JP2023525788A - 超伝導電磁石 - Google Patents

Abstract

１つ以上の溝を有する電磁石。各溝は、溝に設けられた、溝の軸に沿って電流を伝導するための超伝導体材料の１つ以上の層を含む導体要素を有する。導体要素は、互いに傾斜した第１及び第２の楔面を通して溝の側壁に接触するように配置され、導体要素を軸に垂直な方向に付勢する力が、力に垂直な成分を有する方向に沿って導体要素を圧縮するように作用する反対の接触力を楔面に生成するようになっている。

Description

本発明は、超伝導体材料を含む電磁石に関する。特に、限定されるものではないが、トカマク核融合炉で使用される電磁石などのプラズマチャンバで使用される電磁石、例えばトカマクのプラズマチャンバ用のトロイダル磁場コイルの中心柱で使用される電磁石に関する。

トカマクは、強いトロイダル磁場、高いプラズマ電流、及び通常は大きなプラズマ体積とかなりの補助加熱の組み合わせを特徴とし、高温で安定したプラズマを提供する。これにより、トカマクは核融合が起こる条件を作り出すことができる。補助加熱（例えば、高エネルギーＨ、Ｄ又はＴの数十メガワットの中性粒子ビーム入射による）は、核融合が起こるのに必要な十分に高い値まで温度を上昇させるため、及び／又はプラズマ電流を維持するために必要である。

問題は、一般に必要とされる大きなサイズ、大きな磁場、及び高いプラズマ電流のために、建設コスト及びランニングコストが高く、磁石システムとプラズマの両方に存在する大きな蓄積エネルギーに対処するためにエンジニアリングが堅牢でなければならず、プラズマはメガアンペアの電流が猛烈な不安定性において千分の数秒でゼロまで減少する「崩壊」のリスクがあることである。

この状況は、従来のトカマクのドーナツ形のトーラスをその限界まで収縮させ、芯を抜いたリンゴのような外観を有すること、すなわち「球形」トカマク（ＳＴ）によって改善することができる。英国のカルハムにあるＳＴＡＲＴトカマクでのこの概念の最初の実現は、効率の大幅な向上ことを実証した。高温のプラズマを閉じ込めるのに必要な磁場は、１０分の１に減らすことができる。また、プラズマの安定性が向上し、建設コストが削減される。

経済的な発電（すなわち、電力入力よりもはるかに多くの電力出力）に必要な核融合反応を得るために、従来のトカマクは、熱核融合が起こ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）を十分に長くできるように巨大でなければならない。

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形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。球形トカマクにおける低アスペクト比のプラズマ形状は、粒子の閉じ込め時間を改善し、はるかに小さな機械での正味の発電を可能にする。しかしながら、小さな直径の中心柱が必要であり、これはプラズマ閉じ込め容器及び関連する磁石の設計に課題を提示する。

トカマクの電磁コイルは２つのグループに分けることができる。ポロイダル磁場コイルは、それらの中心がトカマクの中心柱に位置するように巻かれた水平な円形コイルであり、ポロイダル磁場（すなわち、中心柱と実質的に平行な磁場）を生成する。トロイダル磁場コイルは、中心柱を通って垂直に、かつプラズマチャンバの外側（「リターンリム」）の周りに巻かれ、トロイダル磁場（すなわち、中心柱の周りの円形の磁場）を生成する。ポロイダル磁場とトロイダル磁場の組み合わせによりプラズマチャンバ内にヘリカル磁場が生成され、プラズマは閉じ込められたままとなる。

トロイダル磁場に必要な電流は非常に大きい。コンパクトな球形トカマクの場合、中心柱の直径は可能な限り小さくする必要がある。これは、超電導材料であっても達成できる電流密度が限られているため、相反する要件を提示する。

大きな電流は、トカマクの大きな磁場と相まって、大きなローレンツ力を発生させ、トカマクの一部を変形させたり、他の方法で損傷させたりする可能性がある。

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及び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り得ない温度）を有する。ＨＴＳ材料の挙動はＢＣＳ理論では説明されず、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及びＬＴＳ材料を定義するのは臨界温度ではなく、超伝導動作と組成の物理的な違いであることに注意する必要がある）。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）などの銅酸化物（酸化銅基を含む化合物）をベースとするセラミックスである。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。

