特許 7454496 磁石アセンブリ及びトカマク

(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】2024-03-13

(45)【発行日】2024-03-22

(54)【発明の名称】磁石アセンブリ及びトカマク

(51)【国際特許分類】

   G21B 1/11 20060101AFI20240314BHJP

   G21B 1/05 20060101ALI20240314BHJP

   H01F 6/06 20060101ALI20240314BHJP

   H05H 1/12 20060101ALI20240314BHJP

【ＦＩ】

G21B1/11 A

G21B1/05

H01F6/06 110

H05H1/12

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020530503

(86)(22)【出願日】2018-12-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 GB2018053564

(87)【国際公開番号】W WO2019111019

(87)【国際公開日】2019-06-13

【審査請求日】2021-12-01

【審判番号】

【審判請求日】2023-03-27

(31)【優先権主張番号】1720518.8

(32)【優先日】2017-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】512317995

【氏名又は名称】トカマク エナジー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100195257

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 一志

(72)【発明者】

【氏名】バクストン、 ピーター

【合議体】

【審判長】波多江 進

【審判官】松川 直樹

【審判官】秋田 将行

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／１７０６４９号明細書（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

G21B1/11-1/25

H05H1/00-1/54

H01F6/00-6/06

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トカマクで使用するための磁石アセンブリであって、
内側ポロイダル磁場コイル及び外側ポロイダル磁場コイルを含むポロイダル磁場コイルアセンブリと
超伝導材料を含むトロイダル磁場コイルと、
コントローラと
を含み、
前記内側ポロイダル磁場コイルは、前記トロイダル磁場コイルの内側に設置され、
前記外側ポロイダル磁場コイルは、前記トロイダル磁場コイルの外側に設置され、
前記コントローラは、前記内側ポロイダル磁場コイルに前記外側ポロイダル磁場コイルと同じ方向に電流が流れかつ前記内側ポロイダル磁場コイル及び前記外側ポロイダル磁場コイルによって生成される合成磁場が前記トロイダル磁場コイルにおいてゼロを有するように、電流を前記内側ポロイダル磁場コイル及び前記外側ポロイダル磁場コイルに供給させるように構成される、磁石アセンブリ。

【請求項2】

各ポロイダル磁場コイルは高温超伝導体を含む、請求項１に記載の磁石アセンブリ。

【請求項3】

前記トロイダル磁場コイルはジョイントを含み、前記内側ポロイダル磁場コイル及び前記外側ポロイダル磁場コイルは、前記内側ポロイダル磁場コイル及び前記外側ポロイダル磁場コイルによって生成される合成磁場が前記ジョイントにおいてゼロを有するように配置される、請求項１又は２に記載の磁石アセンブリ。

【請求項4】

トロイダルプラズマチャンバと、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁石アセンブリとを含む、トカマク。

【請求項5】

前記トカマクは球状トカマクである、請求項４に記載のトカマク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トカマクプラズマチャンバに関する。特に、トロイダル磁場コイルに対するポロイダル磁場コイルの位置決めに関する。

【背景技術】

【0002】

核融合発電の課題は非常に複雑である。トカマク以外にも多くの代替デバイスが提案されているが、ＪＥＴのような現在稼働している最高のトカマクに匹敵するような結果をもたらしたものはまだない。

【0003】

世界最大で最も高価な（１５０億ユーロ）トカマクであるＩＴＥＲの建設が始まって以来、世界の核融合研究は新しい段階に入った。商業用核融合炉への成功ルートは、電力生産を経済的にするために必要な高効率と相まって、長パルス、安定稼働を必要とする。これら３つの条件を同時に達成することは特に困難であり、計画されているプログラムは、ＩＴＥＲ及びその他の核融合施設に関する長年の実験的研究と理論的かつ技術的研究を必要とする。このルートで開発された商業用核融合炉は２０５０年までに建設されないことが広く予想されている。

