JP2018534759A - Ｈｔｓ磁石のための支持構造体 - Google Patents

Abstract

ここに開示されるのは、高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む磁場コイルのための支持構造体である。支持構造体は内部荷重伝達部材を含む。内部荷重伝達部材は、磁場コイルに一端が取り付けられ、当該磁場コイルを包含する真空容器の内側表面に他端が取り付けられるように構成されるとともに、当該磁場コイルに作用する電磁力に対抗して当該磁場コイルを支持するように構成される。内部荷重伝達部材の少なくとも一部は、ＨＴＳ磁石の動作中に室温に維持されるように構成され、磁場コイルを冷却するべく使用される冷却システムによっては冷却されない。

Description

本発明は、磁石のための支持構造体に関し、詳しくは、高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む磁石のための、特にポロイダル磁場及びトロイダル磁場をトカマクに与えるべく使用される磁石のための、支持構造体に関する。

超伝導磁石は、超伝導材料のコイル（「磁場コイル」）から形成される電磁石である。磁石コイルは抵抗がゼロなので、超伝導磁石は、ゼロ損失で高電流を搬送することができ（ただし、非超伝導コンポーネントによるある程度の損失は存在する）、従来型の電磁石よりもかなり高い磁場を達成することができる。

超伝導性は、一定の材料においてのみ、かつ、低温においてのみ生じる。超伝導材料が超伝導体として振る舞うのは、超伝導体の臨界温度（材料がゼロ磁場において超伝導体となる最高温度）と、超伝導体の臨界磁場（材料が０Ｋにおいて超伝導体となる最高磁場）とにより画定される領域においてである。超伝導体の温度、及び磁場は、超伝導体が抵抗性とならずに超伝導体により搬送可能な電流の限界を提示する。

概して、超伝導材料には２つのタイプが存在する。低温超伝導体（ＬＴＳ）は３０〜４０Ｋ未満の臨界温度を有し、高温超伝導体（ＨＴＳ）は３０〜４０Ｋを上回る臨界温度を有する。多くの現行ＨＴＳ材料は、７７Ｋを上回る臨界温度を有するので、冷却用の液体窒素の使用が許容される。

磁石は低温まで冷却することを必要とするので、磁石の加熱を最小限にするべく設計されたクライオスタットの中に包含されるのが典型的である。かかるクライオスタットは典型的に、対流又は伝導による加熱を最小限にする真空チャンバを含み、磁石の温度と外部温度との中間の温度において放射による加熱を最小限にする一以上の熱遮蔽体を含み得る。

磁石の支持構造体はすべて、磁場コイルへの熱負荷を低減するべくできる限り低い温度まで冷却され、ひいては磁場コイル自体にも冷却が必要とされる。特に、磁石に取り付けられる任意のコンポーネントが、伝導による熱伝達を低減するべく冷却され、磁場コイルへの視線上にある任意のコンポーネントは、放射による熱伝達を低減するべく冷却される必要がある。

トカマクプラズマチャンバ用のトロイダル磁場コイルのような一定の磁石構造体にとって、磁石への電磁荷重は極めて高くなり得る。トロイダル磁場コイルの自己磁場は、各トロイダル磁場コイルの平面において作用する力を生じさせるが、各磁場コイルの内部から（すなわちプラズマチャンバの中の真空容器から）外側へと作用する。自己磁場から磁場コイルへの正味の力が存在しない一方、電磁（ＥＭ）力の影響は、磁場コイルの強い内部応力となる。実際のところ、トロイダル磁場コイルは、当該トロイダル磁場コイルを「破裂」に向かうように押圧する傾向がある外方圧力を常に受けているとみなすことができる。

自己磁場のほか、トカマクにおけるトロイダル磁場コイル電流と（プラズマ電流がもたらす）ポロイダル磁場との相互作用が、磁場コイルの平面に垂直な荷重をもたらす。この荷重は、対向するトロイダル方向の力によりトロイダル磁場磁石をねじるように作用する。この力は、自己磁場によりもたらされる力よりも小さいが、支持構造体に付加的応力を課し得るパルスとなる場合が多い。

