(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-17
(54)【発明の名称】トカマクプラズマチャンバ用の中心柱
(51)【国際特許分類】
G21B 1/11 20060101AFI20240709BHJP
H01F 6/04 20060101ALI20240709BHJP
H01F 6/06 20060101ALI20240709BHJP
H10N 60/20 20230101ALI20240709BHJP
【ＦＩ】
G21B1/11 A
H01F6/04 ZAA
H01F6/06 110
H10N60/20
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023575536
(86)(22)【出願日】2021-07-30
(85)【翻訳文提出日】2024-02-06
(86)【国際出願番号】 EP2021071497
(87)【国際公開番号】W WO2022258206
(87)【国際公開日】2022-12-15
(31)【優先権主張番号】2108265.6
(32)【優先日】2021-06-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】スレード、 ロバート
【テーマコード（参考）】
4M114
【Ｆターム（参考）】
4M114AA17
4M114BB07
4M114CC03
4M114CC11
4M114DB02
4M114DB62
4M114DB70
(57)【要約】
中心柱を有するトカマクプラズマチャンバ用のトロイダル磁場コイル。トロイダル磁場コイルは、中心柱の軸に平行に電流を伝導するためのそれぞれ１つ以上のＨＴＳテープを備える第１及び第２の高温超伝導体（ＨＴＳ）アセンブリを備える。各ＨＴＳテープは、中心柱の使用時のＨＴＳテープにおける磁場に依存する関連臨界電流を有するＨＴＳ材料を含む。中心柱はさらに、第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するように構成された冷却機構を備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
トカマクプラズマチャンバのトロイダル磁場コイル用の中心柱であって、前記中心柱の軸に平行に電流を伝導するためのそれぞれ１つ以上のＨＴＳテープを備える第１及び第２の高温超伝導体（ＨＴＳ）アセンブリであって、各ＨＴＳテープは前記中心柱の使用時の前記ＨＴＳテープにおける磁場に依存する関連臨界電流を有するＨＴＳ材料を含む第１及び第２のＨＴＳアセンブリと、
前記第１のＨＴＳアセンブリを前記第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するように構成された冷却機構と
を備える中心柱。
【請求項2】
各ＨＴＳテープの臨界電流は、前記ＨＴＳテープにおける磁場の強度に、前記磁場の強度が増加すると前記臨界電流が減少するように反比例して依存し、前記第１のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度は、第２のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度よりも大きい、請求項１に記載の中心柱。
【請求項3】
各ＨＴＳテープは、前記ＨＴＳテープのＨＴＳ材料の結晶構造に関して定められた関連する平面を有し、各ＨＴＳテープの臨界電流は、前記ＨＴＳテープにおける磁場と前記ＨＴＳテープの平面との間の磁場角度に依存し、前記臨界電流は前記角度が増大するにつれて減少し、前記ＨＴＳアセンブリは、前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場と平面との間の磁場角度が前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場と平面との間の磁場角度よりも大きいように配置される、請求項１又は２に記載の中心柱。
【請求項4】
前記各ＨＴＳアセンブリについて、前記ＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープのそれぞれの平面は互いに平行であり、任意選択で、前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの平面は、前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの平面と平行である、請求項３に記載の中心柱。
【請求項5】
前記第１のＨＴＳアセンブリと前記中心柱の軸との間の距離は、前記第２のＨＴＳアセンブリと前記中心柱の軸との間の距離よりも大きく、各距離は前記軸に垂直な平面で測定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項6】
前記冷却機構は、極低温流体を流す１つ以上のチャネルを備える、請求項５に記載の中心柱。
【請求項7】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルは、前記中心柱の軸に平行な方向に延びる、請求項６に記載の中心柱。
【請求項8】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第１のＨＴＳアセンブリとの間の熱インピーダンスは、前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第２のＨＴＳアセンブリとの間の熱インピーダンスよりも小さい、請求項６又は７に記載の中心柱。
【請求項9】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第１のＨＴＳアセンブリとの間の最短距離は、前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第２のＨＴＳアセンブリとの間の最短距離よりも短く、各距離は前記軸に垂直な平面で測定される、請求項６から８のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項10】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルは、前記第１のＨＴＳアセンブリと前記第２のＨＴＳアセンブリの両方よりも前記中心柱の軸から遠くに位置する、請求項６から９のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項11】
前記第１のＨＴＳアセンブリに隣接する前記冷却チャネルの密度は、前記第２のＨＴＳアセンブリに隣接する前記冷却チャネルの密度よりも大きく、かつ／又は前記第１のＨＴＳアセンブリに隣接する前記冷却チャネルのそれぞれの断面積は、前記第２のＨＴＳアセンブリに隣接する前記冷却チャネルのそれぞれの断面積よりも大きい、請求項６から１０のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項12】
前記第１のＨＴＳアセンブリ及び前記第２のＨＴＳアセンブリはそれぞれ、それぞれが前記ＨＴＳテープのＨＴＳ材料の結晶構造に関して定められた関連するａｂ平面を有する複数のＨＴＳテープを備え、前記ＨＴＳテープのそれぞれのａｂ平面は、各ＨＴＳアセンブリ内で互いに平行である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項13】
１つ以上のチャネルを有する支持部材をさらに備え、前記チャネル又は各チャネルは、好ましくは前記中心柱の軸に平行な方向に延び、前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリは、前記支持部材の前記１つ以上のチャネル内に設けられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項14】
前記支持部材の少なくとも一部は熱伝導性材料で作られ、前記冷却機構は、前記支持部材の一部の本体部分と連続した前記支持部材の面を通して前記支持部材の一部を冷却するように構成され、前記本体部分は、前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリが設けられた前記支持部材のチャネル又は各チャネルの１つ以上の壁を介して前記第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は前記第２のＨＴＳアセンブリと接触しており、それにより前記第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は前記第２のＨＴＳアセンブリが前記支持部材の一部によって冷却される、請求項１３に記載の中心柱。
