JP7245393B2 - ひずみベースのクエンチ検出 - Google Patents

Description

本発明は、高温超伝導磁石システムにおけるクエンチ検出に関し、特にクエンチ検出の方法及びその方法を実施するように構成された磁石システムに関する。

核融合発電の課題は非常に複雑である。トカマク以外にも多くの代替的な装置が提案されているが、ＪＥＴなどの現在稼動している最高のトカマクに匹敵する結果はまだ得られていない。

世界の核融合研究は、これまでに建設された中で最大かつ最も高価な（約１５０億ユーロの）ＩＴＥＲの建設開始後、新しい段階に入った。商業用核融合炉への成功ルートは、電気生産を経済的にするために必要な高効率と組み合わせた長パルス、安定動作を必要とする。これらの３条件を同時に達成することは特に困難であり、計画プログラムは、理論的及び技術的研究だけでなく、ＩＴＥＲ及び他の核融合施設に関する長年の実験的研究を必要とする。このルートで開発された商業用核融合炉は２０５０年までに建設されないと広く予想されている。

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、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）を十分長くすることができるように、従来のトカマクは（ＩＴＥＲで例示されるように）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状トカマクの使用を含む、代替的なアプローチが記載されている。球状トカマクにおける低アスペクト比のプラズマ形状は、粒子閉じ込め時間を改善し、はるかに小さい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、それはプラズマ閉じ込め磁石の設計に対する課題を提示している。高温超伝導体（ＨＴＳ）界磁コイルは、このような磁石の有望な技術である。

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ることができない温度）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場合がある（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、ＢＳＣＣＯ又はＲｅＢＣＯ（ここで、Ｒｅは希土類元素、一般に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である「銅酸化物超伝導体」である。他のＨＴＳ材料には、鉄ニクタイド（例えば、ＦｅＡｓ及びＦｅＳｅ）及び二ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ２）が含まれる。

ＲｅＢＣＯは通常、図１に示すような構造のテープとして製造される。このようなテープ１００は、一般に約１００ミクロンの厚さであり、基板１０１（通常、約５０ミクロンの厚さの電解研磨ハステロイ）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、約０．２ミクロンの厚さのバッファスタック１０２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１ミクロンの厚さである。１～２ミクロンの銀層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、これは多くの場合テープを完全に封入する。

基板１０１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、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。

さらに、基板及びバッファスタックがなく、代わりにＨＴＳ層の両側に銀層を有する「剥離」ＨＴＳテープを製造することができる。基板を有するテープは、「基板付き」ＨＴＳテープと呼ばれる。

ＨＴＳテープは、ＨＴＳケーブルに配置することができる。ＨＴＳケーブルは１つ以上のＨＴＳテープを含み、ＨＴＳテープはそれらの長さに沿って導電性材料（通常は銅）によって接続される。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、単一の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一対のＨＴＳテープを含む。基板付きテープを使用する場合、ＨＴＳ対は、タイプ０（ＨＴＳ層が互いに向き合う）、タイプ１（一方のテープのＨＴＳ層が他方のテープの基板に面する）、又はタイプ２（基板が互いに向き合う）であり得る。３つ以上のテープを含むケーブルは、テープの一部又は全部をＨＴＳ対に配置することができる。積層ＨＴＳテープは、ＨＴＳ対の様々な配置、最も一般的には、タイプ１の対の積層、又はタイプ０の対（又は同等にタイプ２の対）の積層のいずれかを含むことができる。ＨＴＳケーブルは、基板付きテープと剥離テープの混合物を含むことができる。

ＨＴＳコイルの１つの一般的なタイプは、ＨＴＳケーブル２０１が１巻きのリボンと同様の方法で平らなコイルを形成するように巻かれる「パンケーキコイル」である。パンケーキコイルは、任意の２次元形状である内周で作製することができる。多くの場合、パンケーキコイルは、反対方向に巻かれた２つのパンケーキコイルを含み、パンケーキコイル間に絶縁体を備え、互いに接続された内部端子を備える、「二重パンケーキコイル」として提供される。これは、コイルのターンに電流を流して磁場を生成するのに、一般によりアクセスしやすい外部端子に電圧を供給するだけでよいことを意味する。

