグ４３１と外側レッグ４３２とを有し得るが、これは、潜在的な長所である。
【0126】
図１１のＣを参照すると、「第５の」磁石５３０は、主軸から離れ、その最上位端部と最下位端部とに向かって実質的に一定の曲率で曲がる内側レッグ５３１を含む。外側レッグ５３２は、一致する最上位部分と最下位部分とを有する。外側レッグ５３２は、一致する最上位部分と最下位部分とを有する。
【0127】
一般的に、磁石の形状と、それゆえに磁石における伝導体とは、たとえば、伝導体において好ましい動作応力／歪みを生じさせること、（動作中における）磁場に対して異方性の超伝導体の好ましい向きを生じさせること、直線状の伝導体が使われることを可能にすること、などによって、よりよい性能のために適合され得る。
【0128】
図１１のＤを参照すると、「第６の」磁石６３０は、延在した内側レッグ６３１と、延在した最上位部分と最下位部分とを有する外側レッグ６３２とを含む。
【0129】
次に、図１２のＡ－Ｂを参照して、第６の磁石６３０の内側伝導体６３１ｆと外側伝導体６３２ｆとの間にあるパンケーキ内ジョイント（intra-pancake joint）６３３について、述べられる。
【0130】
後で説明されるように、パンケーキ内ジョイントは、ハンダ６３３ａを含み得、内側伝導体６３１ｆおよび／または外側伝導体６３２ｆは、ハンダを含み得る。
【0131】
内側伝導体６３１ｆと外側伝導体６３２ｆとは、ミッドプレーンから特に大きく離れた距離まで延在している。ジョイント６３３は、内側伝導体６３１ｆと外側伝導体６３２ｆとのそれぞれの最も遠い延在部（たとえば、頂部）に位置決めされる。
【0132】
したがって、ジョイント６３３は、特に低い磁場領域９０に位置決めされるが、ここで、（動作中の）磁場９１は、ジョイント６３３の領域においてハンダ（たとえば、ハンダ６３３ａ）の上方臨界磁場９２よりも下であり得る。
【0133】
伝導体６３１ｆ、６３２ｆの一方から他方に流れる電流は、一般的には、ハンダ（たとえば、ハンダ６３３ａ）を介して流れるが、そのハンダが超伝導状態にある場合には、これは、ジョイント６３３の抵抗値を効果的に低下させ得る。
【0134】
下の表は、いくつかのハンダのいくつかの特性を示している。
【表1】
【0135】
たとえばセロロー（Cerrolow）１３６など、ある種のハンダの上方臨界磁場は、比較的高い（すなわち、約４－５ケルビンの動作温度で、１テスラのオーダー）。そのようなハンダは、ジョイント６３３の上述された位置決めを容易にするために、用いられ得る。
【0136】
第６の磁石６３０では、各ジョイント６３３は、（たとえば、図７に示されているジョイント３３と比較すると）特に細長いことがあり得る。したがって、各ジョイント６３３は、より大きな表面積を有することがあり、これも、その抵抗値を低下させ得る。
【0137】
ジョイント６３３の長さと関係なく、内側伝導体６３１ｆと外側伝導体６３２ｆとの（延在した）最上位部分と最下位部分とは、磁場エネルギーの過度の上昇を回避するため、並んで位置決めされることがあり得る。
【0138】
図に概略的に示されているように、各伝導体６３１ｆ、６３２ｆは、超伝導部分６３１ｆａ、６３２ｆａと、平行な常伝導部分６３１ｆｂ、６３２ｆｂとを含み得る。各超伝導部分６３１ｆａ、６３２ｆａは、いくつかの（円型の断面積を有する）超伝導ストランドまたは（矩形の断面積を有する）テープを含み、ハンダも含み得る。各常伝導部分６３１ｆｂ、６３２ｆｂは、銅、銅合金または銀合金など伝導率の高い金属を含む。伝導体６３１ｆ、６３２ｆの一方から他方に流れる電流は、一般的に、常伝導部分６３１ｆｂ、６３２ｆｂを介して流れる。
【0139】