【請求項15】
前記熱伝導性材料は、銅、好ましくは硬質銅を含む、請求項１４に記載の中心柱。
【請求項16】
前記第２のＨＴＳアセンブリの少なくとも一部分は、前記第１のＨＴＳアセンブリの半径方向内側に位置し、前記一部分は前記冷却機構によって冷却される前記支持部材の一部の本体部分と熱接触しており、それにより前記冷却機構によって冷却される前記支持部材の一部を介して前記第２のＨＴＳアセンブリの一部分から前記冷却機構に熱が伝達される、請求項１４又は１５に記載の中心柱。
【請求項17】
前記支持部材は、前記冷却機構によって冷却される前記一部の半径方向内側に位置しかつ前記冷却機構によって冷却される前記一部よりも高い機械的強度を有する他の一部を備える、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項18】
前記冷却機構は、各ＨＴＳテープを前記ＨＴＳテープ中の前記ＨＴＳ材料の臨界温度未満まで冷却するように構成される、請求項１から１７のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項19】
請求項１から１８のいずれか一項に記載の中心柱と、ＨＴＳテープの複数の巻線を備えるトロイダル磁場コイルとを備え、各巻線が前記中心柱のＨＴＳテープのそれぞれ１つを備える、トカマクプラズマチャンバ。
【請求項20】
前記トロイダル磁場コイルの巻線の周りを電流が流れるときに前記プラズマチャンバ内にトロイダル磁場を提供するように構成された複数のトロイダル磁場コイルを備え、前記中心柱は、各トロイダル磁場コイルに対してそれぞれの第１及び第２のＨＴＳアセンブリを備える、請求項１９に記載のトカマクプラズマチャンバ。
【請求項21】
請求項２０に記載のトカマクプラズマチャンバを動作させる方法であって、前記複数のトロイダル磁場コイルのそれぞれについて、前記トロイダル磁場コイルの巻線の周りに電流を流すことと、
前記第１のＨＴＳアセンブリを前記第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するために前記冷却機構を使用することと
を含む方法。
【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、例えば核融合炉で使用されるトカマクプラズマチャンバのトロイダル磁場コイル用の中心柱に関する。詳細には、本発明は、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む中心柱に関する。
【背景技術】
【0002】
超伝導材料は通常、「高温超伝導体」（ＨＴＳ）と「低温超伝導体」（ＬＴＳ）に分類される。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（ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物）又はＲＥＢＣＯ（Ｒｅは希土類元素、通常はＹ又はＧｄ）などの銅酸化物（銅酸化物基を含む化合物）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）及び二ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ2）を含む。
【0003】
ＲＥＢＣＯは通常、図１に示すような構造を有するテープとして製造される。このようなテープ１００は、一般に厚さ約１００ミクロン（マイクロメートル）であり、基板１０１（通常は厚さ約５０ミクロン（マイクロメートル）の電解研磨ハステロイ（登録商標））を含み、基板１０１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、バッファスタック１０２として知られる厚さ約０．２ミクロン（マイクロメートル）の一連のバッファ層が堆積される。エピタキシャルＲＥＢＣＯ－ＨＴＳ層１０３（ＭＯＣＶＤ又は他の好適な技術によって堆積される）がバッファスタックを覆い、通常は１ミクロン（マイクロメートル）の厚さである。１～２ミクロン（マイクロメートル）の銀層１０４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１０５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、多くの場合テープを完全に封入する。
【0004】
基板１０１は、製造ラインを通して供給す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１０２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１０４は一般に、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１０５は、ＲＥＢＣＯのいずれかの部分が超伝導ではなくなる（「常伝導」状態になる）場合に代替的な電流経路を提供する。
【0005】
ＨＴＳテープは、本明細書ではＨＴＳアセンブリとも呼ばれるＨＴＳケーブルに配置することができる。本明細書で言及するＨＴＳケーブルは、典型的には導電性材料（通常は銅）を介してそれらの長さに沿って接続される１つ以上のＨＴＳテープを備える。ＨＴＳテープは積み重ねる（すなわち、ＨＴＳ層が平行になるように配置する）ことができ、又はＨＴＳテープはケーブルの長さに沿って変化し得るテープの他の配置を有することができる。ＨＴＳケーブルの注目すべき特殊なケースは、単独のＨＴＳテープとＨＴＳ対である。ＨＴＳ対は、ＨＴＳ層が平行になるように配置された１対のＨＴＳテープを備える。基板付きテープを使用する場合、ＨＴＳ対は、タイプ０（ＨＴＳ層が互いに向かい合う）、タイプ１（一方のテープのＨＴＳ層が他方のテープの基板と向かい合う）、又はタイプ２（基板が互いに向かい合う）であることができる。３つ以上のテープを備えるケーブルは、テープのいくつか又は全部をＨＴＳ対に配置することができる。積層されたＨＴＳテープは、ＨＴＳ対の様々な配置、最も一般的には、タイプ１の対のスタック又はタイプ０の対（又は同等にタイプ２の対）のスタックのいずれかを備えることができる。
【0006】
ＨＴＳテープ（及び超伝導体全般）の重要な特性は、「臨界電流」（Ｉc）であり、これは、所与の温度及び外部磁場において、ＨＴＳが電流の一部を安定化層に駆動するのに十分な電圧を生成する電流である。超伝導体が「常伝導になった」とみなされる超伝導転移の特徴点は、ある程度任意であるが、通常は、テープがＥ0＝１０又は１００マイクロボルト／メートルを生成したときとみなされる。臨界電流は、超伝導体の温度及び超伝導体の磁場を含む多くの要因に依存し得る。後者の場合、磁場の大きさと磁場中の超伝導体結晶軸の配向の両方が重要である。
【0007】
図２は、ｘｚ平面における例示的なＲＥＢＣＯテープ２００の断面図を示す。ＲＥＢＣＯ層自体は結晶質であり、ＲＥＢＣＯ結晶の主軸がテープ内の１点について示されている。ＲＥＢＣＯテープは、ＨＴＳ層２０１、銅被覆２０２、及び基板２０３を有する簡略化された形態で示されている。ＲＥＢＣＯの結晶構造は、当技術分野でａ、ｂ、及びｃと呼ばれる、相互に垂直な３つの主軸を有する。本開示の目的では、ａｂ平面内の磁場成分の配向に対する臨界電流のいかなる依存性も無視されるので、ａ軸及びｂ軸は交換可能であるとみなすことができるため、それらは「ａｂ平面」（すなわち、ａ軸とｂ軸によって定義される平面）としてのみ考慮される。図２では、ＲＥＢＣＯ層２０１のａｂ平面は、ｃ軸２２０に垂直な単一の線２１０として示されている。多くのテープでは、ａｂ平面２１０はＨＴＳ層２０１の平面と厳密に一致しているが、これは一般的な条件ではない。
【0008】
テープの臨界電流はＲＥＢＣＯ結晶の厚さと品質に依存する。また、周囲温度と印加磁場の大きさにほぼ逆の依存性を有する。最後に、ｃ軸に対する印加磁場の向きにも依存する。印加磁場ベクトルがａｂ平面２１０内にあるとき、臨界電流は、印加磁場ベクトルがｃ軸２２０に沿って整列しているときよりもかなり高い。臨界電流は、「ａｂ平面外」の磁場配向におけるこれらの２つの極値の間で滑らかに変化する。（実際には、臨界電流がピークを示す角度は複数あるかもしれない。さらに、ピークの振幅と幅は印加磁場と温度の両方によって異なるが、この説明の目的として、最大臨界電流を与える印加Ｂ磁場の最適な配向を定義する単一の支配的なピークを有するテープを考えることができる）。
