JP2007033144A - ソレノイドコイル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一台のコイル電源で中心ソレノイドコイルのコイル軸方向単位長さ当りの起磁力分布を作り、かつ、コイルの設置可能空間を有効に使用することのできる、安価で高信頼のソレノイドコイル装置を提供することを目的とする。
【解決手段】核融合装置１の中心部ＣＬに配置される円筒状の中心ソレノイドコイル２０を備えたソレノイドコイル装置１２において、中心ソレノイドコイル２０を、密巻された領域のソレノイド層Ｃと粗巻された領域のソレノイド層Ｂ及びＤとをコイル軸方向に積層することにより多層の積層構造に構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、トカマク型の核融合装置において装置中心部に配置される中心ソレノイドコイルを備えたソレノイドコイル装置に関する。

トカマク型の核融合装置では、プラズマをトーラス状またはドーナツ状に封じ込めるために、あるいはプラズマの形状を制御するために、装置中心側に必要な磁束を供給する円筒状の中心ソレノイドコイルが設けられる。このときプラズマの横断面は長円または楕円形状に形成されるが、プラズマの横断面短軸方向、具体的にはプラズマの横方向（内周及び外周間の幅方向）の膨らみを抑制するためには、中心ソレノイドコイルにおけるコイル軸方向単位長さ当りの起磁力に分布を持たせる必要がある。

そこで、中心ソレノイドコイルを複数のブロックコイルから形成してそれぞれ異なった電流を流して起磁力を調整する方法が提案されてきた（特許文献１等）。しかしながら、この起磁力調整方法では複数台のコイル電源が必要となるため、中心ソレノイドコイルを駆動する電源設備も大規模で高価なものになってしまうという問題があった。

また、中心ソレノイドコイルの各ブロックコイルには、給電のためのフィーダがコイルブロックの数だけトロイダル方向に分散して設けられる。このとき、中心ソレノイドコイルのコイル軸方向の中央側に位置するフィーダラインはその上部、あるいは下部のコイルブロックの側面を通さざるを得ないので、その通過空間分だけコイルブロックの断面積が低減してしまうという問題があった。

さらに、従来の核融合装置に備えられる中心ソレノイドコイルでは高電流密度運転が避けられないのでコイルにさらに高い信頼性が要求される。
特開２０００−１７１５７８号公報

本発明は、上記事情を鑑みなされたもので、一台のコイル電源で中心ソレノイドコイルのコイル軸方向単位長さ当りの起磁力分布を作り、かつ、コイルの設置可能空間を有効に使用することのできる、安価で高信頼のソレノイドコイル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明では、核融合装置の中心部に配置される円筒状の中心ソレノイドコイルを備えたソレノイドコイル装置において、前記中心ソレノイドコイルは、密巻された領域のソレノイド層と粗巻された領域のソレノイド層とをコイル軸方向に積層して多層の積層構造に構成したことを特徴とする。

中心ソレノイドコイルに導体密巻領域と導体粗巻領域を設けることにより、１台のコイル電源でコイル軸方向に起磁力分布が付される。

請求項２に係る発明では、請求項１記載のソレノイドコイル装置において、前記中心ソレノイドコイルは、密巻された領域の中央ソレノイド層をコイル軸方向中央領域に、粗巻された領域の端部ソレノイド層をコイル軸方向端部領域にそれぞれ形成し、前記中心ソレノイドコイルをコイル軸方向に沿って３領域に区分けしたことを特徴とする。

中心ソレノイドコイルのコイル軸方向の中央領域を密巻された領域とし、コイル軸方向の端部領域を粗巻された領域としたことにより、中心ソレノイドコイルのコイル軸方向の中央付近の起磁力が端部付近に比べて強められる。

請求項３に係る発明では、請求項２記載のソレノイドコイル装置において、前記中心ソレノイドコイルの粗巻された領域の端部ソレノイド層と密巻された領域の中央ソレノイド層とを電気的にシリーズに接続したことを特徴とする。

中心ソレノイドコイルの各ソレノイド層がシリーズに接続されることにより、フィーダラインを中心ソレノイドコイルのコイル軸方向の端部から出せるので、フィーダラインによってコイル断面積が低減することはない。

請求項４に係る発明では、請求項２または３記載のソレノイドコイル装置において、前記中心ソレノイドコイルは、粗巻された領域の端部ソレノイド層のコイル軸方向の端部側に、全体の起磁力分布に影響しない範囲で導体を少数巻回させたことを特徴とする。