ＲｅＢＣＯは通常、テープとして製造され、テープは、全体として約１００ミクロンの厚さであり、基板（通常は電気研磨された約５０ミクロンの厚さのハステロイ）を含み、基板の上に、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（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ミクロンの厚さである。１～２ミクロンの銀層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。

基板は、製造ラインを通して供給されかつ後続の層の成長を可能にすることができる機械的なバックボーンを提供する。バッファスタックは、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１０５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。

市販のＨＴＳテープは、約４００ＭＰａより大きな内部応力で劣化し始める。

国際公開第２０１３／０３０５５４号

本発明の目的は、上記の問題に対処するか又は少なくとも上記の問題を軽減する、トロイダル磁場コイル用の中心柱を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、１つ以上の溝を含む電磁石が提供される。各溝は、溝に設けられた、溝の軸に沿って電流を伝導するための超伝導体材料の１つ以上の層を含む導体要素を有する。導体要素は、互いに対して傾斜している第１及び第２の楔面を通して溝の側壁に接触するように配置され、導体要素を軸に垂直な方向に（例えば、溝内に）付勢する力が、力に垂直な成分を有する方向に沿って導体要素を圧縮するように作用する反対の接触力を楔面に生成するようになっている。

電磁石は、電磁石の動作中に発生する応力が超伝導体材料に関連する閾値応力を超えないように構成することができる。閾値応力は、例えば、ＨＴＳ材料の劣化及び／又はＨＴＳ材料の超伝導体として機能する能力の低下に基づいて決定することができる。

溝又は各溝は、導線要素が溝の壁によって囲まれないように、「開いた」溝であることができる。代わりに、溝の壁が導体要素を取り囲むように溝は「閉じている」ことができ、例えば、溝は支持部材にある貫通孔であり得る。

場合によっては、電磁石は中心軸を有することができ、１つ以上の溝の軸が中心軸に平行に配置され得る。この場合、超伝導体材料の１つ以上の層は、中心軸に平行に電流を伝導するように配置される。軸に垂直な方向に導体要素を付勢する力は、中心軸の方向に向けることができる。

各導体要素は、１つ以上の高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含むことができ、各ＨＴＳテープは、溝に沿って延びるＨＴＳ材料の層を含む。ＨＴＳ材料はＲｅＢＣＯであり得る。

各導体要素は、ＨＴＳテープの積層体と溝の側壁の１つとの間に設けられた楔部材を含むことができ、第１の楔面は楔部材に設けられる。楔部材は、ＨＴＳテープの積層体に固定することができる。

楔部材は、ＨＴＳ材料の層に対して実質的に垂直な積層体と接触する面を含む。

１つ以上の導体要素について、第１の楔面と積層体と接触する面との間の鋭角は、１度より大きいか、３度より大きいか、又は５度より大きいことができる。

各導体要素は、１つ以上のＨＴＳテープの積層体に取り付けられた他の楔部材を含むことができ、第２の楔面は他の楔部材に設けられる。

導体要素の楔面のそれぞれと溝の側壁との間の静止摩擦係数は、０．１から０．３までであるか、０．３より大きいか、又は０．４より大きいことができる。

導体要素のそれぞれは、ポッティングする（絶縁体の中に埋め込む）ことができる。

電磁石はさらに支持部材を含み、溝は支持部材に設けられる。支持部材は、溝の１つ以上に平行な成分を有する方向に延びる１つ以上の貫通孔を含むことができる。１つ以上の貫通孔は、溝の側壁の１つ以上に隣接して配置することができる。１つ以上の貫通孔は、電磁石を冷却するために使用することができる。

本発明の第２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、本発明の第１の態様による複数の電磁石を含む。溝は中心軸の周りに間隔を置いて配置され、超伝導体材料の１つ以上の層は中心軸に平行に電流を伝導するように配置される。力は、中心軸に向かって導体要素を付勢する半径方向の力である。

溝は、単一の支持部材に設けることができる。

中心柱は、支持部材又は各支持部材を貫通する１つ以上の孔を含むことができ、各孔は中心軸に平行に延びている。１つ以上の孔は、導体要素の半径方向内縁の半径方向外側に配置することができる。孔は、例えば孔に冷却液を流すことによって、中心柱を冷却するために使用することができる。１つ以上の孔にもかかわらず、トロイダル磁場コイルは、中心柱の既知の設計に比べて中心柱の内部応力が低い結果として中心柱を変形させずに動作することができる。