【0009】
ＲＥＢＣＯテープは通常、ｃ軸がテープの平面に対して可能な限り垂直に近いように製造される。しかしながら、市販のテープの中には、ｘ／ｙ平面の垂線から最大３５°の角度でｃ軸を有するものがある。
【0010】
ＨＴＳケーブルの場合、ケーブルが均一な温度で、その全長に沿って均一な磁場にあると仮定すると、スタック内のすべてのテープの臨界電流は比較的均一になる。この場合、ケーブルが電源に接続されると、電流はオームの法則に従って、ケーブルの端の終端抵抗の比率でテープ間に分布する。しかしながら、多くの場合、電流分布は、ケーブル内のテープの長さに沿って又は幅全体にわたって、局所的な磁場の大きさの変化、又はＲＥＢＣＯ層のｃ軸に対する磁場角度の変化など、多くの要因の影響を受ける可能性がある。
【0011】
高温超伝導体を含む磁石は、非常に高温でプラズマを閉じ込めるために、球状トカマク（ＳＴ）などの核融合炉内で使用され得る。球状トカマクは、単位プラズマ体積当たりのより高い熱出力と大きなブートストラップ電流を含む、商用核融合発電所にとって重要な利点を提供する。これらの利点により、より小型で効率的な機械の開発が可能になり、開発期間が短縮され、リサイクル電力が削減される。ＳＴの物理の理解は、パルス抵抗磁石を使用するＭＡＳＴ、ＮＳＴＸ、ＳＴ４０などの実験装置において世界中で進展が続いている。
【0012】
商用発電所は、長パルス又は連続運転のいずれかのため、及び正味の発電量を最大化するために超伝導磁石を必要とする。トロイダル磁場（ＴＦ）磁石の細い中心柱が従来の低温超伝導体（ＬＴＳ）の能力を超える超伝導体上の磁場をもたらすため、これは、以前はＳＴにとって障害となっていた。最近、複数の供給業者から高性能ＲＥＢＣＯ被覆導体（「テープ」）が商業的に入手可能になったことにより、Ｄ－Ｔ燃料を用いて正味電力利得（Ｑ＞１）を実証するという使命を持った高磁場ＳＴが、ＬＴＳを用いた従来のアスペクト比のトカマクよりも小規模で実現可能になった。軸上に４Ｔ磁場を有する長半径１．４ｍのＨＴＳ ＳＴは、適切な厚さの中性子シールド（＞２５ｃｍ）を実現できれば、この使命を達成できる。
【0013】
図３Ａは、トロイダル磁場コイル３０１と、ポロイダル磁場コイル３０３と、トロイダル磁場コイル３０１内に位置するトロイダルプラズマチャンバ３０５とを備える球状トカマク３００の垂直断面図を示す。トカマク３００はまた、プラズマチャンバ３０５とトロイダル磁場コイル３０１及びポロイダル磁場コイル３０３の中心を通って延びる中心柱３０７を備える。Ｄ形状のトロイダル磁場コイル３０１のそれぞれは、中心柱３０７の軸Ａ－Ａ’に沿って延びる概ね直線部分３０９（ＴＦコイル３０１の「内側リム」）と、直線部分３０９の両端に電気的に接続されてＤ形状を形成する湾曲部分３１１（ＴＦコイル３０１の「外側リム」）とを備える。この例では、球状トカマク３００は１．４ｍの長半径を有し、中心柱３０７は約０．６ｍの半径を有する。
【0014】
図３Ｂは、軸Ａ－Ａ’に沿って見た中心柱３０７の軸方向断面図を示す。トカマク３００は、１２個のトロイダル磁場コイル３０１を備え、各トロイダル磁場コイル３０１のそれぞれの直線部分３０９は、中心柱３０７の軸Ａ－Ａ’を中心に等角配置で角度方向に間隔を置いて配置されている。中心柱は、軸Ａ－Ａ’に沿って延びかつトロイダル磁場コイル３１１の直線部分３０９が収容される複数のチャネル３１５を有する支持部材３１３を備える。支持部材３１３は、オレンジの房のように互いに嵌合する複数の角度セグメントから形成することができ、各セグメントは、ＴＦコイル３０１のうちの１つの内側リム３０９を収容する。
【0015】
図４は、トロイダル磁場コイル３０１のうちの１つの内側リム４０１を収容する、支持部材３１３のセグメントの半分を構成する、中心柱３０７の角度セグメント４００の軸方向断面図である。角度セグメントの「上」半分のみが図４に示され、省略された「下」半分は上半分の鏡像である。複数の角度セグメント４００は、実質的に円筒形の中心柱３０７を形成するように組み立てられる。トロイダル磁場コイル３０１の内側リム４０１は、ＨＴＳケーブル４０２の複数のターンを巻くことによって形成され（複数のターン（「複数の巻線」）をまとめて「巻線」部又は「コイル」部と呼ぶことができる）、各ターンは、中心柱３０７の軸に平行に（すなわち、図４に関して紙面内に）延びるＨＴＳテープを含む。巻線部を構成するＨＴＳケーブル４０２の４つの個別のターンを示す巻線部４０１の一部分が、図５により詳細に示されている。
【0016】
一般に、ＨＴＳアセンブリ（ケーブル）４０２の既存の設計は、低温超伝導体に使用されるものに従っている。これらの設計は、ＨＴＳケーブル４０２が冷却チャネル５０５を設けた安定化材料５０２（銅又はアルミニウムなど）によって取り囲まれたＨＴＳテープのスタック５０１を備える「ケーブルインコンジット導体」（ＣＩＣＣ）構造を想定している。安定化材５０２及び冷却チャネル５０５は弱いため、インコネルなどの高強度材料で作られた構造支持体５０３を備える高強度「ジャケット」を使用して、コイルが通電されるときに生じる電磁石圧力下でのＨＴＳアセンブリ４０２の機械的変形を防止する。絶縁体５０４は、ＨＴＳケーブル４０２を互いに電気的に絶縁するために、ＨＴＳケーブル４０２の間に設けられる。ＨＴＳテープのスタック５０１は、安定化材料５０２を通る中央冷却チャネル５０５に寒剤を流すことによって冷却される。ＨＴＳアセンブリ４０２への冷却チャネル５０５と大量の柔軟な高導電性安定化材５０２の導入により、ＨＴＳアセンブリ４０２が弱くなり、比較的強い（すなわち厚い）構造支持体５０３が必要となる。ＨＴＳテープのスタック５０１は、ＨＴＳテープのスタック５０１が均一に冷却されることを確実にするために、中央冷却チャネル５０５の周りに等間隔に配置される。従来、ＨＴＳテープは、ＨＴＳテープの方向が中心柱の軸に沿って変化する「撚り」又は「転位」配置で設けられる。
【0017】
再び図４を参照すると、中心柱３０７の角度セグメント４００は、極低温構成要素（ＨＴＳケーブル４０２及び支持部材３１３）を中性子遮蔽材４０４から分離する真空ギャップ４０３を有し、中性子遮蔽材は、巻線部４０１及び支持部材３１３よりも中心柱３０７の軸から遠くに設けられる。
【0018】
ＨＴＳアセンブリ４０２へのケーブルインコンジット導体の使用は通常、１００Ａ／ｍｍ2よりもはるかに小さい巻線部の電流密度（Ｊwp）をもたらし、これは、所与の中心柱３０７の直径に対して、中性子遮蔽材４０４のために利用可能な中心柱３０７の面積が、特に小型のトカマクにおいて制限されることを意味する。その結果、ＣＩＣＣ構造により、ＨＴＳコイル部４０１は、トカマクを運転するときに望ましい核加熱よりも高い核加熱にさらされる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0019】
本発明の第１の態様によれば、トカマクプラズマチャンバのトロイダル磁場コイル用の中心柱が提供される。中心柱は、中心柱の軸に平行に電流を伝導するためのそれぞれ１つ以上のＨＴＳテープを備える第１及び第２の高温超伝導体（ＨＴＳ）アセンブリを備える。各ＨＴＳテープは、中心柱の使用時のＨＴＳテープにおける磁場に依存する関連臨界電流を有するＨＴＳ材料を含む。中心柱はさらに、第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するように構成された冷却機構を備える。
【0020】
例えば、トロイダル磁場コイルの動作中に発生する磁場により、第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流が、第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流よりも大きくなることがある。後述するように、臨界電流は、ＨＴＳテープにおける磁場の強度及び／又は磁場の磁場角度に依存することがある。詳細には、第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープにおける磁場強度及び／又は磁場角度は、第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープにおける磁場強度及び／又は磁場角度よりも大きいことがある。その結果、第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流は、第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流よりも小さいことがある。冷却機構は、臨界電流の差を補償するために、第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリよりも低い温度まで冷却するように構成することができる。
