JPH0222633B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高電圧発生回路に係り、特に、核融合
装置におけるプラズマ発生のための高電圧発生回
路に関する。

従来の変圧器の原理を応用したトカマク型の核
融合装置における高電圧発生回路は、第１図に示
す如き構成を有している。すなわち、直流電源１
１には極性切換スイツチ８を介してオーミツク・
ヒーテイング（以下、OHコイルと称する）１、
抵抗５、主サイリスタ３２のカソードがそれぞれ
接続されている。このOHコイル１の他端、抵抗
５の他端および主サイリスタ３２のアノードはそ
れぞれ極性切換スイツチ８を介して直流電源１１
の他端に接続されている。また、主サイリスタ３
２のカソードには、転流コンデンサ３３が接続さ
れており、この転流コンデンサ３３の他端には逆
方向に接続される補助サイリスタ３１を介して転
流リアクトル３５が接続されている。この転流リ
アクトル３５の他端は主サイリスタのアノードに
接続されている。この補助サイリスタ３１、主サ
イリスタ３２、転流コンデンサ３３、転流リアク
トル３５によつてサイリスタしや断器３０が構成
されている。

また、OHコイル１に対向して１ターンのコイ
ル電流として形成されるプラズマ回路２が設けら
れている。このプラズマ回路２は等価的に電気回
路としてインダクタンス分であるプラズマ３と、
抵抗分である抵抗４で表わすことができる。

このように、核融合装置における高電圧発生回
路は、１次側巻線としてOHコイル、２次側巻線
として、プラズマ回路を持つような回路構成が基
本となつている。すなわち、１次側のコイルであ
るOHコイル１の端子間に高電圧を発生し、２次
側のプラズマ電流を流すように構成されている。
したがつて、直流電源１１より、極性切換スイツ
チ８を通してOHコイル１に一定電流を流してお
く。次にサイリスタ遮断器３０の主サイリスタ３
２のゲートに点弧信号を印加すると同時に直流電
源１１の直流電圧を逆極性にする。これによつ
て、OHコイル１→主サイリスタ３２→OHコイ
ル１と直流電源が還流する。その後、主サイリス
タ３２をターンオフすると、OHコイル１の蓄積
エネルギによる電流はOHコイル１→抵抗５→
OHコイル１の回路を還流する。このためOHコ
イル１の電流は急速に減衰する。このときOHコ
イル１端子間に高電圧を発生し、OHコイル１と
電磁結合３４をもつたプラズマ回路２にプラズマ
が発生する。

このように、１次側に高電圧を発生する方法と
して、OHコイル１にあらかじめ定電流を流して
おいて、OHコイル１にエネルギを蓄積し、この
OHコイル１に充分エネルギが蓄積された時点で
OHコイル１に供給している電流をしや断する。
この電流しや断によつて電流を抵抗回路に移し、
電流の急激な変化によつてOHコイル１端子間に
高電圧を発生する方法がとられていた。

この現象を第２図Ａ，Ｂに示すOHコイル１に
流れる電流Ａの波形とプラズマ回路２に流れる電
流Ｂの波形とによつて次に説明する。

まず、時間０〜t₀間は、OHコイル１に直流電
源１１より励磁する期間で、電流立上げ時の電流
上昇がゆつくりしているため、２次側回路のプラ
ズマ回路２に電流は流れない。次に、時間t₀で、
OHコイル１の急激な電流変化によつて始めてプ
ラズマ回路２に第２図Ｂに示す如く電流が流れ始
まる。その後、t₀で極性切換器８の接点をａ側か
らｂ側に切換えて、直流電源１１を再びOHコイ
ル１に接続して、プラズマ電流Ｂが一定電流にな
るよう直流電源１１によつて制御する。さらにt₂
では、直流電源１１を制御して、第２図Ａに示す
如くOHコイル１の電流を減衰させると第２図Ｂ
に示す如くプラズマ電流Ｂも減衰する。