中心ソレノイドコイルの粗巻領域で導体をかなり粗に巻回することにより、この領域の導体がプラズマ領域に作る誤差磁場を十分低減した中心ソレノイドコイルが得られる。

請求項５に係る発明では、請求項１〜４のいずれか記載のソレノイドコイル装置において、前記中心ソレノイドコイルは、内周側の内層ソレノイドコイルと外周側の外層ソレノイドコイルとから多層構造に形成したことを特徴とする。

中心ソレノイドコイルが周方向の多層構造に形成されることにより、内層ソレノイドコイル及び外層ソレノイドコイルの積層構造に依存した起磁力の分布が得られる。

請求項６に係る発明では、核融合装置の中心部に配置される中心ソレノイドコイルを備えたソレノイドコイル装置において、前記中心ソレノイドコイルは、巻き条数が異なるソレノイドコイルをシリーズに接続して形成されたことを特徴とする。

巻条数が異なるソレノイド巻コイルをシリーズに接続して中心ソレノイドコイルを構成することにより、１台のコイル電源でコイル軸方向単位長さ当りの起磁力に条数比に対応した分布が付される。

また、ソレノイド巻コイルをシリーズに接続していることにより、コイルフィーダのルーティングによってコイル断面積が低減することはなく、したがって低電流密度運転が可能となり、コイルの信頼性を向上する。

本発明によれば、１台のコイル電源でコイル軸方向単位長さ当りの起磁力分布を作ることができ、しかも、中心ソレノイドコイルのコイル断面積を低減することなくフィーダのルーティングができ、また、低電流密度運転が可能となるので、安価でしかも信頼性が高いソレノイドコイル装置を提供することができる。

本発明に係るソレノイドコイル装置１２の第１実施形態について図１及び図２に基づいて説明する。

本発明に係るソレノイドコイル装置１２は、図１に示すように、トカマク型の核融合装置１に適用される。この核融合装置１は、内部の真空を確保する円筒ボックス状の断熱真空容器であるクライオスタット２を有し、このクライオスタット２内にトーラス状の真空容器３が収容される。真空容器３の内部にはトーラス状の収納空間４が形成され、その収納空間４にプラズマ１０がトーラス状（あるいはドーナツ状）の形状で閉じ込められる。

収納空間４の外周にはプラズマ１０を取り囲んで中性子やγ線の遮蔽を行うブランケット５と、ブランケット５の下部に備えられて核融合反応に用いられなかったヘリウムや核融合反応に必要のない不純物を磁力線により外部に排出するダイバータ６と、収納空間４とブランケット５との間に配置されプラズマ１０で発生する放射性物質の遮蔽を行う第１壁７と、を備える。

また核融合装置１に形成されたトーラス状の収納空間４の中心部ＣＬ付近には、プラズマ１０に電流を誘起し、かつ初期の過程においてプラズマ１０を加熱させる円筒状のソレノイドコイル装置１２が設けられる。このソレノイドコイル装置１２は、超電導体で形成された中心ソレノイドコイル２０を備える。

また、核融合装置１には、プラズマ１０を、中心ソレノイドコイル２０を中心軸として中心ソレノイドコイル２０の周りにトーラス状に閉じ込めるための磁力線を形成するトロイダル磁場コイル８が設けられ、このトロイダル磁場コイル８は真空容器３の外側に向かって放射状に配置される。また、真空容器５の外側の周方向に沿ってプラズマ１０の横断面形状（プラズマ１０の放射方向に向かう断面形状）を調整するポロダイル磁場コイル９が配置される。

プラズマ１０は、核融合装置１内に、中心ソレノイドコイル２０とトロイダル磁場コイル８とポロダイル磁場コイル９とが形成する磁力線によりトーラス状に磁気的に封じ込められる。

また、核融合装置１は、本体ケーシングとしてのクライオスタット２内にトロイダル磁場コイル８やポロダイル磁場コイル９等の上記の全ての構成部品を収納している。

さらに、真空容器３とクライオスタット２との間には、上部ポート１３、水平ポート１４、排気ダクト１５が設けられている。上部ポート１３は、クライオスタット２の容器内に収容された構造物の保守・点検・交換を行う開口部として機能させ、通常はプラグ（図示せず）で塞がれている。排気ダクト１５は、ダイバータ６に集められたヘリウム等を真空容器３の外に排気させる。また、水平ポート１４には、主にプラズマ加熱装置（図示せず）が挿入されている。