【0021】
第１のＨＴＳアセンブリと第２のＨＴＳアセンブリとの間の臨界電流の差を低減するか又は好ましくは除去することにより、輸送電流がそれらの間でより均等に分配され得る。例えば、冷却機構は、第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの臨界電流が第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの臨界電流の２０％以内、好ましくは１０％以内、より好ましくは５％以内、もしくは１％以内であることを確実にするように構成することができる。
【0022】
ＨＴＳ材料は、例えばＲＥＢＣＯであることができる。
【0023】
各ＨＴＳテープの臨界電流は、ＨＴＳテープにおける磁場の強度に反比例して依存し得る。第１のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度は、第２のアセンブリにおける磁場の強度よりも大きくなり得る。一般に、臨界電流は、磁場強度の増加と共に減少し（すなわち、臨界電流は磁場強度に反比例して依存する）、かつ温度の上昇共に減少し（すなわち、臨界電流は温度に反比例して依存する）、例えば、臨界電流は、磁場の強度（Ｂ）及び温度（Ｔ）に反比例することがあり、冷却機構は、第１及び第２のＨＴＳアセンブリにおける磁場強度の差を補償する温度分布を第１及び第２のＨＴＳアセンブリにわたって生成するように構成される。例えば、第１のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度が第２のアセンブリにおける磁場の強度よりも大きい場合、冷却機構は、第１のアセンブリを第２のアセンブリよりも低い温度まで冷却するように構成することができる。
【0024】
例えば、冷却機構は、第１のＨＴＳアセンブリと第２のＨＴＳアセンブリとの間に負の半径方向の温度勾配（ｄＴ／ｄｒ）を生成することによって、正の半径方向の磁場の勾配（ｄＢ／ｄｒ、ｒは中心柱の軸からの半径方向の距離）を補償するように構成することができる。温度勾配は、磁場の勾配によって生成される臨界電流Ｉc（Ｂ，Ｔ）の変動がほぼ相殺されるように選択することができる。
【0025】
各ＨＴＳテープは、ＨＴＳテープのＨＴＳ材料の結晶構造に関して定められた関連する平面を有することができる。平面は、例えば、図２のＲＥＢＣＯテープ２００に関連して上述したようにａｂ平面であることができる。各ＨＴＳテープの臨界電流は、ＨＴＳテープにおける磁場とＨＴＳテープの平面との間の磁場角度に依存し、臨界電流は角度が増加するにつれて減少する。ＨＴＳアセンブリは、第１のアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場と平面との間の磁場角度が、第２のアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場とａｂ平面との間の磁場角度よりも大きくなるように配置することができる。各ＨＴＳアセンブリについて、ＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープのそれぞれの平面は、互いに平行であることができる。任意選択で、第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの平面は、第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの平面と平行であることができる。例えば、第１及び第２のＨＴＳアセンブリは、それぞれが、軸を中心とするＨＴＳテープの入れ子にされた巻線を備えるそれぞれの平面的なパンケーキコイルの一部であることができ、パンケーキコイルは、向かい合った配置で互いに隣接して積み重ねられる。一例では、各ＨＴＳテープの最大臨界電流は、磁場（Ｂ）がＨＴＳテープのａｂ平面に平行であるときに発生し得る。例えば、冷却機構は、第１のアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場とａｂ平面との間の磁場角度が第２のアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場とａｂ平面との間の磁場角度よりも大きいときに、第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリよりも低い温度まで冷却するように構成することができる。
【0026】
第１のＨＴＳアセンブリと中心柱の軸との間の距離は、第２のＨＴＳアセンブリと中心柱の軸との間の距離よりも大きいことができ、各距離は軸に垂直な平面で測定される。
【0027】
冷却機構は、極低温流体、好ましくはヘリウム、より好ましくは超臨界ヘリウムを流すための１つ以上のチャネルを備えることができる。
【0028】
冷却チャネル又は各冷却チャネルは、実質的に直線状である（すなわちチャネルの中心線は直線である）ことができ（又は直線状である部分を含み）、中心柱の軸に平行な成分を有する方向に延びることができる。例えば、冷却チャネル又は各冷却チャネル及びＨＴＳテープはすべて、中心柱の軸に（実質的に）平行であることができる。
【0029】
冷却チャネル又は各冷却チャネルと第１のＨＴＳアセンブリとの間の熱インピーダンスは、冷却チャネル又は各冷却チャネルと第２のＨＴＳアセンブリとの間の熱インピーダンスよりも小さいことができる。
【0030】
冷却チャネル又は各冷却チャネルと第１のＨＴＳアセンブリとの間の最短距離は、冷却チャネル又は各冷却チャネルと第２のＨＴＳアセンブリとの間の最短距離よりも短いことができ、各距離は軸に垂直な平面で測定される。このような構成により、冷却チャネル又は各冷却チャネルは、（少なくとも距離が測定される平面において）第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却することができる。いくつかの例では、冷却チャネル又は各冷却チャネルは、中心柱の全体に沿って第２のＨＴＳアセンブリよりも第１のＨＴＳアセンブリに近いことができる。
【0031】
いくつかの実施形態では、冷却チャネル又は各冷却チャネルは、第１のＨＴＳアセンブリと第２のＨＴＳアセンブリの両方よりも中心柱の軸から遠くに位置することができる。好ましくは、冷却チャネル又は各冷却チャネルは、第２のＨＴＳアセンブリと比較して第１のＨＴＳアセンブリに優先的な冷却を提供するために、第１のＨＴＳアセンブリからよりも第２のＨＴＳアセンブリから遠くに位置する。
【0032】
第１のＨＴＳアセンブリに隣接する冷却チャネルの密度は、第２のＨＴＳアセンブリに隣接する冷却チャネルの密度よりも大きいことができる。代わりに、又は加えて、第１のＨＴＳアセンブリに隣接する冷却チャネルのそれぞれの断面積は、第２のＨＴＳアセンブリに隣接する冷却チャネルのそれぞれの断面積よりも大きいことができる。これらの構成により、冷却チャネルは、第２のＨＴＳアセンブリと比べてより大きな冷却力を第１のＨＴＳアセンブリに提供することができる。
【0033】
第１及び第２のＨＴＳアセンブリはそれぞれ、それぞれがＨＴＳテープのＨＴＳ材料の結晶構造に関して定められた関連するａｂ平面を有する複数のＨＴＳテープを備えることができ、ＨＴＳテープのそれぞれのａｂ平面は、各ＨＴＳアセンブリ内で互いに平行である。
【0034】
ＨＴＳ磁石はさらに、１つ以上のチャネルを有する支持部材を備えることができ、チャネル又は各チャネルは、好ましくは中心柱の軸に平行な方向に延びる。第１及び第２のＨＴＳアセンブリは、支持部材の１つ以上のチャネル内に設けることができる。
【0035】
中心柱の少なくとも一部は、銅、好ましくは硬質銅などの熱伝導性材料、すなわち、ＨＴＳテープ中のＨＴＳ材料の臨界温度よりも低い温度で高い熱伝導性を有する材料で作ることができる。いくつかの例では、材料は、２０Ｋから４０Ｋの範囲の温度に対して、１００Ｗ／ｍＫよりも大きい、３００Ｗ／ｍＫよりも大きい、又は７０００Ｗ／ｍＫよりも大きい熱伝導性を有することができる。冷却機構は、支持部材の一部の本体部分と連続した支持部材の面を通して（すなわち、本体部分と面との間に界面がない）支持部材の一部を冷却するように構成することができる。本体部分は、第１及び第２のＨＴＳアセンブリが設けられた支持部材のチャネル又は各チャネルの１つ以上の壁を介して第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は第２のＨＴＳアセンブリと接触しており、それにより第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は第２のＨＴＳアセンブリが支持部材の一部によって冷却される。