このような核融合装置における高電圧発生回路
は、OHコイルを流れる電流をしや断する時にコ
イル端子間に発生する電圧が数10kVに達するよ
うに設計されるのが通常である。このOHコイル
に超電導コイルを用いる場合、超電導コイルは臨
界温度以下に冷却するとその電気抵抗が零の状態
すなわち、超電導状態になるものであるため、
OHコイルを冷却しなければならない。ところが
OHコイルの冷却に浸せき法を用いると、OHコ
イル端子間に発生する電圧が高電圧であるため、
このOHコイル端子間の絶縁耐力が低くなり従来
の構成のままOHコイルに超電導コイルを用いる
ことができないという欠点を有していた。

本発明の目的は、冷却を要する超電導コイルを
OHコイルに用いても２次側のプラズマ回路の誘
起電圧に所定電圧を得、しかも、各OHコイル端
子間の絶縁耐力を満足する値に抑制できる高電圧
発生装置を提供することにある。

本発明は、１次側の初期のエネルギ蓄積コイル
を複数個設け、かつ、各々の１次側コイルに独立
した電源を設けて構成して、各１次側コイルの端
子間電圧を低くすると共に２次側のプラズマ回路
には１次側コイルの重畳された電圧に対応した誘
起電圧を得られるようにすることにより各OHコ
イル端子間の絶縁耐力を高くしようというもので
ある。

以下、本発明の実施例について説明する。

第３図には、本発明に係る高電圧発生装置の一
実施例が示されている。

図において、第１図図示従来例と同一の回路構
成を示すが、本実施例では、１次側コイルである
OHコイルをOHコイル１，５０，……５９とい
るようにｎ分割し、各OHコイルを別個にｎユニ
ツトを高電圧発生回路で構成したものである。本
実施例を示す第３図においては、３個の高電圧発
生回路しか示されていないが、ｎ個の高電圧発生
回路が設けられている。

図において、１，５０，５９はOHコイル、２
はプラズマ回路、３はプラズマ、４は抵抗、５，
５１，６０は抵抗、８，５７，６６は極性切換ス
イツチ、１１，５８，６７は直流電源、３０，５
２，６１はサイリスタしや断器、３１，５３，６
２は補助サイリスタ、３２，５４，６３は主サイ
リスタ、３３，５５，６４は転流コンデンサ、３
４，５６，６５は転流リアクトルである。いま、
各OHコイル１，５０，……５９には、あらかじ
め直流電源１１，５８，……６７より励磁してお
き、OHコイル１，５０，……５９にエネルギを
蓄積しておく。次に各電源の電圧を同時に逆極性
にし、サイリスタスイツチ３０，５２，……６１
の主サイリスタ３２，５４，……６３を点弧する
とOHコイル１，５０，……５７の電流Ａ，Ｂ，
……Ｎは、これらの主サイリスタ３２，５４，…
…６３に流れるようになる。そこで、直流電源１
１，５８，……６７と各OHコイル１，５０，…
…５９を切離すために切換スイツチ８，５７，…
…６６をしや断する。

次に、サイリスタしや断器３０，５２，……６
１の主サイリスタ３２，５４，……６３に流れて
いる電流を抵抗回路（OHコイル１，５０，……
５９と抵抗５，５１，……６０によつて構成され
る閉回路）に移し、OHコイル端子間に高電圧を
発生させるために、各サイリスタしや断器の各補
助サイリスタ３１，５３，……６２を同時に点弧
する。

これによつて、あらかじめ充電してあつた転流
コンデンサ３３，５５，……６４が放電し、この
コンデンサと転流リアクトル３４，５６，……６
５によつて振動電流が流れ、これによつて各サイ
リスタに流れる電流はしや断される。その結果各
OHコイルの電流は抵抗５，５１，……６０に流
れ、各OHコイル端子間に高電圧を発生する。こ
のため、各OHコイル１と電磁結合１２０したプ
ラズマ回路２にプラズマ電流が流れ始まる。