トロイダル磁場コイルのＥＭ力を相殺するべく支持構造体は、コイル間構造体及びコイルケースの形態をとる。これにより、磁石アセンブリの剛性及び強度の双方が増加する。これらの構造体は、磁石を包含するクライオスタットの冷却体積内に保持され、当該磁石への熱の伝達が防止される。

国際公開第２００７／０３３８５８（Ａ１）号 欧州特許出願公開第１２５８９７３（Ａ２）号明細書 独国特許出願公開第２５２３００７（Ａ１）号明細書 欧州特許出願公開第０１５６０１７（Ａ１）号明細書

本発明の一側面によれば、高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む磁場コイルのための支持構造体が与えられる。支持構造体は内部荷重伝達部材を含む。内部荷重伝達部材は、磁場コイルに一端が取り付けられ、当該磁場コイルを包含する真空容器の内側表面に他端が取り付けられるように構成されるとともに、当該磁場コイルに作用する電磁力に対抗して当該磁場コイルを支持するように構成される。内部荷重伝達部材の少なくとも一部は、ＨＴＳ磁石の動作中に室温に維持されるように構成される。

実際のところ、動作中において、磁場コイルに取り付けられた内部荷重伝達部材の一端は実質的に磁場コイルと同じ温度（例えば約３０Ｋ）となり、他端は室温となり得る。その結果、内部荷重伝達部材に沿った温度勾配が存在する可能性が高くなる。内部荷重伝達部材の一部が冷却されること、又は内部荷重伝達部材が冷却されないことが生じ得る。

支持構造体は、外部支持部材を支持するべく構成された内側支持部材を含み得る。外部支持部材は、真空容器に統合され、又は真空容器の外側表面に取り付けられる。外部支持構造体は冷却されない。

内部荷重伝達部材は、真空容器の上側内側表面に、及び磁場コイルの上側部分に取り付けられるように構成することができる。内部荷重伝達部材は、積層材料（例えばガラス繊維エポキシ材料）を含み、積層材料の平面が、内部荷重伝達部材の荷重軸に直交する。代替的な材料は、荷重の方向に配列されてエポキシの中に埋め込まれた一方向繊維のガラス、炭素、ケブラー（登録商標）、ザイロン（登録商標）を含み、破裂応力を包含するべく複数のバンドが丸く巻かれる。適切な耐座屈性バンドが搭載された金属管も使用することができる。

磁場コイルは、（例えばプラズマをトカマクに閉じ込めるための）トロイダル磁場コイルとしてよく、内部荷重伝達部材は、トロイダル磁場コイルの戻り縁部に取り付けられるように構成される。

一実施形態によれば、ＨＴＳ磁場コイルのためのクライオスタットが与えられる。これは、上述した支持構造体と、内側支持部材及び磁場コイルを取り囲む真空容器とを含む。クライオスタットはさらに、真空容器と磁場コイルとの間に位置決めされた熱遮蔽体と、（随意的に液体窒素を使用して）当該熱遮蔽体を、当該磁場コイルの温度と当該真空容器の温度との間の中間温度まで冷却する冷却システムとを含み得る。冷却システムはまた、内部荷重伝達部材の内側部分を冷却するべく使用することもできる。内部荷重伝達部材は、熱遮蔽体を貫通してよい。

一実施形態によれば、上述したクライオスタットと、ＨＴＳ磁場コイルと、当該磁場コイルを、ＨＴＳの臨界温度未満の温度まで冷却するべく構成された冷却システムとを含む超伝導磁石が与えられる。ここで、外部支持部材が当該冷却システムによって直接冷却されることはない。

一実施形態によれば、上述したクライオスタットと、内部荷重伝達部材が取り付けられるＨＴＳトロイダル磁場コイルと、２以上のＨＴＳポロイダル磁場コイルと、球状トカマクプラズマチャンバと、当該トロイダル磁場コイル及び当該ポロイダル磁場コイルをＨＴＳの臨界温度未満の温度まで冷却するように構成された冷却システムとを含む核融合炉が与えられる。内部荷重伝達部材は、冷却システムによって直接冷却される必要がない。ポロイダル磁場コイルには第２の内部荷重伝達部材を取り付けることができる。クライオスタットの外部支持体は、冷却システムによって冷却されることがない。