支持部材又は各支持部材は、１つ以上の取り外し可能な角度セグメントを含むことができ、各角度セグメントは複数の溝のうちの１つ以上を含むことができる。

本発明の第３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溝を有する支持部材を含む。各溝は、溝に設けられた、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つ以上の層を含む導体要素を有する。導体要素は、互いに対して傾斜している第１及び第２の楔面を通して溝の側壁に接触するように配置され、中心軸に向かって導体要素を付勢する半径方向の力が、半径方向の力に垂直な成分を有する方向に沿って導体要素を圧縮するように作用する反対の接触力を楔面に生成するようになっている。

各導体要素は、１つ以上の高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含むことができ、各ＨＴＳテープは中心軸に平行に延びるＨＴＳ材料の層を含む。

ＨＴＳ材料はＲｅＢＣＯであり得る。

各積層体内のＨＴＳ材料の層は、中心軸を横切る平面内で中心軸から延びかつ対応する導体要素を通る半径方向の線に対して実質的に垂直であり得る。

１つ以上の導体要素について、第１の楔面と半径方向の線との間の鋭角は、１度より大きいか、３度より大きいか、又は５度より大きいことができる。

各導体要素は、ＨＴＳテープの積層体に取り付けられた楔部材を含むことができ、第１の楔面は楔部材に設けられる。各導体要素は、１つ以上のＨＴＳテープの積層体に取り付けられた他の楔部材を含むことができ、第２の楔面は他の楔部材に設けられる。

導体要素の楔面のそれぞれと溝の側壁との間の静止摩擦係数は、０．１から０．３までであるか、０．３より大きいか、又は０．４より大きいことができる。

中心柱は、中心軸に平行に延びる支持部材を貫通する１つ以上の孔を含むことができる。１つ以上の孔は、導体要素の半径方向内縁の半径方向外側に配置することができる。

支持部材は、１つ以上の取り外し可能な角度セグメントを含むことができ、各角度セグメントは複数の溝のうちの１つ以上を含むことができる。

導体要素は、ポッティングすることができる。

本発明の第４の態様によれば、第１、第２又は第３の態様による中心柱を含む、トカマク用のトロイダル磁場コイルが提供される。

本発明の第３の態様によれば、第４の態様によるトロイダル磁場コイルを含むトカマクが提供される。

図１Ａはトカマクの概略断面図である。図１Ｂは図１のトカマクの中心柱の概略軸方向断面図である。 トロイダル磁場コイルの中心柱の角度セグメントの概略軸方向断面図である。 本発明によるトロイダル磁場コイルの中心柱の角度セグメントの一部の概略軸方向断面図である。 異なる楔角及び摩擦係数に対する半径方向応力（垂直応力）の有限要素法（ＦＥＭ）計算の結果のグラフプロットである。 ＦＥＭ計算から得られた応力を示す等高線プロットである。 ＦＥＭ計算により計算されたミーゼス応力の等高線プロットである。

図１Ａは、トロイダル磁場コイル１０１と、ポロイダル磁場コイル１０３と、トロイダル磁場コイル１０１内に配置されたトロイダルプラズマチャンバ１０５を含む球形トカマク１００の垂直断面を示す。トカマク１００はまた、プラズマチャンバ１０５とトロイダル磁場コイル１０１及びポロイダル磁場コイル１０３の中心を通って延びる中心柱１０７を含む。トロイダル磁場コイル１０１のそれぞれは、中心柱１０７の軸Ａ－Ａ’に沿って延びる直線部分１０９と、直線部分１０９の両端に電気的に接続されて閉ループを形成する曲線部分１１１とを含む。

図１Ｂは、軸Ａ－Ａ’に沿って見た中心柱１０７の軸方向断面を示す。この例のトカマク１００は、１２個のトロイダル磁場コイル１０１を含み、トロイダル磁場コイル１０１のそれぞれの各直線部分１０９は、中心柱１０７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、銅から作られた支持部材１１３を含み（他の金属及び／又は合金を使用することもできるが）、支持部材１１３は、軸Ａ－Ａ’に沿って延び、トロイダル磁場コイル１１１の直線部分１０９が収容される複数の溝１１５を有する。直線部分１０９は、それぞれが中心柱１０７に沿って延びる長さのＨＴＳテープの積層された配置を含み、それぞれの各面を通して互いに接触するように配置されている。テープのＨＴＳ層は、軸Ａ－Ａ’に平行に延びている。

