JP2519200B2 - 超電導装置 - Google Patents

超電導装置

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JP2519200B2
JP2519200B2 JP59043352A JP4335284A JP2519200B2 JP 2519200 B2 JP2519200 B2 JP 2519200B2 JP 59043352 A JP59043352 A JP 59043352A JP 4335284 A JP4335284 A JP 4335284A JP 2519200 B2 JP2519200 B2 JP 2519200B2
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超電導線材を複数巻回して形成し、空間に
磁場を与える超電導コイルと、前記超電導線材の外側に
冷媒が接するように当該超電導コイルを冷媒中に浸漬し
て収納する収納容器とを備えた超電導装置に関する。こ
こで、超電導線材は、Nb−TiやV3Gaなどの超電導体を直
線状に連続させコイル状に巻回することが可能な電線を
意味する。本発明で用いる超電導線材の最も一般的な構
成は、前記超電導体が直径数十μm程度のフィラメント
と呼ばれる極細線の形状をしており、この超電導体のフ
ィラメントが数万本撚り合わさって一本の素線を形成
し、この素線を数十本再度撚り合わせたものである。
電線が中空形状であって、その中空部に冷媒を圧送し
て内側から直接冷却される構造の超電導線材(例えば特
開昭58−162008号公報)もあるが、本発明で用いる超電
導線材は、この中空形状の超電導線材とは異なり、前記
の如く、超電導線材の外側に冷媒が接触して外側から冷
却されるものである。
〔発明の背景〕
近年、核融合装置の研究は著しく進展し、数多くの大
型実験装置が建設されている。核融合装置の代表的なも
のには、「トカマク型」、「ステラレータ型」、「ミラ
ー型」などがあり、これらはいずれもその主要部が強磁
場を発生するコイルにより構成されている。これらのコ
イルは、従来、一般の電気機器と同様に銅やアルミニウ
ム導体をもつて作られてきた。しかし、最近は装置の大
型化に伴い大規模な磁場が要求されるようになつてお
り、コイルの温度上昇や励磁電力の増大など技術的、経
済的な面からいわゆるクライオジエニツクコイルとする
例が増えている。このクライオジエニツクコイルは、冷
却方式が従来の水冷方式と異なる、液体窒素などの低温
液化ガスによる冷却方式を採用したものである。また、
コイルを構成する導体としてNb−Ti、Nb−Ti−Zr、Nb3S
n、V3Gaなどの超電導体を銅やアルミニウムなどと複合
し、線やテープ状にした超電導線材を使用する提案も多
い。
核融合装置は、プラズマを保持し、プラズマに点火を
するものである。このため、プラズマは、ある閉じ込め
時間Tの間大電流を有し、概略第1図に示すような磁場
を発生する。特に、核融合装置の性能が向上してプラズ
マの閉じ込め時間が長くなり、プラズマの電流が増大す
るのに伴い、プラズマが発生する変動磁場に対する超電
導コイルの遮蔽が大きな問題となつてきている。
即ち、一般に超電導線材は、変動磁場が印加されると
線材を取り囲む銅やアルミニウムに変動磁場による渦電
流が生じ、交流損失を誘起して発熱する。この熱は、液
体ヘリウムの蒸発により冷却されるが、交流損失が大き
く液体ヘリウムの許容放熱量以外の発熱がある場合に
は、超電導コイルの温度が上昇する。そして、超電導コ
イルの温度が臨界温度以上になると、超電導が破れ常電
導転移し、常電導転移が広範囲にわたる場合には、超電
導状態に復帰できない、いわゆるクエンチ状態となる。
そこで、従来、核融合装置には、プラズマが発生する
変動磁場から超電導コイルを遮蔽するため、プラズマを
被つて遮蔽体を設けている。いま、第1図に示すような
変動磁場に対して遮蔽体を第2図に示すような無限円筒
をもつて近似して考察するとその時定数は、 τ=μ0da/2ρ ……(1) により表わされる。ここにμは真空透磁率、dは円筒
の板厚、aは円筒の半径、ρは円筒の抵抗率である。そ
して、第1図に示すような変動磁場を遮蔽するために
は、閉じ込め時間をTとして、 τT ……(2) を満足すればよいことがわかつている。
第3図は、従来の遮蔽体を有しているトーラス型核融