ここで、プラズマ１０の横断面が縦長の形状であった場合、プラズマ１０は真空容器の収納空間４の上下方向中央側の装置水平面１１近傍で横（内周及び外周間の幅方向）に膨らもうとするので、所定の断面形状のプラズマ１０を得るためには円筒状の中心ソレノイドコイル２０でプラズマ１０表面を押し戻してやる必要がある。このためには、中心ソレノイドコイル２０において、装置水平面１１近傍の領域、すなわち中心ソレノイドコイル２０のコイル軸方向中央部の起磁力をソレノイド端部領域の起磁力よりも大きくする必要がある。中心ソレノイドコイル２０にはコイル軸方向に沿って起磁力分布を付ける方法が有効である。

これを解決するために、本発明では、図２に示す方法を用いて中心ソレノイドコイル２０のコイル軸方向に沿った起磁力分布を付与している。図２は、第１実施形態の中心ソレノイドコイル２０の右半断面図を示したものである。中心ソレノイドコイル２０は、ターン間絶縁が施工された中空円筒状の導体２１をソレノイド巻して作られ、内周側及び外周側が同心円状をなす多重層巻きソレノイドコイルで構成される。第１実施形態では、中心ソレノイドコイル２０は、外層ソレノイドコイル２２と内層ソレノイドコイル２３とから構成される。

また、中心ソレノイドコイル２０（外層ソレノイドコイル２２及び内層ソレノイドコイル２３）はコイル軸方向に沿って３領域に区分けされる。すなわち、中心ソレノイドコイル２０は、ソレノイドコイルの端部側に位置する領域である端部ソレノイド層Ｂ、Ｄと中央側に位置する領域である中央ソレノイド層Ｃとを有する。

外層ソレノイドコイル２２は、端部ソレノイド層Ｂ、Ｄ及び中央ソレノイド層Ｃでコイル軸である導体２１を等しく密巻して構成される。一方、内層ソレノイドコイル２３は、端部ソレノイド層Ｂ、Ｄを粗巻し、中央ソレノイド層Ｃのみを密巻して構成される。なお、内層ソレノイドコイル２３の端部ソレノイド層Ｂ、Ｄの粗巻部２５の、コイル軸方向の端部側は、外層ソレノイドコイル２２と内層ソレノイドコイル２３とを電気的に接続するための導体２１がプラズマ領域に作る誤差磁場を低減するため、数ターン分飛ばし巻して作成される。

なお、外層ソレノイドコイル２２と内層ソレノイドコイル２３とは電気的にはシリーズ接続される。そして、フィーダライン２４は中心ソレノイドコイル２０の下端部に備えられる。

この内層ソレノイドコイル２３の巻数を調整することにより、中心ソレノイドコイル２０の起磁力分布を自在に調整することが可能である。

このように中心ソレノイドコイル２０を構成すると、１台のコイル電源で、中央ソレノイド層Ｃのコイル軸方向単位長さ当りの起磁力を、端部ソレノイド層Ｂ、Ｄのコイル軸方向単位長さ当りの起磁力の数倍（例えば２倍）にすることができる。

また、外層ソレノイドコイル２２と内層ソレノイドコイル２３とがシリーズ接続されているため、フィーダライン２４は中心ソレノイドコイル２０の下端部から採ることができ、中心ソレノイドコイル２０はその設置可能空間を一杯に使って構成することができる。

第１実施形態では、１台のコイル電源で中心ソレノイドコイル２０のコイル軸方向単位長さ当りの起磁力に分布を持たせることができるので、安価に製造され安価に運営される中心ソレノイドコイル２０が得られる。

また、第１実施形態では、コイル断面積を低減することなく中心ソレノイドコイル２０のフィーダライン２４を設けることができるため中心ソレノイドコイル２０の設置可能空間が有効に使え、その分だけ低電流密度運転ができるので信頼性が高い中心ソレノイドコイル２０が得られる。

次に、本発明に係るソレノイドコイル装置１２の第２実施形態について図３を用いて説明する。ソレノイドコイル装置１２は、図３に示す中心ソレノイドコイル３０を備える。この中心ソレノイドコイル３０は、第１実施形態において示された中心ソレノイドコイル２０の代わりに、一条巻ソレノイドコイル３１と二条巻ソレノイドコイル３２とから多層構造に構成したものである。