ＨＴＳコイルは、コイルのターンの間に電気絶縁材料を有する「絶縁」であるか又はコイルのターンが（例えば、はんだ付け又は直接接触によりケーブルの銅安定化層を接続することにより）ケーブルに沿ってだけでなく半径方向に電気的に接続される「非絶縁」である。さらに、コイルは「部分絶縁」され、すなわち、コイル間に層があり、絶縁コイルに使用される絶縁体又は非絶縁コイルのケーブルを接合する金属の中間に抵抗を有してもよい。例えば、部分絶縁は、比較的高抵抗の金属の厚い層、又は半導体、又は比較的高抵抗を与えるように構成された複合層であり得る。代替的に、部分絶縁コイルは、導電性材料から作られた他の径方向電流経路を設けることによって、例えば界磁コイルの側面に形成され得る。

国際公開第２０１３／０３０５５４号

第１の態様によれば、ＨＴＳ界磁コイルを含む超伝導磁石においてクエンチ前の状態を検出する方法が提供される。界磁コイルは、ＨＴＳ材料及び金属安定化材を含む複数のターンと、導電性材料を介してターンの間で半径方向に電流を共有できるようにターンを接続する導電性材料とを含む。ＨＴＳ界磁コイル及び／又はＨＴＳ界磁コイルの支持構造についてひずみを監視する。監視したひずみを磁石の通常動作中の予想されるひずみと比較する。比較に応じて、界磁コイルがクエンチ前の状態にあるか否かを判定する。

第２の態様によれば、ＨＴＳ界磁コイルを含む超伝導磁石においてクエンチ前の状態を検出する方法が提供される。界磁コイルは、ＨＴＳ材料及び金属安定化材を含む複数のターンと、導電性材料を介してターンの間で半径方向に電流を共有できるようにターンを接続する導電性材料とを含む。ＨＴＳ界磁コイルの磁場を監視する。監視した磁場を磁石の通常動作中の予想される磁場と比較する。前記比較に応じて、界磁コイルがクエンチ前の状態にあるか否かを判定する。

第３の態様によれば、高温超伝導（ＨＴＳ）界磁コイルを含むＨＴＳ磁石システムが提供される。ＨＴＳ界磁コイルは、ＨＴＳ材料及び金属安定化材を含む複数のターンと、導電性材料を介してターンの間で電流を共有できるようにターンを接続する導電性材料とを含む。ＨＴＳ磁石システムは、クエンチ保護システムと、ＨＴＳ界磁コイル又はＨＴＳ界磁コイルの構造支持体に配置された１つ以上のひずみセンサとをさらに含む。クエンチ保護システムは、１つ以上のひずみセンサのひずみ測定値を監視し、ひずみ測定値を磁石の通常動作中の予想されるひずみと比較し、前記比較に応じて、界磁コイルがクエンチ前の状態にあるか否かを判定するように構成される。

第４の態様によれば、高温超伝導（ＨＴＳ）界磁コイルを含むＨＴＳ磁石システムが提供される。ＨＴＳ界磁コイルは、ＨＴＳ材料及び金属安定化材を含む複数のターンと、導電性材料を介してターンの間で電流を共有できるようにターンを接続する導電性材料とを含む。ＨＴＳ磁石システムは、クエンチ保護システムと、１つ以上の磁場センサとをさらに含む。クエンチ保護システムは、１つ以上の磁場センサの磁場測定値を監視し、磁場測定値を磁石の通常動作中の予想される磁場と比較し、前記比較に応じて、界磁コイルがクエンチ前の状態にあるか否かを判定するように構成される。