一実施形態によれば、超伝導磁石が与えられる。超伝導磁石は、磁場コイル、冷却システム、真空容器及び内部荷重伝達部材を含む。磁場コイルはＨＴＳを含む。冷却システムは、磁場コイルを、ＨＴＳの臨界温度未満の温度まで冷却する。真空容器は磁場コイルを包含する。内部荷重伝達部材は、磁場コイルに一端が、磁場コイルを包含する真空容器の内側表面に他端が取り付けられるように構成され、当該磁場コイルに作用する電磁力に対抗するように当該磁場コイルを支持するように構成される。内部荷重伝達部材の少なくとも一部は、磁場コイルの動作中において室温に維持されるように構成される。

本発明のいくつかの好ましい実施形態を、単なる例により、添付図面を参照して以下に説明する。

典型的なＨＴＳ磁場コイル、クライオスタット及び支持構造体の模式図である。 支持されたトロイダルＨＴＳ磁場コイルの模式図である。

動作中にトロイダル磁場コイルに及ぼされる大きな力により、冷却体積内側の支持構造体は、高磁場及び／又は低半径のトロイダル磁場コイルにとって不十分となり得る。ＥＭ支持構造体の冷却を維持するべきとの、先行技術において認識されている必要性ゆえに、トロイダル磁場コイルから外部支持体へ力を伝えることは事実上できないが、その代わり、当該磁場コイルを支持する支持構造体自体の強度が頼りにされる。これは、特に問題となる。トロイダル磁場コイルへの荷重が軸対称（中心柱に対する回転対称）とはならず、冷却体積内に包含され得る支持構造体を設計することが困難となるからである。

超伝導磁石を構築する従来型アプローチとは対照的に、当該磁石の熱負荷に有意な差異をもたらすことなく、ＨＴＳトロイダル磁場コイルの支持体を未冷却のままにしておくことが提案されている。これを行うことができるのは、ＨＴＳ動作温度（典型的には約３０Ｋ）での余剰熱の除去のコストがＬＴＳ動作温度（典型的には約４Ｋ）での熱除去のコストよりもかなり低いからである。この余剰熱は、磁石の冷却を維持するべく必要とされるパワーを増加させるが、この余剰熱により、支持構造体の非常に単純化された設計が許容され、クライオスタット、真空容器及び熱遮蔽体のサイズが低減される（磁石自体を取り囲むだけでよく、支持体まで取り囲む必要がないからである）。

室温の支持体の使用は、核融合炉のような既に高い熱負荷を伴うアプリケーションにとって特に魅力的である。そのような炉からの熱負荷は、室温の支持体による余剰熱負荷よりもかなり高いので、冷却システムにより容易に余剰熱に対処できるからである。

加えて、従来型超伝導磁石は、ほとんどが軸対称である。電磁力により引き起こされる荷重はいずれも、冷却体積の中に包含される。

対照的に、プラズマをトカマク核融合炉に包含させるべく使用されるトロイダル磁場コイルは軸対称とはならず、極めて難しい応力分布を有する。特に、トカマクの通常動作中、トロイダル磁場コイルの自己磁場は、当該コイルの平面において外方に作用する力分布を引き起こす。

磁場コイルのための支持構造体は、当該磁石とクライオスタットの真空容器の内側表面とに接続する内部荷重伝達部材を含む。支持構造体はまた、内部荷重伝達部材が取り付けられる箇所に対応する場所において真空容器の外側表面に接続されて当該内部荷重伝達部材が及ぼす荷重に耐える外部支持部材を含み得る。外部支持部材は、例えば真空容器構造体に対する余剰補強材として、真空チャンバに統合することができる。

内部荷重伝達部材が支持する荷重は、重力荷重（すなわち磁石構造体の重量に起因）及び／又は電磁荷重（すなわち磁石構造体に作用する電磁力に起因）を含み得る。トロイダル磁場磁石の動作中、電磁荷重が重力荷重よりも有意に高くなることが予測される。