この１次側のコイルの電流変化によつて、２次
側プラズマ回路に発生する誘起電圧ｅ（ワンター
ン電圧）は の関係を満さなければ、プラズマは点弧しない。
ここで、e₀は、ワンターン電圧制限値でトカマク
型核融合装置では100〜200V程度である。In，
Rn，Ln，knは、１次側コイルをｎ分割した時の
コイル電流、抵抗、コイルインダクタンス、電磁
結合係数を示す。

また、１次側コイル端子間に発生する電圧は、
コイルの絶縁耐力をV₀とすれば In・Rn≦V₀ を満足しなければならない。V₀は、超電導コイ
ルの場合1.5〜2.0kV程度である。

以上から、ｎ分割した場合分割した各コイルに
流せる電流Inは In≧2E₀／nτ₀V₀ ここで、E₀は初期の蓄積エネルギを示し、τ₀は
Ln／Rnを示す。また、初期の蓄積エネルギは、
前述のワンターン電圧、および、コイル絶縁耐力
の制限から、 E₀≧１／２（e₀τ₀／Ｋ）² を満足しなければならない。

従つて、１次コイルの電流値、インダクタン
ス、および、抵抗は、初期の蓄積エネルギが決ま
ると両対数表示される第４図に示される関係によ
つて決定できる。なお、第４図中E₀は初期蓄積
エネルギ、Iiはコイル電流、Liはコイルインダク
タンス、Riは時定数調整抵抗、ｍはプラズマ電
流立上が段数、ｎは回路分離数、Ａはワンターン
電圧を出すためのE₀の下限値である。

第３図図示実施例で各OHコイル端子間電圧が
低くても、２次側のプラズマ回路に誘起される電
圧が重畳されるので１ユニツトで構成する場合と
同一効果が得られる。

１次側のOHコイル１に流れる電流の変化によ
つてプラズマ電流は上昇し、プラズマ電流が所定
の値に達した後は、再び、極性切換スイツチ８，
５７，……６６をb₁，b₂側に投入して、電源を制
御することによつて、プラズマ電流が低下しない
ようにすることができる。電流波形は、第２図に
示す波形と同じである。

したがつて、本実施例によれば、各OHコイル
端子間の電圧は低減でき、超導電コイルのような
場合有効な方式となる。しかも、プラズマ電流の
最大値は１ユニツトで構成した場合と変るところ
がない。

第５図には、第３図図示実施例の１ユニツトの
高電圧発生回路を２段立上げ構成にした場合の実
施例が示されている。

図において、８０はサイリスタ、９０，１０
０，１１０は第２段エネルギ蓄積コイル、９１，
１０１，１１１はサイリスタしや断器、９２，１
０２，１１２は補助サイリスタ、９３，１０３，
１１３は主サイリスタ、９４，１０４，１１４は
転流コンデンサ、９５，１０５，１１５は転流リ
アクトル、９６，１０６，１１６はスイツチ、９
７，１０７，１１７は直流電源であり、他は第３
図図示実施例と同一である。

このような構成されるものであるから、第１ユ
ニツトの２段目の立上げ回路は、エネルギ蓄積コ
イル９０に、直流電源９７よりスイツチ９６を介
してエネルギを蓄積しておき、サイリスタしや断
器９１の主サイリスタ９３にエネルギ蓄積コイル
９０の電流を転流させ、その後、補助サイリスタ
９２を点弧して、転流コンデンサ９４、転流リア
クトル９５により振動電流で直流電源をしや断す
る。同時にサイリスタ８０を点弧すると、エネル
ギ蓄積コイル９０の電流は抵抗５、OHコイル１
を流つて、サイリスタ８０に流れる。この時OH
コイル１の端子間に発生する高電圧によつて、２
次側のプラズマ回路の電流が再び上昇する。