【0036】
第２のＨＴＳアセンブリの少なくとも一部分は、第１のＨＴＳアセンブリの半径方向内側に位置することができ、すなわち、第１のＨＴＳアセンブリよりも中心柱の軸の近くに延びる。この部分は、冷却機構によって冷却される支持部材の一部の本体部分と熱接触していることができ、それにより冷却機構によって冷却される支持部材の一部を介して第２のＨＴＳアセンブリの一部分から冷却機構に熱が伝達される。冷却機構は、冷却機構によって冷却される支持部材の一部を、中心柱の使用時の各ＨＴＳアセンブリの温度よりも低い温度まで冷却するように構成することができる。例えば、第１及び第２のＨＴＳアセンブリは、２５Ｋから３５Ｋの温度まで冷却することができ、一方、冷却機構によって冷却され得る支持部材の一部は、２０Ｋから２５Ｋの温度まで冷却することができる。
【0037】
支持部材は、冷却機構によって冷却される一部の半径方向内側に位置しかつ冷却機構によって冷却される一部よりも高い機械的強度を有する他の一部を備えることができる。他の一部は、例えば、イコネル（登録商標）から作ることができる。増加した機械的強度は、中心柱の使用時に発生するローレンツ力の結果としてのＨＴＳアセンブリによる中心柱の圧縮に抵抗する。
【0038】
冷却機構は、各ＨＴＳテープを、ＨＴＳテープ中のＨＴＳ材料の臨界温度未満まで、好ましくは３０Ｋ未満の温度まで、より好ましくは２５Ｋ未満の温度まで、例えば約２０Ｋまで冷却するように構成することができる。
【0039】
本発明の第２の態様によれば、上記の第１の態様による中心柱と、ＨＴＳテープの複数の巻線を備えるトロイダル磁場コイルとを備え、各巻線がそれぞれ１つのＨＴＳテープを備えるトカマクプラズマチャンバが提供される。トカマクプラズマチャンバはさらに、トロイダル磁場コイルの巻線の周りを電流が流れるときにプラズマチャンバ内にトロイダル磁場を提供するように構成された複数のトロイダル磁場コイルを備えることができ、中心柱は、各トロイダル磁場コイルに対してそれぞれの第１及び第２のＨＴＳアセンブリを備える（すなわち、トロイダル磁場コイルの各巻線は、第１及び第２のＨＴＳアセンブリのそれぞれ１つのＨＴＳテープを備える）。
【0040】
トロイダル磁場コイルは、例えば、巻線が、中心柱のＨＴＳテープによって形成される内側リム（Ｄ形状の直線部分に対応する）と、各巻線を構成する他のＨＴＳテープによって形成される外側リム（Ｄ形状の曲線部分に対応する）とを形成するように配置された、Ｄ形状コイルであることができる。トロイダル磁場コイルの第１の巻線に供給された電流は、コイルの他の巻線のそれぞれの周りを順番に循環し（ソレノイドのように）、電流は、巻線ごとに、内側リムに沿って流れ、外側リムを回り、内側リムに戻る。
【0041】
本発明の第３の態様によれば、上記の第２の態様によるトカマクプラズマチャンバを動作させる方法が提供される。方法は、複数のトロイダル磁場コイルのそれぞれについて、
トロイダル磁場コイルの巻線の周りに電流を流すことと、
第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するために冷却機構を使用することと
を含む。
トロイダル磁場コイルの巻線の周りに電流を流すことと、
第１のＨＴＳアセンブリを第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するために冷却機構を使用することと
を含む。
【0042】
冷却機構が１つ以上の冷却チャネルを備える場合、冷却機構を使用することは、冷却チャネル又は各冷却チャネルを通して超臨界ヘリウムなどの極低温流体を流すことを含むことができる。
【0043】
トロイダル磁場コイルによって生成される磁場は、例えば、それぞれの第１のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度が、それぞれの第２のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度よりも大きいようにすることができる。代わりに、又は加えて、それぞれの第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープにおける磁場とａｂ平面又は各ａｂ平面の平面との間の磁場角度は、それぞれの第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの磁場とａｂ平面との間の磁場角度よりも大きいことができる。
【0044】
本発明の第４の態様によれば、トカマクプラズマチャンバのトロイダル磁場コイル用の中心柱が提供される。中心柱は、中心軸の周りに間隔を置いて配置された複数のチャネルを有する支持部材を備える。各チャネルは、各チャネルに設けられた、中心軸に平行に電流を伝導するための超伝導体材料の１つ以上の層を備える導体要素を有する。中心柱はさらに、核融合炉としてのトカマクプラズマチャンバの運転前又は運転中に、中心軸に垂直な半径方向に沿った各導体要素全体にわたる下向きの温度勾配を生成（又は維持）するために超伝導体材料を冷却するように構成された冷却機構を備え、それにより各導体要素の温度は半径方向に沿って中心軸から離れるにつれて低下する。
【0045】
各導体要素全体にわたる温度勾配は、中心軸からの距離の増加に伴う磁場強度の増加及び／又は最適でない磁場角度を少なくともある程度補償することによって、導体要素の超伝導体材料内の電流対臨界電流（Ｉ／Ｉc）の比を半径方向でより均一にするのに役立つ。
【0046】
冷却機構は、極低温流体を流すために支持部材を通って延びる１つ以上の冷却チャネルを備えることができる。冷却チャネルの密度及び／又は冷却チャネルのそれぞれの断面積は、極低温流体が冷却チャネルを通って流れるときに、支持部材の半径方向内側部分と半径方向外側部分に差別的な冷却を提供するために、支持部材を横切って半径方向に増加することができる。
【0047】
冷却機構は、冷却チャネルを通る極低温流体の流量を制御するためのレギュレータを備えることができ、冷却チャネル及びレギュレータは、第１セットの冷却チャネルを通して第２セットの冷却チャネルよりも大きな流量を提供するように構成され、第１セットの冷却チャネルは、第２セットの冷却チャネルよりも中心軸から遠くに位置する。
【0048】
各導体要素は、冷却チャネルのそれぞれの１つを画定するためにチャネルの１つ以上の壁から間隔を置いて配置することができる。
【0049】
各導体要素は、超伝導体材料の複数の層を備え、これらの層は、半径方向に対して実質的に垂直に配置することができる。
【0050】
使用時に、各導体要素について、超伝導体材料の第１の層の平均温度は、超伝導体材料の第２の層の平均温度よりも高いことができ、第１の層は第２の層よりも中心軸の近くに位置する。第１の層は、導体要素の半径方向に最も内側の層であることができ、第２の層は、導体要素の半径方向に最も外側の層であることができる。冷却チャネルは、使用時に、極低温流体が各導体要素の第２の層に接触するように配置することができる。
【0051】
各導体要素は、導体要素が設けられる支持部材のチャネルの一部分（例えば、壁）に接触することができ、その部分は中心軸に垂直な方向に延在し、熱伝導性材料で作られる。熱伝導性材料は、銅、好ましくは硬質銅であることができ、又は銅、好ましくは硬質銅を含むことができる。
【0052】
超伝導体材料は、ＲＥＢＣＯなどの高温超伝導体（ＨＴＳ）材料であることができる。
【0053】
各導体要素は、チャネル内に並んで配置されたＨＴＳテープの複数のスタックを備えることができ、好ましくは隣接するスタックの間に絶縁体材料が設けられる。冷却チャネル又は各冷却チャネルは、それぞれの導体要素の面にまたがることができる。
【0054】
極低温流体は、ヘリウム、好ましくは超臨界ヘリウムであることができる。
【0055】
本発明の第５の態様によれば、上記の第４の態様による中心柱と、複数のトロイダル磁場コイルとを備え、各トロイダル磁場コイルがそれぞれ１つ以上の導体要素を備えるトカマクプラズマチャンバが提供される。
【0056】