ハンダ６３３ａは、ジョイント６３３から除外され得、ジョイント６３３は、単に伝導体６３１ｆと伝導体６３２ｆとを相互に押し付けることによって、作成されることがあり得る。そのような場合には、伝導体６３１ｆ、６３２ｆの関連する表面は、実質的に共形であることが好ましい。
【0140】
異なる動作温度を有する磁石
次に、図１３を参照して、「第７の」磁石７３０の一部について、説明される。
次に、図１３を参照して、「第７の」磁石７３０の一部について、説明される。
【0141】
第７の磁石７３０では、内側伝導体７３１ｆが、外側伝導体７３２ｆとは異なる動作温度を有する。後でより詳細に説明されるように、これは、超伝導体のより広い選択につながり得るのであって、それにより、（磁石７３０の冷却がより複雑になる場合があり得るが）改良された磁石７３０が製造されることが可能になり得る。
【0142】
内側伝導体７３１ｆと外側伝導体７３２ｆとの間の単一のジョイント７３３だけが、図面に示されており、後述される。第７の磁石７３０の他のジョイント及び他の伝導体は、実質的に同じであり得る。
【0143】
内側伝導体７３１ｆと外側伝導体７３２ｆとのそれぞれは、好ましくは、ケーブル・イン・コンジット伝導体であり、すなわち、（中心）冷却チャネル７３１ｆｃ、７３２ｆｃを含む。それぞれの冷却チャネル７３１ｆｃ、７３２ｆｃは、該当するジョイントによって（たとえば、図で示されているようにパンケーキ内ジョイント７３３によって）、または、任意の適切な態様で、その端部のそれぞれにおいて閉じられる。
【0144】
「第１の」（低温の）流体Ｆ１は、第１の流体入力７３４を経由して、内側伝導体７３１ｆの冷却チャネル７３１ｆｃの中に導かれる。第１の流体入力７３４と冷却チャネル７３１ｆｃとの間の接続は、任意の適切な態様でなされ得、たとえば、（図で示されているように）内側伝導体７３１ｆの側方を介して、または、内側伝導体７３１ｆの端部を介して、なされ得る。この接続は、好ましくは、内側伝導体７３１ｆの端部の近傍にある。第１の流体Ｆ１は、冷却チャネル７３１ｆｃを通過し、第１の流体入力と類似であり得る第１の流体出力（図示せず）を介して、内側伝導体７３１の他方の端部の近傍から外に出る。
【0145】
「第２の」（低温の）流体Ｆ２は、適切な第２の流体入力７３５を経由して、外側伝導体７３２ｆの冷却チャネル７３２ｆｃの中に導かれる。第２の流体Ｆ２は、冷却チャネル７３２ｆｃを通過し、適切な第２の流体出力（図示せず）を経由して、外に出る。
【0146】
第７の磁石７３０の内側伝導体７３１ｆのそれぞれの第１の流体入力と第１の流体出力とは、「第１の」低温システムに接続され得る。第１の低温システムは、たとえば、第１の流体Ｆ１の温度と圧力とを制御する。同様に、第７の磁石７３０の外側伝導体７３２ｆのそれぞれの第２の流体入力と第２の流体出力とは、「第２の」低温システムに接続され得る。適切な低温流体は、たとえば、ヘリウムまたは窒素を含む。
【0147】
異なる内側伝導体および外側伝導体
上で説明されたように、磁石（たとえば、第１の磁石３０）は、同一の伝導体から作成され同一の超伝導体を含む内側伝導体と外側伝導体（たとえば、内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆ）とを有し得る。
上で説明されたように、磁石（たとえば、第１の磁石３０）は、同一の伝導体から作成され同一の超伝導体を含む内側伝導体と外側伝導体（たとえば、内側伝導体３１ｆと外側伝導体３２ｆ）とを有し得る。
【0148】