第５の態様によれば、第３又は第４の態様に係るＨＴＳ磁石システムを含むトカマクであって、トカマクのトロイダル界磁コイル又はポロイダル界磁コイルが上記ＨＴＳ界磁コイルを含むトカマクが提供される。

ＨＴＳテープの概略図である。 超伝導磁石システムの概略図である。 複数のコイルを含む超伝導磁石システムの概略図である。

部分絶縁コイル及び非絶縁コイル、すなわち、ターンの間で半径方向に電流が流れることを可能にする（非超伝導の）導電経路がターンの間にあるコイルは、一般に、クエンチ（動作中に磁石が非超伝導になること）及びクエンチ中の損傷に対して耐性がある（これは部分的に絶縁コイルにおけるターンの間のアーク放電に起因するため）。しかしながら、磁場の大きな変化と、螺旋状経路（すなわち、コイルのＨＴＳ）から半径方向経路（すなわち、金属接続又は部分絶縁を介して直接）へ移動する電流に起因する、結果として生じるひずみとにより、部分絶縁コイル及び非絶縁コイルのクエンチによって重大な損傷が生じる可能性があることが分かっている。これは、複数のコイル部分を有する磁石システム、例えばトカマク用のトロイダル磁場（ＴＦ）コイルセットにおいて特に顕著である。ＴＦコイルの１つの「リム」がクエンチすると、結果として生じる磁気的不均衡は、大きな不均衡力によりＴＦコイルセット全体に重大な損傷を引き起こす可能性がある。

ひずみ及び磁場の大きな破壊的な変化は明らかに問題であるが、以下の説明では、ターンの間の電流共有によりクエンチの開始時に生じるより小さいひずみ及び磁場の変化を使用して、初期クエンチを検出し、磁石を安全にランプダウンさせ、クエンチによって引き起こされる損傷を軽減又は防止するのに十分な警告を提供することを提案する。一般に、クエンチ検出は、「クエンチ前の状態」、すなわち、クエンチを引き起こす可能性のある状態、又はクエンチがすぐに起こる可能性があることを示すコイル間の電流共有又はコイル内のホットスポットなどの兆候を検出することを含む。

クエンチ検出は、セットのそれぞれのコイル（及び／又は近くの構造部品）のひずみ又はセットのそれぞれのコイルの近くの磁場の一方又は両方を監視することによって行うことができる。広範な例では、磁石の動作中の予想される測定値からの偏差（例えば、使用されるひずみゲージの測定精度よりも大きい）がある場合に、クエンチ前の状態が通知され得る。代替的に、そのような偏差が閾値よりも大きい（例えば、予想される測定値より１％大きい）場合に、クエンチ前の状態を知らせることができる。これは、多数の不要なシャットダウンの潜在的なコストが、制御されていないクエンチの潜在的なコストを節約するために負担する価値があるシステムに適している。

代替的に、クエンチ保護システムは、ひずみセンサ及び／又は磁場センサによる特定の測定値、例えば、通常動作中のコイルの磁場に垂直な磁場（「軸外」磁場）、又は予想外のコンポーネント又は予想外の方向のひずみにのみ応答するように構成され得る（ここで、「予想外」は、「通常動作中には予想されない」ことを意味する。すなわち、それはクエンチ状態又はクエンチ前の状態の場合に予想され得る）。

マルチコイルシステムでは、１つのコイルにおけるクエンチ前の状態の検出は、システムの別のコイル内及び別のコイルの周りのひずみの変化に基づくことができる。これは、第１のコイルの磁場の変化が、システム内の他のコイルに対する力のバランスの変化を引き起こすからである。これは、複数のコイルが同じ磁石の一部（例えば、ＴＦコイルセットの個々のリム）であるか否かに関係なく当てはまる。