図２は、中心柱１０７の角度セグメントの軸方向断面であり、トロイダル磁場コイル１０１の１つの直線部分１０９の１つを示す。この例では、直線部分１０９は６つのＨＴＳテープの積層体（スタック）２０１Ａ～Ｆを含み、互いに同じ厚さ（すなわち、直線部分１０９の中心を通りかつテープを横切る中心柱１０７の半径方向の線Ｂ－Ｂ’に沿った方向に同じ長さ）を有する４つの内側の積層体２０１Ｂ～Ｅが２つの外側の積層体２０１Ａ、Ｆの間に設けられ、２つの外側の積層体２０１Ａ、Ｆはそれぞれが内側の積層体２０１Ｂ－Ｆよりも小さい厚さを有する。積層体２０１Ａ～Ｆは、それらの半径方向の最も外側の縁が整列した状態で互いに接着されている。各溝１１５は、トロイダル磁場コイル１０１の対応する直線部分１０９の輪郭（すなわち、線Ａ－Ａ’に垂直な溝１１５の断面における外周の形状）に対応する断面形状を有する。

使用中、ＨＴＳテープの積層体２０１Ａ～Ｆは、方位磁場内で軸方向の電流を流すため、柱１０７の中心に向かって（すなわち、破線Ｂ－Ｂ’で示される半径方向に沿って）作用するローレンツ力２０３を受ける。これらのローレンツ力は、ＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆに半径方向に作用してＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆを中心柱１０７の支持部材１１３に押し付け、それによりＨＴＳテープの積層体２０１Ａ～Ｆの半径方向最内縁と溝１１５の壁との間に接触力２０５を生成する。したがって、ローレンツ力２０３と接触力２０５の組み合わせは、ＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆを損傷するか、さもなければ大電流を流す能力を低下させる可能性がある圧縮応力をＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆ内に発生させる。

図３は、楔部材３０１Ａ～Ｄが積層体２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｅ、２０１Ｆの最も外側の面に固定されてトロイダル磁場コイル１０１の直線部分１０９の円周方向外側部分を形成している中心柱３００を示すことを除いて、図２と同様である。支持部材１１３を通る溝１１５は、直線部分１０９の増大したサイズに対応するために拡大されている。この例の楔部材３０１Ａ～Ｄは、軸Ａ－Ａ’に平行な並進対称で延びる三角柱である。楔部材の断面を形成する三角形は、実質的に直角三角形であることができ、楔部材は、各三角柱の最大の外面（すなわち、三角形断面の斜辺）がＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆから離れるように配置することができ、三角柱の幅が狭い方の（尖った）端部は、三角柱の幅が広い方の端部（すなわち、三角形の最鋭角から最も遠い三角形の辺）の半径方向内側に配置される。すなわち、楔部材３０１Ａ～ＤはＢ－Ｂ’方向に沿って半径方向内側に向かって先細になっている。溝１１５のそれぞれはまた、溝１１５の側壁が楔部材３０１Ａ～Ｄの対応する外面と平行になるように、半径方向内側に向かって先細になっている。実際、溝１１５の側壁は、楔部材３０１Ａ～Ｄの対応する外面に接している。この例では、楔角３０５（三角柱の幅が狭い方の端部における、楔部材３０１Ａ～Ｄの２つの大きな面の間の内角）は５度である。

使用中、ＨＴＳテープＡ～Ｆの直線部分１０９に半径方向に作用するローレンツ力２０３は、楔部材３０１Ａ～Ｄの外面と溝１１５の側壁との間に接触力３０３を発生させる。接触力３０３は楔部材３０１Ａ～Ｄの外面に垂直に向けられ、すなわち、接触力３０３は径方向成分（径方向軸Ｂ－Ｂ’に沿っている）と周方向成分（径方向軸Ｂ－Ｂ’に向けられている）を有する。したがって、楔部材３０１Ａ～Ｄは、中心柱１０１内の半径方向応力がフープ応力と交換される機構、すなわち、中心柱内の半径方向応力が減少する一方でフープ応力が増加する機構を提供する。このトレードオフにより、ＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆの積層体は、ＨＴＳテープに機械的な損傷を与えることなく、より高い電流を伝導することが可能になる。