しかし、この磁石が異なる伝導体から作成されるおよび／または異なる超伝導体を含む内側伝導体と外側伝導体とを有する場合には、付加的な（たとえば、ジョイントの着脱自在性や効果的な位置決めなどを超える）長所が獲得され得る。そのような磁石は、着脱自在である必要はない。
【0149】
上で説明されたように、外側レッグ（たとえば、外側レッグ３２）は、全体として、内側レッグ（たとえば、内側レッグ３１）とは異なる条件、たとえば、より低い磁場の影響下にある。内側伝導体と外側伝導体とは、これらの異なる条件に対して、適合させることができる。これは、たとえば、高温超伝導体（ＨＴＳ）と低温超伝導体（ＬＴＳ）との間の差異など、異なる超伝導体の特性の間の差異を利用することを含み得る。
【0150】
図１４は、様々な候補としての超伝導体の臨界電流密度と４．２ケルビンの温度における（ただし、ニオブについては５ケルビンであり、異なっている）磁場とを示している。臨界電流密度は、超伝導体における超伝導コンポーネントの単位面積当たりの臨界電流に対応する。異方性超伝導体については、黒塗りされた（closed）記号と黒塗りされていない（open）記号とが、それぞれ、ａ－ｂ平面に平行な磁場と垂直な磁場との場合のデータを表している。
【0151】
すべての超伝導体について、臨界電流（すなわち、超伝導体が、ほぼゼロの抵抗値で運ぶことが可能な最大電流）は、磁場および／または温度の上昇につれて、低下する。臨界電流は、上方臨界磁場（すなわち、超伝導体が超伝導状態を維持する最高の磁場）において、ゼロになる。上方臨界磁場は、温度の上昇に伴い低下する。
【0152】
この図から理解可能なように、ＨＴＳイットリウム－バリウム－銅－酸化物（ＹＢＣＯ）伝導体は、高い磁場において、比較的高い臨界電流を有する。さらに、適切に配列された（すなわち、ａ－ｂ平面が、磁場に対してほぼ平行である）異方性ＹＢＣＯ伝導体を用いることにより、この臨界電流は、さらに、増大され得る。
【0153】
したがって、ＹＢＣＯ伝導体は、（動作中の）磁場が最高である磁石の内側レッグで効果的に用いられ得る。原理的には、これにより、磁石が、極めて高い磁場を生じさせることが可能になり得る。
【0154】
ＹＢＣＯ伝導体は、また、比較的高い温度（たとえば、約３０ケルビン）で動作され得る。これは、冷却コストの著しい減少を生じさせ得る。上述されたように、内側レッグは、外側レッグと比較すると、はるかに高いレベルの放射線の影響下にあり、したがって、放射線に起因して、はるかに大きな熱の影響下にある。したがって、内側レッグを比較的低い温度（たとえば、約４－５ケルビン）に維持するためには、比較的高い冷却用の電力が必要とされる。
【0155】
しかし、ＹＢＣＯ伝導体自体が、比較的高コストであり得る。
【0156】
したがって、コストがより低い超伝導体を、磁石の外側レッグにおいて用いることが効果的であり得る。
【0157】
たとえば、ＬＴＳであるニオブ－チタン（ＮｂＴｉ）伝導体が、外側レッグにおいて用いられ得る。そのような伝導体は、比較的低コストであり、（特に、それらは、可撓性を有するので）作業が容易である。ＮｂＴｉは、４ケルビンでは、約１０テスラという上方臨界磁場を有し、したがって、その使用は、比較的低い磁場（約１０テスラ未満）と比較的低い温度（約５ケルビン未満）とに制限される。
【0158】
この場合には、内側レグが比較的高い温度（約３０ケルビン）で動作されるＹＢＣＯ伝導体を含むので、磁石は、２つの低温システムを必要とすることになる。これらは、第７の磁石７３０との関係で上述されたように、構成され得る。
【0159】
あるいは、ＨＴＳビスマス－ストロンチウム－カルシウム－銅－酸化物（Ｂｉ－２２１２）伝導体が、外側レッグにおいて用いられ得る。これらは、ＮｂＴｉ伝導体と比較すると、より高コストであるが、内側伝導体と外側伝導体との両方を同様の温度（約３０ケルビン）まで冷却するのに単一の低温システムが用いられ得ることを含む利点を有する。