【0004】

経済的な発電（つまり、電力入力よりもはるかに多い電力出力）に必要な核融合反応を得るために、従来のトカマクは、熱核融合が発生するのに十分なほどプラズマが高温になるようにエネルギー閉じ込め時間（プラズマ体積にほぼ比例する）が十分長くなるように、（ＩＴＥＲに代表されるように）巨大でなければならない。

【0005】

特許文献１には、中性子源又はエネルギー源として使用するためのコンパクトな球状トカマクの使用を含む、代替アプローチが記載されている。球状トカマクにおける低アスペクト比プラズマ形状は熱閉じ込め時間を改善し、より小さい機械での正味の発電を可能にする。しかしながら、小径の中心柱が必要であり、プラズマ安定性に必要なトロイダル磁石の設計に課題がある。必要とされる高磁場を達成するのに十分な電流密度を可能にするために、少なくとも球状トカマクのトロイダル磁場（ＴＦ）コイルに超伝導磁石が使用される。

【0006】

超伝導材料は通常、「高温超伝導体」（ＨＴＳ）と「低温超伝導体」（ＬＴＳ）に分けられる。ＮｂやＮｂＴｉなどのＬＴＳ材料は、その超伝導性をＢＣＳ理論で説明できる金属又は金属合金である。すべての低温超伝導体は、約３０Ｋ未満の臨界温度（それを超えるとゼロ磁場でも材料が超伝導にならない温度）を有する。ＨＴＳ材料の挙動はＢＣＳ理論では説明されておらず、このような材料は約３０Ｋを超える臨界温度を有する可能性がある（ただし、ＨＴＳ材料を定義するのは、臨界温度ではなく、超伝導動作及び組成の物理的な違いであることに注意すべきである）。最も一般的に使用されるＨＴＳは「銅酸化物超伝導体」、ＢＳＣＣＯ又はＲｅＢＣＯ（ここで、Ｒｅは希土類元素、通常はＹ又はＧｄである）などの銅酸化物（酸化銅基含有化合物）をベースとするセラミックである。他のＨＴＳ材料は、鉄ニクタイド（例えば、ＦｅＡｓ及びＦｅＳｅ）と二ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ₂）とを含む。

【0007】

ＲｅＢＣＯは通常、図１に示すような構造のテープとして製造される。一般に、このようなテープ５００は通常、約１００ミクロンの厚さであり、基板５０１（通常、約５０ミクロンの厚さの電解研磨したハステロイ）を含み、基板５０１の上に、ＩＢＡＤ、マグネトロンスパッタリング、又は他の好適な技術によって、約０．２ミクロンの厚さのバッファスタック５０２として知られる一連のバッファ層が堆積される。エピタキシャルＲｅＢＣＯ－ＨＴＳ層５０３（ＭＯＣＶＤ又は他の好適な技術によって堆積される）は、バッファスタックを覆い、通常１ミクロンの厚さである。１～２ミクロンの銀層５０４が、スパッタリング又は他の好適な技術によってＨＴＳ層上に堆積され、銅安定化層５０５が、電気めっき又は他の好適な技術によってテープ上に堆積され、これは、多くの場合テープを完全に封入する。

【0008】

基板５０１は、製造ラインを通して供給されることができかつ後続の層の成長を可能にする機械的なバックボーンを提供する。バッファスタック５０２は、その上にＨＴＳ層を成長させるための二軸配向結晶テンプレートを提供するために必要とされ、その超伝導特性を損なう基板からＨＴＳへの元素の化学拡散を防止する。銀層５０４は、ＲｅＢＣＯから安定化層への低抵抗界面を提供するために必要とされ、安定化層５０５は、ＲｅＢＣＯのいずれかの部分が超伝導を停止する（「常伝導」状態になる）場合に代替的な電流経路を提供する。