図４は、中心柱１０１を通る２８ＭＡの電流でトカマクを動作させるときにＨＴＳテープ２０１Ａ～Ｆの積層体内に発生する半径方向応力の有限要素法（ＦＥＭ）計算の結果のグラフプロットを示す。この電流は、ＨＴＳテープの半径方向最外縁で２６．９Ｔのピーク磁場をもたらす。磁場は、中心柱１０１から離れて単調に減衰し、中心柱１０１から１．４ｍの距離で４Ｔの大きさを有する。プロットされた結果は、コイルの半径方向応力（ＭＰａ）（垂直、Ｙ軸）を、楔部材３０１Ａ～Ｂの外面と対応する溝１１５の側壁との間の摩擦係数（水平、Ｘ軸）の関数として示している。

２つの最上のデータ点４０１、４０３のセット（塗りつぶされた円として示される）は、それぞれ１度と５度の楔角に対する外側の積層体２０１Ａ、Ｆにおける半径方向応力の計算値を示す（各楔部材３０１Ａ～Ｄに同じ楔角が使用されている）。これらの結果は、楔角が大きいほど半径方向応力が低く、両方の角度で、摩擦係数を大きくすると半径方向応力が徐々に小さくなり単調に減少することを示している。同様の結果（図示せず）が１度から５度の範囲の他の角度に対しても得られ、半径方向応力の計算値は、データ点４０１、４０３のセットに対する半径方向応力の中間の値を有する。５度を超える角度も、例えば、１０度、３０度、４５度、又は６０度のいずれかまで使用することができる。所望の半径方向応力に応じて、摩擦係数は０．１から０．３まで、０．２から０．４まで、又は０．４より大きく、例えば１．０まで変化することができる。

２つの最下のデータ点４０５、４０７のセット（塗りつぶされた三角形として示される）は、それぞれ１度と３度の楔角に対する内側の積層体２０１Ｂ～Ｅにおける半径方向応力の計算値を示す（各楔部材３０１Ａ～Ｄに同じ楔角が使用されている）。半径方向応力の計算値は、１度の楔角（データ点４０５）では摩擦係数の増加と共に単調に減少するが、３度の楔角では０．２の摩擦係数で最小値に達する。２度、４度、５度の楔角に対する半径方向応力の計算では、概ね、１度と３度の楔角で得られた値の間の値が得られる。

外側のＨＴＳテープの積層体２０１Ａ、Ｆにおける３５０ＭＰａの目標最大半径方向応力は、０．３の摩擦係数と１度より大きい楔角を使用して達成することができる。

図５及び図６は、３度の楔角及び０．３の摩擦係数に対して計算した、中心柱３００の軸方向断面内の半径方向応力の計算値及びミーゼス応力の計算値の等高線プロットを示す。計算効率のために図３に示す角度セグメントの半分に対して計算を行い、中心柱３００の対称性に関してＦＥＭ解の対称性を強化するために境界条件を適用する。

ＨＴＳテープ１０７の積層体内の半径方向応力は４００ＭＰａ未満と計算される。ＨＴＳテープの積層体２０１Ａ～Ｃのそれぞれの半径方向応力の最大値は、積層体の半径方向最内側面にあり、積層体２０１Ａでは２７２．４ＭＰａ、積層体２０１Ｂでは３１３．４３ＭＰａ、積層体２０１Ｃでは３２７．５１ＭＰａの計算値である。

支持部材１１３内のミーゼス応力の計算値は、ほとんどが楔部材３０１Ａ、Ｂに隣接する約２４０ＭＰａ未満である。これは、中心柱を過度に弱めることなく、任意選択で中心柱３００のこの部分、すなわち溝１１５の間に、軸Ａ－Ａ’に平行に延びる冷却孔を設けことができるほど十分に低い。

上記の説明は、ＨＴＳテープを含む中心柱に焦点を当てているが、ワイヤなどの他の形態のＨＴＳ材料を使用することもでき、ＨＴＳ材料の代わりに又はＨＴＳ材料と同様にＬＴＳ材料を使用することもできる。ＨＴＳテープは、例えばＨＴＳテープの積層体をはんだで包むことにより、「ポッティング」することができる。

本開示はトロイダル磁場コイル用の（トカマクプラズマチャンバ用などの）中心柱によって例示されているが、トロイダル磁場コイルを含まない他の多くの用途が可能である。例えば、電磁石は、航空機、無人航空機、人工衛星、宇宙船、ロケット推進機、自律探査機に含まれる航空宇宙用途で使用することができる。実際、上述の楔面／楔部材の使用は、一般に支持部材に押し付けられる導電体への応力を低減する（又は少なくとも再分配する）ために使用され得ることが理解されるであろう。このような楔面／楔部材の使用は、閾値を超える応力で劣化するか又は効果的に機能しなくなる超伝導体（ＬＴＳ及び／又はＨＴＳ）材料に特に有益である。