【0160】
内側伝導体と外側伝導体とは、該当する磁場での使用のために、最適化され得る。たとえば、内側伝導体と外側伝導体とは、それらが、該当する磁場において、ほぼゼロの抵抗値で動作電流をまさに安全に（すなわち、適切な余裕を有しながら）運ぶことができるように、選択され得る。
【0161】
内側伝導体の上方臨界磁場は、一般的に、外側伝導体の上方臨界磁場よりも高くなる。
【0162】
また、異なる内側伝導体と外側伝導体とを用いることにより、そのコストを不必要に上昇させることなく、磁石の放射線耐性を向上させることが可能になり得る。上で説明されたように、内側レッグは、外側レッグよりも高いレベルの放射線の影響下にある。したがって、より高コストであっても放射線障害をより生じにくい伝導体が、内側レッグにおいては、効果的に用いられ得る。
【0163】
理解されるように、異なる内側伝導体と外側伝導体とによって提供される柔軟性は、より高い磁場、より低いコスト、より大きな信頼性などを備えた商用のトカマクのための磁石に対して、複数の可能性を開くことになる。
【0164】
他の変形例
上述された実施形態には、多くの他の変形例が存在し得るということが、理解されるであろう。
上述された実施形態には、多くの他の変形例が存在し得るということが、理解されるであろう。
【0165】
たとえば、トカマク１０のＴＦコイルに対応する磁石の代わりに、この磁石は、別の異なるタイプのトカマクにおいても用いられ得る。たとえば、この磁石は、球状トカマクにおいて、用いられ得る。球状トカマクは、比較的小さな（たとえば、２未満または１．５未満）アスペクト比（すなわち、プラズマによって占有されるトロイダル領域の短半径に対する長半径の比）を有する。換言すると、プラズマは、したがって、トロイダル型の真空容器は、比較的小さな中心孔を有する。したがって、磁石の内側レッグは、より高い磁場とより高レベルの放射線との影響下にあり得、そのために、それが利用可能な空間は、より小さなものになり得る（よって、より高い臨界電流密度が要求されることがあり得る）。これらの状況では、磁石を、異なる特性を有する異なる超伝導体を含む異なる内側レッグと外側レッグとに分割することが、合理的なコストでこれらの要件を満たすために、特に重要であり得る。
【0166】
さらに、磁石は、ステラレータなど、トカマク以外の装置においても、用いられ得る。
【0167】
磁石は、追加のパンケーキ内ジョイント（よって、追加の伝導体）を含み得る。たとえば、内側伝導体と外側伝導体との間に１対のジョイントが存在してもよい。
【0168】
ジョイントは、任意の適切な形状、サイズおよび方向を有し得る。
【0169】
ジョイントにおける比較的高レベルのオーム加熱は、いくつかの場合に、許容され得る。これは、ジョイントと、トロイダル型の磁場を生じさせる磁石の部分との間の距離が理由であり得る。
【0170】
伝導体は、任意の適切な形状を有し得る。たとえば、１つまたは複数の伝導体が曲がり、実質的にミッドプレーンに向かう方向にジョイントに近づく経路に従ってもよい。
【0171】
内側伝導体と外側伝導体とは、同一の超伝導体を含み得るが、たとえば、異なるサイズや形状、非超伝導性コンポーネント、同一の超伝導体の異なるバージョンなど、それ以外の差異を有し得る。伝導体は、２つ以上の異なる超伝導体の組合せを含み得る。内側伝導体は、外側伝導体とは異なるそのような組合せを含むことがあり得る。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】