【0009】

高電流容量導体を形成するために、ＨＴＳテープを配置してケーブルを形成することができる。各ケーブルには複数のテープが存在し、すべてのテープの銅安定化層が（通常、追加の銅被覆によって）接続されている。ケーブルを形成するには２つの一般的な方法があり、ＨＴＳテープを変形させかつ／又は撚り合わせることができ、又はケーブルを積み重ねることができる。変形させられ又は捩り合わされたケーブルは、この構造により磁石の結合損失が大幅に減少するため、ＡＣ又は高速傾斜磁石でよく使用される。積み重ねられたケーブルは、臨界電流Ｉ_Cを最大化するようにテープを局所磁場に対して配置するができるので、緩傾斜磁石（例えば、トカマクのＴＦコイル）でよく使用される。

【0010】

ＨＴＳテープの全長の両端の電圧は、輸送電流Ｉに高度に非線形に依存し、通常、

【数1】

によってパラメータ化される。ここで、Ｅ₀＝１００ｎＶ／ｍは、定義された臨界電流基準であり、ｎは、超伝導から常伝導への遷移の鋭さをモデル化する実験パラメータであり、ｎは通常、ＲｅＢＣＯの場合は２０～５０の範囲である。ｎの値によっては、電圧はＩ／Ｉ_Cの値が０．８以下の場合は無視できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】国際公開第２０１３／０３０５５４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

テープ内の電流が臨界電流に近づくと、ＨＴＳテープは超伝導を停止する。これは、輸送電流Ｉの増加又は臨界電流Ｉ_Cの減少のいずれかによって起こる。いくつかの要因、特に温度、外部磁場、及び歪みにより、臨界電流が減少する可能性がある。これらの因子のいずれかを減少させることは、ＨＴＳテープの安定性を改善する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の第１の態様によれば、トカマクで使用するためのポロイダル磁場コイルアセンブリが提供される。ポロイダル磁場コイルアセンブリは、内側ポロイダル磁場コイル及び外側ポロイダル磁場コイルと、コントローラとを含む。内側ポロイダル磁場コイルは、トカマクのトロイダル磁場コイルの内側に設置するように構成される。外側ポロイダル磁場コイルは、トロイダル磁場コイルの外側に設置するように構成される。コントローラは、内側ポロイダル磁場コイル及び外側ポロイダル磁場コイルによって生成される合成磁場がトロイダル磁場コイルにおいてゼロを有するように、電流を内側ポロイダル磁場コイル及び外側ポロイダル磁場コイルに供給させるように構成される。

【0014】

第２の態様によれば、トカマクで使用するための磁石アセンブリが提供される。第１の態様によるポロイダル磁場コイルアセンブリと、高温超伝導体を含むトロイダル磁場コイルとを含む磁石アセンブリ。内側ポロイダル磁場コイル及び外側ポロイダル磁場コイルは、それぞれトロイダル磁場コイルの内側及び外側に位置する。

【0015】

第３の態様によれば、トロイダルプラズマチャンバと、第２の態様による磁石アセンブリとを含むトカマクが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】ＨＴＳテープの概略図である。

【図2】ポロイダル平面におけるトカマクの断面図である。

【図3】ワイヤコイルによって生成される磁場の図である。

【図4】例示的なトカマクの断面図である。

【図5】図４のポロイダル磁場コイルアセンブリの１つの拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

トカマクの片側の断面を図２に示す。トカマク２００は、トロイダルプラズマチャンバ２０１と、リターンリム２２１及び中心柱２２２を有するトロイダル磁場（ＴＦ）コイル２２０と、ポロイダル磁場（ＰＦ）コイル２３０、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５とを含む。ＴＦコイル２２０は、プラズマチャンバ２０１内にトロイダル磁場を提供する。ＰＦコイルは、様々な機能を果たし、例えば、合体圧縮（ＭＣ）コイル２３０が、プラズマを開始するためのパルスを提供し、ダイバータコイル２３１、２３２が、トカマクの運転中にプラズマエンベロープ２０２を伸長させる。大まかに言って、ＰＦコイルは２つのグループに分けることができ、第１のグループ（ＭＣコイル２３０を含む）は通常、プラズマの初期化中に短時間だけ通電され、第２のグループ（ダイバータコイル２３１を含む）は、トカマクの運転中に長時間通電される。