Claims (20)

1. １つ以上の溝を含む電磁石であって、各溝は、前記溝に設けられた、前記溝の軸に沿って電流を伝導するための超伝導体材料の１つ以上の層を含む導体要素を有し、前記導体要素は、互いに対して傾斜している第１及び第２の楔面を通して前記溝の側壁に接触するように配置され、前記導体要素を前記軸に垂直な方向に付勢する力が、前記力に垂直な成分を有する方向に沿って前記導体要素を圧縮するように作用する反対の接触力を前記楔面に生成するようになっている、電磁石。
2. 各導体要素は、１つ以上の高温超伝導体（ＨＴＳ）テープの積層体を含み、各ＨＴＳテープは、前記溝の軸に沿って延びるＨＴＳ材料の層を含む、請求項１に記載の電磁石。
3. 前記ＨＴＳ材料はＲｅＢＣＯである、請求項２に記載の電磁石。
4. 各導体要素は、前記ＨＴＳテープの積層体と前記溝の側壁の１つとの間に設けられた楔部材を含み、前記第１の楔面は前記楔部材に設けられている、請求項２又は３に記載の電磁石。
5. 前記楔部材は前記ＨＴＳテープの積層体に固定されている、請求項４に記載の電磁石。
6. 前記楔部材は、前記ＨＴＳ材料の層に対して実質的に垂直な、前記積層体と接触する面を含む、請求項４又は５に記載の電磁石。
7. 前記導体要素の１つ以上について、前記第１の楔面と前記積層体と接触する面との間の鋭角は、１度より大きいか、３度より大きいか、又は５度より大きい、請求項６に記載の電磁石。
8. 各導体要素は、前記１つ以上のＨＴＳテープの積層体に取り付けられた他の楔部材を含み、前記第２の楔面は前記他の楔部材に設けられている、請求項７に記載の電磁石。
9. 前記導体要素の楔面のそれぞれと前記溝の側壁との間の静止摩擦係数が０．１から０．３までであるか、０．３より大きいか、又は０．４より大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載の電磁石。
10. 前記導体要素のそれぞれがポッティングされている、請求項１から９のいずれか一項に記載の電磁石。
11. 支持部材をさらに含み、前記溝は前記支持部材に設けられ、前記支持部材は、前記溝の１つ以上に平行な成分を有する方向に延びる１つ以上の貫通孔を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電磁石。
12. 前記１つ以上の孔は、前記溝の側壁の１つ以上に隣接して配置される、請求項１１に記載の電磁石。
13. 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、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電磁石を複数含み、前記溝は、中心軸の周りに間隔を置いて配置され、前記超伝導体材料の１つ以上の層は、前記中心軸に平行に電流を伝導するように配置され、前記力は、前記導体要素を前記中心軸に向かって付勢する半径方向の力である、中心柱。
14. 前記溝は単一の支持部材に設けられている、請求項１３に記載の中心柱。
15. 前記支持部材又は各支持部材を貫通する１つ以上の孔を含み、各孔は前記中心軸に平行に延びる、請求項１３又は１４に記載の中心柱。
16. 前記１つ以上の孔は、前記導体要素の半径方向内縁の半径方向外側に配置される、請求項１５に記載の中心柱。
17. 前記支持部材又は各支持部材は、１つ以上の取り外し可能な角度セグメントを含む、各角度セグメントは前記複数の溝のうちの１つ以上を含む、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の中心柱。
18. 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、中心軸の周りに間隔を置いて配置された複数の溝を有する支持部材を含み、各溝は、前記溝に設けられた、前記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つ以上の層を含む導体要素を有し、前記導体要素は、互いに傾斜した第１及び第２の楔面を通して前記溝の側壁に接触するように配置され、前記中心軸に向かって前記導体要素を付勢する半径方向の力が、前記半径方向の力に垂直な成分を有する方向に沿って前記導体要素を圧縮するように作用する反対の接触力を前記楔面に生成するようになっている、中心柱。
19. トカマク用のトロイダル磁場コイルであって、請求項１３から１８のいずれか一項に記載の中心柱を含むトロイダル磁場コイル。
20. 請求項１９に記載のトロイダル磁場コイルを含むトカマク。

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