合装置の概略図である。第3図においてトーラス型核融
合装置10は、プラズマを閉じ込めるドーナツ状の放電管
12を有している。放電管12の周囲には、放電管12と並行
して遮蔽体14が配置され、プラズマ閉じ込めに伴う変動
磁場を遮蔽するようになつている。放電管12と遮蔽体14
との間には、放電管12に沿つた複数のポロイダルコイル
16が設けられ、放電管12内のプラズマを圧縮し、プラズ
マを適正な位置に維持できるようになつている。遮蔽体
14の外周に配置したトロイダルコイル18は、リング状を
成しており、複数個が放電管12の長手方向に沿つてソレ
ノイド状にほぼ等間隔に配置され、放電管12に並行する
磁界を加え、プラズマを安定化できるようになつてい
る。このトロイダルコイル18は、上下のサポート20,22
を介して上面架台24と下面架台26とにより支持、固定さ
れている。なお、放電管12のトーラス中心には、トーラ
ス中心軸を中心とする空心変流器コイル28が配置され、
放電管12内に閉じ込めたプラズマに電流を流して加熱す
ることができるようになつている。
前記した遮蔽体14は、第4図に示すように、8分割さ
れており、渦電流の発生をできるだけ小さくできるよう
にしている。しかし、ポロイダルコイル16に電流Ipを流
した場合においても、ポロイダルコイルが発生する磁場
を減少されるような渦電流Iiが流れる。従つて、従来、
より高磁場が要求され、トロイダルコイル18と放電管12
との間隔が小さくなると、遮蔽体14とポロイダルコイル
16との間の距離も小さくなり、渦電流Iiによる磁場相殺
の効果を見逃すことができなくなる。ところが、渦電流
Iiを減少させるため、遮蔽体14を更に多数に分割すると
きは、第2図に示したような無限円筒の近似が適用でき
なくなり、本来の遮蔽効果がなくなるという問題点があ
つた。
〔発明の目的〕
本発明は、放電管の周囲に特別な遮蔽体を設けること
なくプラズマが発生する磁場から超電導コイルを確実に
遮蔽することができる超電導装置を提供することを目的
とする。
〔発明の概要〕
本発明は、超電導コイルを収納する収納容器自体を磁
場を遮蔽する良電導体であるアルミニウム及び銅の少な
くとも一方の材料をもつて構成することにより、収納容
器自体を遮蔽体として作用させ、プラズマが発生する変
動磁場から超電導コイルを遮蔽できるように構成したも
のである。
〔発明の実施例〕
本発明に係る超電導装置の好ましい実施例を、添付図
面に従つて詳説する。なお、前記従来技術において説明
した部分に対応する部分については、同一の符号を付し
その説明を省略する。
第5図及び第6図は、本発明に係る実施例の超電導装
置をトーラス型核融合装置のトロイダルコイルに適用し
た例を示したものである。第5図においてトロイダルコ
イル18は、上下のサポート20,22を介して上面架台24、
下面架台26に支持、固定されている。このトロイダルコ
イル18は、第6図に示すごとくソレノイド状に巻回した
超電導線材30が、断面が矩形状をなす収納容器32内に収
納された構造を有している。収納容器32は、収納容器32
と超電導線材30との間に適当な間隔を隔てて配置した、
図示しない絶縁部材により超電導線材30を支持、固定し
ており、また収納容器32内を冷却用の液体ヘリウムが流
れるようになつている。この収納容器32は、銅またはア
ルミニウム等の抵抗率の小さな良電導体で構成され、収
納容器32自体がプラズマの作る変動磁場に対して遮蔽体
となつている。このため、従来必要とした遮蔽体をなく
すことができる。そして、このようなトロイダルコイル
18を放電管12の周囲に配置するときは、トロイダルコイ
ル18が個々の収納容器に収納されているため、ポロイダ
ルコイルが発生する磁場により生ずる第4図に示した渦
電流Iiを減少させることができる。
なお、前記した(1)式の時定数τを求めるための半
径aは次式を用いてもよい。
a=L1・L2/(L1+L2) ……(3) ただし、L1,L2は、それぞれ矩形断面の2辺の長さで
ある。
第7図は、本発明に係る超電導装置の実施例をミラー
型核融合装置に適用した例を示したものである。第7図
において、1対のコイル34,36の間にランプの火屋状を
なすミラー磁場38が形成され、このミラー磁場38中にプ
ラズマ40が保持されている。各コイル34,36は、それぞ
れ超電導線材30が良電導体から構成された収納容器32内
に収納され、所定位置に保持されている。収納容器32は