本発明の第６の態様によれば、上記の第４の態様による中心柱と、複数のトロイダル磁場コイルとを備え、各トロイダル磁場コイルがそれぞれ１つ以上の導体要素を備えるトカマクプラズマチャンバを動作させる方法であって、各トロイダル磁場コイルに電流が供給される前及び／又は供給されている間に冷却チャネルに極低温流体を流すことを含む方法が提供される。極低温流体は、ヘリウム、好ましくは超臨界ヘリウムであることができる。極低温流体の流量は、核融合炉としてのトカマクプラズマチャンバのパルス運転前及び／又はパルス運転中に増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】先行技術のＨＴＳテープの概略斜視図である。
【図2】テープのａ－ｂ面及びｃ軸を示すＨＴＳテープの概略断面図である。
【図3A】トカマクの概略断面図である。
【図6】本発明によるトカマクの中心柱のセグメントの概略軸方向断面図である。
【図7】本発明による中心柱の巻線部の概略軸方向断面図である。
【図8】本発明による中心柱のセグメントの概略軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0058】
本発明の目的は、トカマクプラズマチャンバの既存の中心柱に関する上述の問題のいくつかを克服するか又は少なくとも軽減することである。いくつかの実施形態では、本発明は、トカマクプラズマチャンバを運転するときに中心柱（トロイダル磁場コイルの「内側」脚を形成する）の軸に沿って延びるＨＴＳケーブル（すなわちＨＴＳ「アセンブリ」）間の輸送電流の分布が既存の中心柱と比較してより均一である中心柱を製造することを可能にする。詳細には、輸送電流のより均一な分布は、トロイダル磁場コイルの一方のＨＴＳケーブル内のＨＴＳテープをトロイダル磁場コイルの他方のＨＴＳケーブル内のＨＴＳテープに対して優先的に冷却する冷却機構を提供することによって実現することができる。このような冷却は、２つのＨＴＳケーブルのＨＴＳ材料内の臨界電流の差（すなわち、不均衡）を補償する。臨界電流の差を低減又は除去することにより、輸送電流は中心柱内のＨＴＳケーブル間でより均等に配分される。例えば、臨界電流に対する輸送電流の割合は、ＨＴＳケーブルに対してより一定であることができる。ＨＴＳ材料の差別的な冷却は、ＨＴＳ材料が中心柱のどこに位置するかにかかわらず、ＨＴＳ材料に均一に高い冷却速度を提供することを目的とする既存の中心柱で使用されたアプローチとは対照的である。
【0059】
ＨＴＳ材料の使用は、ＬＴＳ材料とは対照的に、一般に、２つ（又はそれ以上）のＨＴＳケーブル間のより大きな温度差が超伝導性の喪失（又は部分的喪失）による熱暴走のリスクなしに存在できることを意味する。例えば、ＬＴＳ材料を使用する既存の磁石では、ＬＴＳ材料の温度マージン、すなわち、動作温度と熱暴走が始まる臨界温度との差は、１Ｋ未満である可能性がある。対照的に、ＨＴＳ材料の場合、温度マージンは１桁高い可能性があるため、ＨＴＳ磁石は、超伝導性の喪失なしにその巻線全体にわたるより大きな温度勾配に耐えることができる。
【0060】
図６は、トカマクプラズマチャンバ（例えば、図３Ａのトカマク３００）の中心柱６００の角度セグメントの軸方向断面図である。図４（及び後述する図８）と同様に、図６には角度セグメントの半分のみが示されており、角度セグメントの省略された半分は、図に示されているものの鏡像である。中心柱６００は、図３Ｂ及び図４の支持部材３１３と同様の支持部材６１３を備える。支持部材６１３は、中心柱６００の軸に平行に（すなわち、図６の紙面内に）延び、「巻線部」６０２として配置された複数のＨＴＳアセンブリ６０１を収容するチャネルを備える。各ＨＴＳアセンブリ６０１は、中心柱６００の軸に平行な方向に（すなわち、図６の紙面内に）細長い。図６に示す実施形態では、各ＨＴＳアセンブリ６０１は複数のＨＴＳテープを備え、各ＨＴＳテープは、その最長軸が中心柱６００の軸に（実質的に）平行であるように整列される。各ＨＴＳアセンブリ６０１はまた、少なくとも中心柱６００の軸に向かう成分を有する方向に、すなわち中心柱の半径に沿って延びる。ＨＴＳアセンブリ６０１はスタックとして配置され、ＨＴＳアセンブリ６０１の長さは角度セグメントの形状を効率的に利用するために異なっており、すなわち、スタックの端にあるＨＴＳアセンブリ６０１（例えば、図６に関してスタックの最上部にあるＨＴＳアセンブリ６０１）の長さは、スタックの中央にあるＨＴＳアセンブリ６０１の長さよりも短い。
【0061】
中心柱６００はまた、支持部材６１３と、トカマクが使用されている（すなわち、核融合炉として動作する）ときに、支持部材６１３とＨＴＳアセンブリ６０１の核加熱を制限するために支持部材６１３を取り囲む核遮蔽６０４との間に真空ギャップ６０３を備える。支持部材６１３は、（他の金属及び／又は合金を使用することができるが）銅から作ることができ、単一の部品として形成することができ、又は図８に関連して後述するように、２つ以上の部品から形成することができる。
【0062】
図７は、支持部材６１３のチャネル内に設けられた巻線部６０２の一部を示す中心柱６００の軸方向断面図である。図７に示す巻線部６０２は、（図６に示す３つのＨＴＳアセンブリ６０１のスタックではなく）４つのＨＴＳアセンブリ７０１のスタックを備える。一般に、スタックは、中心柱６００のサイズ及びＨＴＳテープの寸法によってのみ制限される任意の数のＨＴＳアセンブリ６０１を備えることができる。例えば銅又はアルミニウムから作られた一対の安定化層７０２Ａ、７０２Ｂは、ＨＴＳアセンブリ７０１のスタックの両側で、スタックと巻線部６０２を収容する支持部材６１３のチャネルの対向する壁との間に設けられる。チャネルの壁は、ＨＴＳテープの変形及び起こり得る損傷を防ぐために、ＨＴＳアセンブリ７０１のための構造支持体７０３として機能する。この例では、電気絶縁層７０４が、ＨＴＳアセンブリ７０１を互いに分離するために、ＨＴＳアセンブリ７０１のそれぞれの隣接する対の間に設けられる。
【0063】
ＨＴＳアセンブリ７０１はそれぞれ、向かい合って配置されたＨＴＳテープのアレイを備え、ＨＴＳテープは互いに平行に延び、それぞれの面を介して互いに接触する。この場合、ＨＴＳテープの各アレイは、図３Ａに示されるＴＦコイル３０１などのトロイダル磁場（ＴＦ）コイルの一部である、それぞれのパンケーキコイルの一部を形成する。この配置は、中心柱６００の軸から最も遠いＨＴＳアセンブリ７０１の端部の冷却により、介在するＨＴＳテープを介してＨＴＳアセンブリ７０１の他方の端部を冷却することができるように、ＨＴＳテープ間で効率的に熱を伝達することを可能にする。
【0064】
核融合スケールのＨＴＳ磁石における撚り又は転位のないＨＴＳアセンブリ（「ケーブル」）の使用については議論の余地がある。しかしながら、これらの特徴は、名目上、ＡＣ損失を最小限に抑え、テープ間の均等な電流共有を確実にするために、核融合磁石用のＬＴＳケーブルから引き継がれている。しかしながら、コーティングされたＲＥＢＣＯ導体の比較的大きなサイズは、撚りピッチが長く、損失低減が実際には最小限であることを意味する。逆に、高温での動作によってもたらされる熱安定性の増大は、撚りや転位のない大型コイルの安定動作が実現可能であることを意味する。（上述のＨＴＳアセンブリ７０１にあるような）積層テープ設計の選択はまた、ＲＥＢＣＯのａｂ平面を局所磁場ベクトルとより良く位置合わせすることによって、３～５倍高い臨界電流を実現することを可能にし、これは上述のＴＦ中心柱６００において可能である。
【0065】
冷却チャネル７０５は、巻線部６０２の半径方向最外端に設けられ、すなわち、中心柱６００は、巻線部６０２が中心柱６００の軸と冷却チャネル６０３との間に設けられるように配置される。この例では、ＨＴＳアセンブリ７０１の面は共に冷却チャネル７０５の壁の１つを形成し、極低温流体（超臨界ヘリウムなど）が冷却チャネル７０５を流れるときに流体がＨＴＳテープの半径方向最外面に接触し、ＨＴＳテープの半径方向最外面を優先的に冷却することができるようにする。
【0066】