図３は、中心ソレノイドコイル３０の展開図である。図３に示すように、中心ソレノイドコイル３０は二条巻ソレノイドコイル３１と一条巻ソレノイドコイル３２とから構成されており、二条巻ソレノイドコイル３１と一条巻ソレノイドコイル３２とはコイル接続部３３で接続される。このとき、接続部３３近傍では、２ターン分が１ターンに変換されターン間にギャップが生じるので、このギャップをターン絶縁３４の厚みを変えることにより埋めあわせる。なお、このときの電流の向きＥを図３に示している。

第２実施形態では、二条巻ソレノイドコイル３１と一条巻ソレノイドコイル３２とをシリーズ接続して中心ソレノイドコイル３０を構成しているので、１台のコイル電源で、一条巻きソレノイドコイル３１の部分のコイル軸方向単位長さ当りの起磁力を二条巻きソレノイドコイル３２の部分の２倍にすることができる。

また、第１実施形態と同様に、コイル断面積を低減することなくフィーダラインを設けることができ、したがってコイル設置可能空間を有効に使えるのでより低い電流密度で中心ソレノイドコイル３０を運転することができる。

本発明に係るソレノイドコイルの第１実施形態を示すもので、トカマク型の核融合装置に適用した一部破断斜視図。 図１に示されたＡ部の右半断面図。 本発明に係るソレノイドコイルの第２実施形態を展開状態で示す図。 従来のトカマク型の核融合装置の右半断面図。

符号の説明

１ 核融合装置
２ クライオスタット
３ 真空容器
４ 収納空間
５ ブランケット
６ ダイバーダ
７ 第１壁
８ トロイダル磁場コイル
９ ポロダイル磁場コイル
１０ プラズマ
１１ 装置水平面
１２ ソレノイドコイル装置
１３ 上部ポート
１４ 水平ポート
１５ 廃棄ダクト
１６ フィーダライン
２０ 中心ソレノイドコイル
２１ 導体
２２ 外層ソレノイドコイル
２３ 内層ソレノイドコイル
２４ フィーダライン
２５ 粗巻部
３０ 中心ソレノイドコイル
３１ 二条巻ソレノイドコイル
３２ 一条巻ソレノイドコイル
３３ コイル接続部
３４ ターン絶縁
ＣＬ 中心部
Ｂ、Ｄ 端部ソレノイド層
Ｃ 中央ソレノイド層
Ｅ 電流の向き

Claims (6)

1. 核融合装置の中心部に配置される円筒状の中心ソレノイドコイルを備えたソレノイドコイル装置において、
   前記中心ソレノイドコイルは、密巻された領域のソレノイド層と粗巻された領域のソレノイド層とをコイル軸方向に積層して多層の積層構造に構成したことを特徴とするソレノイドコイル装置。
2. 請求項１記載のソレノイドコイル装置において、
   前記中心ソレノイドコイルは、密巻された領域の中央ソレノイド層をコイル軸方向中央領域に、粗巻された領域の端部ソレノイド層をコイル軸方向端部領域にそれぞれ形成し、前記中心ソレノイドコイルをコイル軸方向に沿って３領域に区分けしたことを特徴とするソレノイドコイル装置。
3. 請求項２記載のソレノイドコイル装置において、
   前記中心ソレノイドコイルの粗巻された領域の端部ソレノイド層と密巻された領域の中央ソレノイド層とを電気的にシリーズに接続したことを特徴とするソレノイドコイル装置。
4. 請求項２または３記載のソレノイドコイル装置において、
   前記中心ソレノイドコイルは、粗巻された領域の端部ソレノイド層のコイル軸方向の端部側に、全体の起磁力分布に影響しない範囲で導体を少数巻回させたことを特徴とするソレノイドコイル装置。
5. 請求項１〜４のいずれか記載のソレノイドコイル装置において、
   前記中心ソレノイドコイルは、内周側の内層ソレノイドコイルと外周側の外層ソレノイドコイルとから多層構造に形成したことを特徴とするソレノイドコイル装置。
6. 核融合装置の中心部に配置される中心ソレノイドコイルを備えたソレノイドコイル装置において、
   前記中心ソレノイドコイルは、巻き条数が異なるソレノイドコイルをシリーズに接続して形成されたことを特徴とするソレノイドコイル装置。

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