「通常動作中のひずみ／磁場」の判断は、現在コイルに供給されている電力に基づくことができる。例えば、クエンチ保護システムは、それぞれのコイルに供給される電流の詳細を入力として受け取り、（例えば、ルックアップテーブルを参照することにより又は単純なモデルで計算することにより）これらの電流に基づいてひずみ及び／又は磁場モデルを決定し、ひずみ及び／又は磁場センサの測定値をひずみ及び／又は磁場モデルと比較することができる。上記のように、モデルからの有意な偏差に対して、又は特定のタイプの（例えば、予想される磁場／ひずみに対して垂直な）偏差に対して、クエンチ前の状態（及び係合した磁石をランプダウンするなどのクエンチ防止処置）を知らせることができる。

平衡型マルチコイルシステム、すなわち、通常動作中にそれぞれのコイルのひずみ／磁場パターンが同じである必要があるシステムでは、比較のために使用される通常動作中の予想されるひずみ／磁場は、他のコイルの測定されたひずみ／磁場に基づくことができ、すなわち、予想されるひずみパターンは、それぞれのコイルのひずみがゲージ精度の範囲内で同一であるというものである。ひずみの偏差の特定のパターン、例えば、コイルの両側の２つのコイルに、等しくかつ反対の偏差が存在し、次の最も近い隣のコイルに減少した等しくかつ反対の偏差が存在する場合は、クエンチ前の状態を示している可能性がある。

同様の考慮事項は、完全に平衡ではないが対称性を有するシステムにも適用される。例えば、マルチコイルシステムが互いに鏡映対称性を有する２組のコイルを有する場合、ひずみ／磁場パターンも反射対称性を有するはずであることを期待して、予想されるひずみ／磁場は、それぞれのコイルの測定されたひずみ／磁場に基づく可能性がある。

小型球形トカマク（プラズマ主半径約１．５ｍ）の典型的なＴＦコイルでは、予想されるひずみは最大０．２５％（２５００マイクロひずみ）である可能性があり、ひずみセンサの感度は０．０１マイクロひずみより優れている可能性がある。このようにして、磁石のひずみの非常に正確で高分解能の測定が可能である。

図２は、例示的な超伝導磁石システムを概略的な形態で示す。磁石システムは、
支持構造２０２を有するＨＴＳ界磁コイル２０１と、
ＨＴＳ界磁コイル２０１及び支持構造２０２上の複数のひずみセンサ２０３と、
ＨＴＳ界磁コイル２０１によって生成される磁場を監視するように配置された複数の磁場センサ２０４と、
クエンチ保護システム２０５であって、
ひずみセンサ及び磁場センサからの測定値を監視し、
監視された測定値を、通常動作中の予想されるひずみプロファイル及び通常動作中の予想される磁場プロファイルと比較し、
その比較に基づいて界磁コイルがクエンチ前の状態にあるか否かを判定する
ように構成されたクエンチ保護システム２０５と
を含む。

図３は、図２に示されるような複数のコイル２０１（関連する支持構造２０２、及びセンサ２０３、２０４を有する）を含むマルチコイル磁石システムを示す。クエンチ保護システム３０５は、
ひずみセンサ及び磁場センサからの測定値を監視し、
監視された測定値を、通常動作中の予想されるひずみプロファイル及び通常動作中の予想される磁場プロファイルと比較し、
その比較に基づいて、それぞれの界磁コイルのセンサと他の界磁コイルのセンサの両方を用いて、それぞれの界磁コイルがクエンチ前の状態にあるか否かを判定する
ように構成される。

上記のより詳細な例で説明したように、磁石システムは、ひずみセンサのみ又は磁場センサのみで構成することもでき、また、クエンチ保護システムは、ひずみ又は磁場のみを（必要に応じて）考慮するように構成することもできる。