図６の中心柱６００は、図４の中心柱４００と同じ半径を有するが、少なくとも部分的には、冷却チャネル７０５が巻線部６０２の外側に設けられるため、著しく小さな面積を占める巻線部６０２を有する。したがって、図６及び図７に示す巻線部６０２は、ＣＩＣＣ型ＨＴＳアセンブリ４０２を備える図４の巻線部４０２よりもかなり高い巻線部電流密度（Ｊwp約３５０Ａ／ｍｍ2）を提供することができる。さらに、中心柱６００のより大きな割合を核遮蔽６０４に使用することができ、これにより、トカマクを運転するときの核加熱率が低下し、中心柱６００への損傷が減少するとともに、ＨＴＳアセンブリ６０１のＨＴＳテープ中の臨界電流の中性子誘起劣化のリスクが減少する。厚い中性子遮蔽材６０４に起因する核加熱の低下は、ＨＴＳアセンブリの半径方向内側部分が、例えば、図８を参照して後述するように、流れる超臨界ヘリウムの環で支持部材６１３を取り囲むことにより、支持部材６１３を介した伝導冷却によって冷却され得ることも意味する。さらに、冷却チャネルを巻線部６０２の外側に配置することにより、巻線部６０２の機械的完全性は高いままであり、その結果、各ＨＴＳアセンブリ７０１の周りの厚い高強度のジャケット（すなわち支持構造）を必要としないことができ、それによりＨＴＳテープがより多くのスペースを占めることが可能になり、ＨＴＳアセンブリ６０１の熱伝導率が増加する。
【0067】
図８は、例示的な中心柱８００のセグメント（の半分）を通る軸方向断面図であり、例示的な中心柱８００は、支持部材が、トロイダル磁場コイルが動作するときの中心柱への高い機械的負荷に抵抗するために、（例えば）イコネル（登録商標）合金から作ることができる半径方向内側部分８０１Ａを備えることを除いて、図６の中心柱６００と同様である。支持部材はまた、硬質銅などの銅で作ることができる半径方向外側部分又は「サイドバー」８０１Ｂを備え、サイドバーは、図７に関連して説明したＨＴＳアセンブリ７０１と同様の６つのＨＴＳアセンブリ８０２Ａ、８０２Ｂ、８０２Ｃ（図８にはそのうちの３つのみを示す）のスタックを備える巻線部８０２を横切って延びる。この例では、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ、８０２Ｂ、８０２Ｃは、スタックとして配置された３つのパンケーキコイル（の実質的に直線部分）であり、各パンケーキコイルは、それぞれが複数のＨＴＳ材料層を含むＨＴＳテープ（例えば、図１に関連して上述したＨＴＳテープ１００）を備える。
【0068】
中心柱８００はまた、「内部」冷却チャネル８０５がサイドバー８０１Ｂ内に含まれる点で、図６の中心柱６００と異なる。冷却チャネル８０５は、中心柱８００の軸に平行な方向に、すなわち図８の紙面内に延びている。この構成により、サイドバー８０１Ｂは、冷却チャネル８０５内を流れる極低温流体によって内部から冷却することが可能になる。
【0069】
当然ながら、２つ以上の内部冷却チャネル８０５をサイドバー８０１Ｂ内に設けることができ、冷却チャネル８０５の数及び／又は密度及び／又はチャネル８０５の断面積は、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃ内のＨＴＳテープの臨界電流がより均一になるように中心柱８００内の温度分布を変更するために変化を持たせられる。
【0070】
トカマクの運転中に、トロイダル磁場は、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃを備えるパンケーキコイル（及び図８には示されていない中心柱８００の対応する他のセグメントのパンケーキコイル）の巻線の周りの電流の循環によって生成される。磁場は、中心柱８００を横切って半径方向に変化し、中心柱８００の軸Ａ～Ａ’上の０から始まり、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃのそれぞれを横切って（すなわち、図８の左から右へ）ほぼ直線的に増加する。
【0071】
ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃが異なる量だけ概ね半径方向内側に（すなわち、少なくとも中心柱８００の軸に向かう成分を有する方向に）延びるため、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２ＣのＨＴＳテープは、異なる強度の磁場を受ける。ＨＴＳテープは、この例ではすべてが互いに平行に配置されているため、各ＨＴＳテープにおける磁場の角度も、ＨＴＳテープがどのＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃに属するかに応じて異なる。例えば、セグメントの中央寄りに（すなわち、図８の下部に）位置するＨＴＳアセンブリ８０２ＡのＨＴＳテープに対する磁場の整列（アライメント）は、サイドバー８０１Ｂに最も近いＨＴＳアセンブリ８０２ＣのＨＴＳテープに対する磁場の整列よりも、超伝導にとって好ましい。異なる磁場強度とアライメントの複合効果は、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃの臨界温度が異なることを意味する。例えば、磁場アライメントがより有利であり、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ全体にわたる磁場強度が全体としてより低いＨＴＳアセンブリ８０２Ａは、約４０Ｋの臨界温度を有することができ、一方、他の２つのＨＴＳアセンブリ８０２Ｂ～８０２Ｃは、それぞれ約３７Ｋ及び３２Ｋのより低い臨界温度を有することができる。
【0072】
図９は、図８の中心柱８００のセグメントに重ねて、超臨界ヘリウム流による能動冷却を考慮した、核融合炉としてのトカマクのパルス運転後の中心柱８００における温度分布に関するモンテカルロＮ粒子輸送（ＭＣＮＰ）シミュレーション及び熱有限要素解析（ＦＥＡ）の結果を示す。冷却チャネル８０５は、明確にするために図９では省略されている。核融合パルスの前に、各ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃは約２０Ｋまで冷却される。３５ＭＷの核融合パルス中、約５０ｋＷの熱が中心柱８００に伝達され、各ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃのそれぞれの温度が約３５Ｋ（ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ）、３３．５Ｋ（ＨＴＳアセンブリ８０２Ｂ）及び３１Ｋ（ＨＴＳアセンブリ８０２Ｃ）まで上昇する。シミュレーションは、核熱負荷が中心柱８００にわたって半径方向に変化することを示し、最も高い核熱負荷はＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃの半径方向最外端で発生することが判明し、中心柱８００の軸の近くで約２分の１に減少する。しかしながら、より多くの熱がこのチャネルに流れ、チャネルに最も近い構成要素からヘリウム冷却材に除去されるため、温度は冷却チャネル８０５の位置により反対方向に変化する。
【0073】
代わりに又は加えて、「外部」冷却チャネルをサイドバー８０１Ｂの外側に設けることができ、「外部」冷却チャネルは、巻線部８０２（すなわち、ＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃの面）とサイドバー８０１Ｂの面の両方にまたがり、冷却チャネルの壁の１つがサイドバー８０１Ｂ及びＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃの半径方向に最も外側の面で形成されるようにする。この構成により、サイドバー８０１Ｂ及びＨＴＳアセンブリのこれらの面が、冷却チャネル内を流れる極低温流体によって冷却されることが可能になる。一例では、冷却チャネルは、中心柱８００の周りに連続的に延びて、各セグメントのＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃ及びサイドバー８０１Ｂを取り囲む環を形成することができる。使用時に、超臨界ヘリウムは冷却チャネルを通って流れ、サイドバー８０１Ｂ及びＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃを直接冷却する。すなわち、超臨界ヘリウム（又は他の極低温流体）は、サイドバー８０１Ｂ及びＨＴＳアセンブリ８０２Ａ～８０２Ｃのそれぞれの面に接触して、それらを冷却することができる。詳細には、超臨界ヘリウムに接触するサイドバー８０１Ｂの面は、高い熱伝導率を確実にするために、サイドバー８０１Ｂの異なる領域間でサイドバー８０１Ｂ内に界面なしに、サイドバー８０１Ｂの残りの部分と連続していることができる。
【0074】
本発明の様々な実施形態について上述したが、これらは例として示したものであり、限定するものではないことを理解すべきである。本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、本発明において形態及び詳細の様々な変更を行うことができることが、当業者には明らかであろう。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2024-02-08