図１は、一実施形態に係る典型的なＨＴＳ磁場コイル、クライオスタット及び支持構造体を示す。ＨＴＳ磁場コイル１１は、冷却システム（図示せず）により３０Ｋまで冷却され、室温（約３００Ｋ）にある真空容器１２の内側に存在する。ＨＴＳ磁場コイルと真空容器との間には、やはり冷却システム（図示せず）により冷却される熱遮蔽体１３が存在する。この冷却は、例えば液体窒素により（又は水素若しくはヘリウムにより）、７７Ｋまでとなり得る。

与えられる温度は単なる例示にすぎない。ＨＴＳ磁場コイルは、（アプリケーションに応じて）磁石の臨界温度未満の任意の温度まで冷却することができる。熱遮蔽体は、真空容器の温度とＨＴＳ磁場コイルの温度との間の任意の温度にすることができる。真空容器とＨＴＳ磁場コイルとの間に、低下した温度の多重熱遮蔽体を設けることができる。なお、「室温」とは、精密に３００Ｋを意味するわけではなく、約２７０Ｋを上回る任意の温度をカバーすることが意図される。

ＨＴＳ磁場コイルは、内部荷重伝達部材１４及び１５によって支持される。下側内部荷重伝達部材１４は、磁石の基部に、及び真空容器の基部に接続される。上側内部荷重伝達部材１５は、磁石の頂部に、及び真空容器の上側内側表面に接続される。内部荷重伝達部材１４及び１５は双方とも熱遮蔽体を貫通し、支持体には、真空容器１２に接合された箇所の室温から、ＨＴＳ磁場コイル１１に接合された箇所のＨＴＳ動作温度までの温度勾配が存在する。内部荷重伝達部材は、磁場コイルに対してＥＭ力からもたらされる荷重を真空容器に伝達する。ＥＭ力による荷重は一般に、磁場コイルの平面内に存在し、磁場コイルから外方に向かう（トロイダル磁場コイルにおける電流とポロイダル磁場との相互作用によるいくつかのトロイダル荷重による）。

外部支持体１６が、上側内部荷重伝達部材１５により及ぼされる荷重に耐えるべく、真空容器１２の外側の上側表面に取り付けられる。外部支持体１６及び上側内部荷重伝達部材１５は、真空容器１２にのみ取り付けられるか、又は真空容器１２を貫通する構造体によって、かかる構造体が真空容器１２の封止を維持するとの条件で、互いに取り付けられる。例えば、一以上のボルトにより、内部荷重伝達部材１５を、真空容器１２の中の孔を通して外部支持体１６に取り付けることができ、ボルトの孔を通る漏洩を回避するべく、内部荷重伝達部材１５と真空容器１２との間に、及び／又は外部支持体１６と真空容器１２との間に、封止を設けることができる。さらなる例として、内部荷重伝達部材及び外部支持部材は双方とも、真空容器を貫通する筋交いを含み得る（すなわち、内側のセクションが内部荷重伝達部材として作用し、外側部分が外部支持部材として作用する）。外部支持体は、内側荷重伝達部材が真空容器に及ぼす荷重を支持する。

外部支持体は、図１に示されるように真空容器の外側にある枠又は他の構造体１６として設けられるか、又は、例えば、内部荷重伝達部材が伝達する荷重を支持するように構成された補強済み真空容器を使用することにより、当該真空容器に統合される。外部支持体は、真空容器に対する補強材と当該真空容器の外側の支持構造体との組み合わせを含み得る。

なお、熱遮蔽体を貫通する荷重伝達部材は一般に、当該熱遮蔽体に熱的に接続される。これは、可撓性リンクによって行うことができる。機械荷重が依然として室温へと移行されているが、伝達された熱の一部が、より効率的な高温で除去される。例えば、中間熱リンクは、熱的に（ただし機械的にではなく）内部荷重伝達部材を液体窒素温度遮蔽体に接続し得る。これにより高い熱負荷が課されるが、７７Ｋでの冷却が安価なため、これは重要とならない。これにより、ＨＴＳコイルに近い内部荷重伝達部材の複数のセクションを、低減された温度にすることができるので、冷却が高価となる低温での熱負荷が低減される。中間熱リンクは、内部荷重伝達部材を構成する２つの熱絶縁ブロック間の金属板を含み得る。