【0018】

各ＰＦコイルは通常、単一の導体リングとして構成される。導体は、コイルに必要な特性に応じて、超伝導又は常伝導のいずれかであることができ、例えば、交流電流を流すコイルは、それらが超伝導材料から作られている場合、通常、高損失を経験するので、常伝導材料が好ましい。図３は、導線３０２のループによって生成される磁場３０１の（平面３００における）断面を示す。各ＰＦコイルによって同じ磁場パターンが生成される。図に示すように、ＰＦコイルの近くの磁場は比較的強い。

【0019】

再び図２を参照すると、トカマクのＰＦコイルのいくつかがＴＦコイルの近くにあることが分かる。これは、ＰＦコイルがＴＦコイルに外部磁場を印加し、ＴＦコイル内の超伝導材料の臨界電流を減少させることを意味する。

【0020】

この影響を避けるために、代替的な構造が提案される。これは、一組のダイバータコイル（図２のダイバータコイル２３１と同等）について図４に示されているが、適切な調整で任意のＰＦコイルに拡張することができる。図４は、トロイダルプラズマチャンバ４０１と、中心柱４２１及びリターンリム４２２を含むＴＦコイル４２０とを含む例示的なトカマク４００を示す。トカマク４００はまた、上部ＰＦコイルアセンブリ４３０、４４０及び下部ＰＦコイルアセンブリを含み、コイルアセンブリのそれぞれが内側ＰＦコイル４３１、４４１及び外側ＰＦコイル４３２、４４２を含む。図４に示される各特徴は、中心柱４２１に関して円筒対称性を有する。各アセンブリ内で、内側ＰＦコイル４３１、４４１はＴＦコイル４２０の内側に（すなわち、ＴＦコイル４２０とトロイダルプラズマチャンバ４０１との間）配置され、外側ＰＦコイル４３２、４４２はＴＦコイル４２０の外側に配置される。

【0021】

図５は、上部ＰＦコイルアセンブリ４３０の拡大図であり、ポロイダル平面での動作中に内側ＰＦコイル４３１及び外側ＰＦコイル４３２によって生成される磁界を示している（図を簡略化するために、トカマク内の他の構成要素による磁場は無視されている。ただし、設計プロセス中及び運用時には、これらの他の磁場が含まれ、考慮される）。ＰＦコイルアセンブリ４３０は、内側コイルと外側コイルの電流が同じ方向に（この例では「ページ内に」）流れるように構成される。２つのコイル間の磁場はゼロ５０２を形成し、ゼロは２つのコイルの相対電流に依存する距離で２つのコイル間に位置する。２つのコイルの外側では、遠距離磁場領域５０１において、各コイルによって生成される磁場は、互いに強め合う。各コイルの電流は、ＰＦコイルアセンブリによって生成される遠距離磁場５０１が図２の単一の同等の磁場コイルの場合と実質的に同じになるように、かつ２つのコイルの相対電流によってＴＦコイル４２０にゼロ５０２が形成されるように制御される。これは、ＰＦコイルアセンブリの磁場がＴＦコイルの臨界電流に及ぼす影響が同等の単一のＰＦコイルの影響に比べて大幅に低減されることを意味する。

【0022】

ＴＦコイル上のゼロの正確な位置は、ＴＦコイルの設計に基づいて選択することができる。例えば、ＴＦコイル上に一般に不安定であるか又は低いＩ_Cを有すると予想される「ホットスポット」（例えば、ジョイント）がある場合、内側ＰＦコイル４３１及び外側ＰＦコイル４３２は、ゼロがホットスポット（例えば、ジョイント）に位置するように配置されることができる。

【0023】

この構造は、トカマクの運転中に連続的に作動し、ダイバータコイルなどのＴＦコイルの近くに位置するＰＦコイルに取って代わるのに最も有利である。ただし、この構造は、磁石の他のＰＦコイルに取って代わるのに使用することもできる。

【0024】

この構造は、球状トカマク又は従来の高アスペクト比トカマクのいずれかに使用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】