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
トカマクプラズマチャンバ用の中心柱であって、前記中心柱の軸に平行に電流を伝導するためのそれぞれ１つ以上のＨＴＳテープを備える第１及び第２の高温超伝導体（ＨＴＳ）アセンブリを備えるトロイダル磁場コイルであって、各ＨＴＳテープは前記トロイダル磁場コイルの使用時の前記ＨＴＳテープにおける磁場に依存する関連臨界電流を有するＨＴＳ材料を含むトロイダル磁場コイルと、
前記第１のＨＴＳアセンブリを前記第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するように構成された冷却機構と
を備える中心柱。
【請求項2】
各ＨＴＳテープの臨界電流は、前記ＨＴＳテープにおける磁場の強度に、前記磁場の強度が増加すると前記臨界電流が減少するように反比例して依存し、前記第１のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度は、第２のＨＴＳアセンブリにおける磁場の強度よりも大きい、請求項１に記載の中心柱。
【請求項3】
各ＨＴＳテープは、前記ＨＴＳテープのＨＴＳ材料の結晶構造に関して定められた関連する平面を有し、各ＨＴＳテープの臨界電流は、前記ＨＴＳテープにおける磁場と前記ＨＴＳテープの平面との間の磁場角度に依存し、前記臨界電流は前記磁場角度が増大するにつれて減少し、前記ＨＴＳアセンブリは、前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場と平面との間の磁場角度が前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場と平面との間の磁場角度よりも大きいように配置される、請求項１又は２に記載の中心柱。
【請求項4】
前記各ＨＴＳアセンブリについて、前記ＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープのそれぞれの平面は互いに平行である、請求項３に記載の中心柱。
【請求項5】
前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの平面は、前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープの平面と平行である、請求項４に記載の中心柱。
【請求項6】
前記冷却機構は、極低温流体を流す１つ以上の冷却チャネルを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項7】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルは、前記中心柱の軸に平行な方向に延びる、請求項６に記載の中心柱。
【請求項8】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第１のＨＴＳアセンブリとの間の熱インピーダンスは、前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第２のＨＴＳアセンブリとの間の熱インピーダンスよりも小さい、請求項６又は７に記載の中心柱。
【請求項9】
前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第１のＨＴＳアセンブリとの間の最短距離は、前記冷却チャネル又は各冷却チャネルと前記第２のＨＴＳアセンブリとの間の最短距離よりも短く、各距離は前記軸に垂直な平面で測定される、請求項６から８のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項10】
１つ以上のチャネルを有する支持部材をさらに備え、前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリは、前記支持部材の前記１つ以上のチャネル内に設けられる、請求項１から９のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項11】
前記チャネル又は各チャネルは、前記中心柱の軸に平行な方向に延びる、請求項１０に記載の中心柱。
【請求項12】
前記支持部材の少なくとも一部は、熱伝導性材料で作られた本体部分を備える、請求項１０又は１１に記載の中心柱。
【請求項13】
前記熱伝導性材料は銅を含む、請求項１２に記載の中心柱。
【請求項14】
前記冷却機構は、前記本体部分の面を通して前記本体部分を冷却するように構成され、前記本体部分は、前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリが設けられた前記支持部材のチャネル又は各チャネルの１つ以上の壁を介して前記第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は前記第２のＨＴＳアセンブリと接触しており、それにより前記第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は前記第２のＨＴＳアセンブリが前記本体部分によって冷却される、請求項１３に記載の中心柱。
【請求項15】
前記冷却機構は、前記本体部分内に冷却チャネルを備え、前記本体部分は、前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリが設けられた前記支持部材のチャネル又は各チャネルの１つ以上の壁を介して前記第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は前記第２のＨＴＳアセンブリと接触しており、それにより前記第１のＨＴＳアセンブリ及び／又は前記第２のＨＴＳアセンブリが前記本体部分によって冷却される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項16】
前記第２のＨＴＳアセンブリの少なくとも一部分は、前記第１のＨＴＳアセンブリの半径方向内側に位置し、前記一部分は、前記本体部分と熱接触しており、それにより前記本体部分を介して前記第２のＨＴＳアセンブリの一部分から前記冷却機構に熱が伝達される、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項17】
前記支持部材は、前記本体部分の半径方向内側に位置しかつ前記本体部分よりも高い機械的強度を有する他の一部を備える、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項18】
前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリを備える巻線部と、前記巻線部の側面にわたって延在する支持部材とをさらに備え、前記冷却機構は、前記支持部材の内部にチャネルを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項19】
前記第１及び第２のＨＴＳアセンブリはそれぞれ、軸の周りに巻かれたＨＴＳテープの入れ子になった巻線を含むそれぞれの平面コイルの一部を含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の中心柱。
【請求項20】
請求項１から１９のいずれか一項に記載の中心柱を備えるトカマクプラズマチャンバであって、前記トロイダル磁場コイルの巻線の周りを電流が流れるときに前記プラズマチャンバ内にトロイダル磁場を提供するように構成された複数のトロイダル磁場コイルを備え、各トロイダル磁場コイルは、それぞれの第１及び第２のＨＴＳアセンブリを備える、請求項１９に記載のトカマクプラズマチャンバ。
【請求項21】
請求項２０に記載のトカマクプラズマチャンバを動作させる方法であって、前記複数のトロイダル磁場コイルのそれぞれについて、前記トロイダル磁場コイルの巻線の周りに電流を流すことと、
前記第１のＨＴＳアセンブリを前記第２のＨＴＳアセンブリに対して優先的に冷却して前記第２のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流に対する前記第１のＨＴＳアセンブリのＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの臨界電流の差を低減又は除去するために前記冷却機構を使用することと
を含む方法。
【国際調査報告】