クエンチ保護システムはさらに、界磁コイルがクエンチ前の状態にあるという判定に続いて、クエンチ防止又は緩和の何らかの方法を作動させるように、例えば、抵抗型負荷に切り替えること又は磁石の大部分を意図的にクエンチすることなどによって、磁石電流のコールドマスへのダンピングを始動させるように構成することができる。

Claims (6)

1. 複数のＨＴＳ界磁コイルを含む超伝導磁石においてクエンチを引き起こす可能性が高い状態を検出する方法であって、それぞれの界磁コイルは、
   ＨＴＳ材料及び金属安定化材を含む複数のターンと、
   導電性材料を介して前記ターンの間で半径方向に電流を共有できるように前記ターンを接続する導電性材料と
   を含み、
   前記方法は、
   それぞれのＨＴＳ界磁コイルのひずみ及び／又は磁場を監視することと、
   それぞれのＨＴＳ界磁コイルの監視されたひずみ及び／又は磁場を、前記複数のＨＴＳ界磁コイルのうちの他の少なくとも１つのＨＴＳ界磁コイルの監視されたひずみ及び／又は磁場と比較することと、
   前記比較に応じて、前記ＨＴＳ界磁コイルの１つ以上がクエンチする可能性が高いか否かを判定することと
   を含む方法。
2. 前記ＨＴＳ界磁コイルの１つ以上がクエンチする可能性が高いか否かを判定することは、
   前記監視されたひずみ又は磁場が他の少なくとも１つのＨＴＳ界磁コイルのひずみ又は磁場と閾値を超えて異なる場合に、前記ＨＴＳ界磁コイルの１つがクエンチする可能性が高いと判定することと、
   前記監視されたひずみ又は磁場が他の少なくとも１つのＨＴＳ界磁コイルのひずみ又は磁場に垂直な成分を閾値よりも大きい大きさで有する場合に、前記ＨＴＳ界磁コイルの１つがクエンチする可能性が高いと判定することと
   のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記閾値又はそれぞれの閾値が前記他の少なくとも１つのＨＴＳ界磁コイルのひずみ又は磁場の所定の割合である、請求項２に記載の方法。
4. 複数の高温超伝導（ＨＴＳ）界磁コイルを含むＨＴＳ磁石システムであって、それぞれのＨＴＳ界磁コイルは、
   ＨＴＳ材料及び金属安定化材を含む複数のターンと、
   導電性材料を介して前記ターンの間で電流を共有できるように前記ターンを接続する導電性材料と
   を含み、
   前記ＨＴＳ磁石システムは、クエンチ保護システムと、複数のセンサとをさらに含み、前記複数のセンサは、
   それぞれのＨＴＳ界磁コイル又はそれぞれのＨＴＳ界磁コイルの構造支持体に配置された１つ以上のひずみセンサ、及び／又は
   それぞれのＨＴＳ界磁コイルの磁場を監視するように構成された１つ以上の磁場センサ
   を含み、
   前記クエンチ保護システムは、
   前記複数のセンサを用いてそれぞれのＨＴＳコイルのひずみ及び／又は磁場の測定値を監視し、
   それぞれのＨＴＳコイルのひずみ及び／又は磁場の測定値を、前記複数のＨＴＳ界磁コイルのうちの他の少なくとも１つのＨＴＳ界磁コイルのひずみ及び／又は磁場の測定値と比較し、
   前記比較に応じて、前記ＨＴＳ界磁コイルの１つ以上がクエンチする可能性が高いか否かを判定する
   ように構成される、ＨＴＳ磁石システム。
5. 前記導電性材料は、
   断続的な絶縁層と、
   半導体と、
   両側に断続的な絶縁層を有する金属片と、
   金属絶縁体転移材料と
   のいずれかを含む部分絶縁層内に含まれる、請求項４に記載のＨＴＳ磁石システム。
6. 請求項４に記載のＨＴＳ磁石システムを含むトカマクであって、前記複数のＨＴＳ界磁コイルは前記トカマクのトロイダル界磁コイルである、トカマク。

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