前記した(1),(2)及び(3)式を満たしており、
プラズマ40が閉じ込められ、変動磁場を発生する場合に
は、その磁場を遮蔽する効果を有している。
第8図は、ミラー磁場38を発生するコイル34,36が、
角形をなすイーアンコイルについて適用した例を示した
ものである。本実施例においても、前記と同様の効果を
得ることができる。
第9図は、本発明に係る実施例の超電導装置をMHD発
電に適用した例を示したものである。第9図において収
納容器32は、円筒状をなしており、容器内壁40と容器外
壁42との間に超電導線材30がソレノイド状に巻回され収
納されている。そして、プラズマが流れるプラズマ流路
44が収納容器32の軸線に直交して収納容器32を貫通して
いる。このような装置においてプラズマ40がy方向に通
過し、超電導線材30によるz方向の強い磁場によりx方
向に電位差を生ずるが、プラズマが発生する変動磁場に
対し容器内壁40を前記した(1)及び(2)式の条件を
満たすように良電導体をもつて構成することにより、超
電導線材30のクエンチを防止することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、超電導線材を所
定数巻回して形成された超電導コイルを冷媒中に浸漬し
て収納する収納容器を、良電導体であるアルミニウム及
び銅の少なくとも一方で形成したので、例えばプラズマ
等の変動磁場から特別な遮蔽体を用いることなく確実に
遮蔽することができるため、特に核融合装置等に採用さ
れる超電導装置には非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は超電導線材に作用する外部変動磁場の一例を示
す特性図、第2図は外部変動磁場に対する遮蔽体の時定
数の求め方を示す遮蔽体の斜視図、第3図は従来の超電
導装置が採用されているトカマク型核融合装置を一部破
断して示す斜視図、第4図はトカマク型核融合装置に採
用されている遮蔽体の部分斜視図、第5図は本発明に係
る一実施例の超電導装置をトカマク型核融合装置に適用
した例を示す断面図、第6図は上記トカマク型核融合装
置のトロイダルコイルに本実施例の超電導装置を適用し
た例の一部切欠いて示すトロイダルコイルの斜視図、第
7図、および第8図は本発明に係る他の実施例の超電導
装置をミラー型核融合装置に適用した例を示し、第7図
はドーナツ状コイルを用いた例、第8図はイーアンコイ
ルを用いた例のそれぞれの斜視図、第9図は本発明に係
る更に他の実施例の超電導装置をMHD発電に適用した例
を示す斜視図である。 10……トカマク型核融合装置、12……放電管、14……遮
蔽体、16……ポロイダルコイル、18……トロイダルコイ
ル、28……空心変流器コイル、30……超電導線材、32…
…収納容器、34,36……コイル、38……ミラー磁場、40
……プラズマ。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−162008(JP,A) JAERI−M−83−214「核融合実 験炉(FER)の概念設計(オプション B)」(1984年2月)日本原子力研究 所,P.251

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導線材を複数巻回して形成し、空間に
    磁場を与える超電導コイルと、前記超電導線材の外側に
    冷媒が接するように当該超電導コイルを冷媒中に浸漬し
    て収納する収納容器とを備えた超電導装置において、前
    記収納容器は、良電導体であるアルミニウム及び銅の少
    なくとも一方で構成されたことを特徴とする超電導装
    置。
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JPS58162008A (ja) * 1982-03-23 1983-09-26 Agency Of Ind Science & Technol 強制冷却型超電導線

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JAERI−M−83−214「核融合実験炉(FER)の概念設計(オプションB)」(1984年2月)日本原子力研究所,P.251

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