内部荷重伝達部材１４及び１５はそれぞれが、磁場コイル１１を支持するように作用する。各内部荷重伝達部材における力の方向が、当該部材に対する荷重軸を画定する。

内部荷重伝達部材１４及び１５は、任意の適切な耐荷重構造体としてよく、任意の十分な強度の非磁性材料としてよい。内部荷重伝達部材及びその磁場コイルへの取り付け部の構造は、磁場コイルの形状に依存するが、当業者にとっての通常の設計作業範囲内に十分収まる。特に、（従来型の被冷却支持体とは異なり）支持体のための冷却を考慮する必要がないからである。

例えば、磁場コイル２１が中心柱と複数の戻り縁部とを備えたトロイダル磁場コイルである図２に示されるように、内部荷重伝達部材２４及び２５は、中心柱の頂部及び底部に固定された柱としてよい。内部荷重伝達部材２４及び２５は、積層板が荷重の軸に直交する積層材料から形成することができる。一つの適切な積層材料が、Ｇ１０又はＧ１１ガラス繊維エポキシ積層板から形成される。複数の付加的内部荷重伝達部材２７を、戻り縁部に取り付けることができる。これらの付加的荷重伝達部材２７は、磁場コイルを支持するのに特に有益となる。電磁力に対抗する内部荷重伝達部材は、熱遮蔽体２３を貫通して真空容器２２に達する。外部支持体枠２６はまた、内部荷重伝達部材２７、２５からの荷重を支持するように設けることができ、内部荷重伝達部材２４のための外部支持体として作用するには地面となる。再びであるが、この外部枠２６は有益なことに、トロイダル磁場コイルが受ける極めて大きな電磁力に対抗する支持を与える。なお、同様の配列は、ポロイダル磁場コイル（図２に図示せず）のために設けることができる。

上述のとおり、かかる支持を、球状トカマク炉のような核融合炉のために使用することができる。球状トカマクは、トロイダルプラズマチャンバと、上述のようなトロイダル磁場コイルと、中心柱に直交する平面内の円形磁場コイルである少なくとも２つのポロイダル磁場コイルとを含む。プラズマチャンバ及びポロイダル磁場コイルのための適切な付加的支持体とともに、図２に示される支持構造体を、そのような炉のために使用することができる。例えば、ポロイダル磁場コイル及びプラズマチャンバには、これらを真空チャンバに接続する付加的内部荷重伝達部材が設けられ、これらはトロイダル磁場コイルに機械的に接続されて当該トロイダル磁場コイルを支持するのと同じ支持部材により支持され、又は２つのアプローチの所定の組み合わせを使用することができる。支持構造体をポロイダル磁場コイルに使用することと比べて相対的にはあまり利点がない。ポロイダル磁場コイルへの力は、トロイダル磁場コイルへの一般に軸対称の力と比べて一般に下側だからである。

Claims (18)

1. 高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む、磁場コイルのための支持構造体であって、
   内部荷重伝達部材を含み、
   前記内部荷重伝達部材は、前記磁場コイルに一端が取り付けられ、前記磁場コイルを包含する真空容器の内側表面に他端が取り付けられるように構成され、前記磁場コイルに作用する電磁力に対抗するように前記磁場コイルを支持するべく構成され、
   前記内部荷重伝達部材の少なくとも一部は、前記磁場コイルの動作中において室温に維持されるように構成される支持構造体。
2. 前記内側支持部材を支持するべく構成された外部支持部材を含み、
   前記外部支持部材は、前記真空容器に統合されるか又は前記真空容器の外側表面に取り付けられる請求項１に記載の支持構造体。
3. 前記内部荷重伝達部材は、前記真空容器の上側内側表面に取り付けられ、かつ、前記磁場コイルの上側部分に取り付けられる請求項１又は２に記載の支持構造体。
4. 前記内部荷重伝達部材は積層材料を含み、
   前記積層材料の平面が前記内部荷重伝達部材の荷重軸に直交する請求項１から３のいずれかに記載の支持構造体。
5. 前記積層材料はガラス繊維エポキシ材料である請求項４に記載の支持構造体。
6. 前記磁場コイルは、プラズマをトカマクに閉じ込めるためのトロイダル磁場コイルであり、
   前記内部荷重伝達部材は、前記トロイダル磁場コイルの中心柱の上側部分に取り付けられるように構成される請求項１から５のいずれかに記載の支持構造体。
7. 前記磁場コイルは、プラズマをトカマクに閉じ込めるためのトロイダル磁場コイルであり、
   前記内部荷重伝達部材は、前記トロイダル磁場コイルの戻り縁部に取り付けられるように構成された請求項１から６のいずれかに記載の支持構造体。
8. 前記磁場コイルは、プラズマをトカマクに閉じ込めるためのポロイダル磁場コイルである請求項１から７のいずれかに記載の支持構造体。
9. 高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む、磁場コイルのためのクライオスタットであって、
   請求項１から８のいずれかに記載の支持構造体と、
   前記内側支持部材及び前記磁場コイルを取り囲む真空容器と
   を含むクライオスタット。
10. 前記真空容器と前記磁場コイルとの間に位置決めされた熱遮蔽体をさらに含み、
    前記熱遮蔽体は、前記磁場コイルの温度と前記真空容器の温度との中間温度まで冷却されるように構成され、
    前記内部荷重伝達部材は前記熱遮蔽体を貫通する請求項９に記載のクライオスタット。
11. 液体窒素を使用して前記熱遮蔽体を冷却するように構成された請求項１０に記載のクライオスタット。
12. 超伝導磁石であって、
    請求項９から１１のいずれかに記載のクライオスタットと、
    高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む磁場コイルと、
    前記ＨＴＳの臨界温度未満の温度まで前記磁場コイルを冷却するように構成された冷却システムと
    を含む超伝導磁石。
13. 前記内部荷重伝達部材は、前記冷却システムによって直接冷却されることがない請求項１２に記載の超伝導磁石。
14. 前記クライオスタットの外側にある外部支持体枠と、
    荷重を前記内部荷重伝達部材から前記外部支持体枠へと伝達する一以上の外部支持体と
    をさらに含む請求項１２又は１３に記載の超伝導磁石。
15. 核融合炉であって、
    請求項９から１１のいずれかに記載のクライオスタットと、
    前記内部荷重伝達部材が取り付けられた、高温超伝導体（ＨＴＳ）を含むトロイダル磁場コイルと、
    ＨＴＳを含む２以上のポロイダル磁場コイルと、
    球状トカマクプラズマチャンバと、
    前記トロイダル磁場コイル及び前記ポロイダル磁場コイルを前記ＨＴＳの臨界温度未満の温度まで冷却するように構成された冷却システムと
    を含む核融合炉。
16. 前記ポロイダル磁場コイルに取り付けられた第２の内部荷重伝達部材を含む請求項１５に記載の核融合炉。
17. 超伝導磁石であって、
    高温超伝導体（ＨＴＳ）を含む磁場コイルと、
    前記磁場コイルを前記ＨＴＳの臨界温度未満の温度まで冷却する冷却システムと、
    前記磁場コイルを包含する真空容器と、
    内部荷重伝達部材と
    を含み、
    前記内部荷重伝達部材は、前記磁場コイルに一端が取り付けられ、前記磁場コイルを包含する真空容器の内側表面に他端が取り付けられるように構成され、前記磁場コイルに作用する電磁力に対抗するように前記磁場コイルを支持するべく構成され、
    前記内部荷重伝達部材の少なくとも一部は、前記磁場コイルの動作中において室温に維持されるように構成される超伝導磁石。
18. 前記磁場コイルは、プラズマをトカマクに閉じ込めるためのトロイダル磁場コイル又はポロイダル磁場コイルである請求項１７に記載の超伝導磁石。
    

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