第２ユニツトの高電圧発生回路も、第１ユニツ
トの高電圧発生回路と同じタイミングで動作す
る。第２ユニツトの第２段目のエネルギ蓄積コイ
ル１００に、直流電源１０７よりスイツチ１０６
を介してエネルギを蓄積しておき、サイリスタし
や断器１０１の主サイリスタ１０３にエネルギ蓄
積コイル１００の電流を転流させる。その後、補
助サイリスタ１０２を点弧して、転流コンデンサ
１０４、転流リアクトル１０５により振動電流で
主サイリスタ１０３に流れる直流電流はしや断さ
れる。同時に、サイリスタ８２を点弧すると、エ
ネルギ蓄積コイル１００の電流は抵抗５１、OH
コイル５０に流れて、サイリスタ８２に流れる。
この時OHコイル５０の端子間に発生する高電圧
によつて、２次側のプラズマ回路の電流が再び上
昇する。

同様にして、第ｎユニツトの高電圧発生回路２
１第１、第２、……第ｎ−１ユニツトの高電圧発
生回路と同じタイミングで動作する。第ｎユニツ
トの第２段目のエネルギ蓄積コイル１１０に、直
流電源１１７よりスイツチ１１６を介してエネル
ギを蓄積しておき、サイリスタしや断器１１１の
主サイリスタ１１３にエネルギ蓄積コイル１１０
の電流を転流させる。その後、補助サイリスタ１
１２を点弧して、転流コンデンサ１１４、転流リ
アクトル１１５による振動電流によつて、主サイ
リスタ１１３に流れる電流をしや断する。同時に
サイリスタ８４を点弧すると、エネルギ蓄積コイ
ル１１０の電流は抵抗６０、OHコイル５９を通
つて、サイリスタ８４に流れる。この時、OHコ
イル５９の端子間に発生する高電圧によつて、２
次側のプラズマ回路の電流が再び上昇する。

したがつて、本実施例によれば、ユニツト数の
みを増やさなくても所定の効果を得ることができ
る。特に、装置が大型化し、初期蓄積エネルギが
大きくなつた場合、第４図の特性図よりユニツト
数を増やせばよいが、一応製作可能なOHコイル
のインダクタンス、抵抗等を設定できるが、負荷
としてのOHコイルを細分化していくことは、プ
ラズマとOHコイルとの電磁的結合の上で負荷製
作上の問題がでて来る。従つて、初期蓄積エネル
ギが大きくなつた場合１ユニツトの段数を増や
し、ユニツト数を減らすことによつて、製作可能
なOHコイルのインダクタンス、および抵抗等を
設定でき、かつ電源の制御も容易にできるように
なる。

第６図には、本発明の他の実施例が示されてい
る。本実施例は、１ユニツトの高電圧発生回路を
ｍ段立上げ構成にし、かつ、ｎユニツト設けて、
プラズマ回路と結合した高電圧発生回路を示す。
第１ユニツトの高電圧発生回路は、第１段回路７
０、第２段回路７１，……第ｍ段回路７２で構成
し、各段回路はサイリスタ８０，……８１で接続
する。同様に、第２ユニツトの高電圧発生回路
は、第１段回路７３、第２段回路……第ｍ段回路
７５で構成し、各段回路はサイリスタ８２，……
８３で接続する。さらに、第ｎユニツトの高電圧
発生回路は、第１段回路７６、第２段回路７７，
……第ｍ段回路７８で構成し、各段回路はサイリ
スタ８４，……８５で接続する。

プラズマと電磁結合するOHコイルは、各ユニ
ツトの第１段回路にのみ設ける。

したがつて、本実施例によれば、装置の大きさ
に関係なく、初期蓄積エネルギが大きくなつて
も、１ユニツトの構成段数と、ユニツトの分割数
を適切に選ぶことによつて、各OHコイル端子間
の電圧を低く設定でき、しかもプラズマ電流は所
定の値まで上昇させることができる。このため機
器の絶縁構造が容易になり、経済的な回路を提供
することができる。

第７図には、本発明の別な実施例が示されてい
る。

本実施例によれば、ｎ分割したユニツトの高電
圧発生回路をｎ−１個のサイリスタ１３０，……
１３１を介して並列接続し、各ユニツトのOHコ
イル１，５０，……５９への励磁は直流電源１
１，５８，……６７によつて行ない、プラズマ電
流が設定値に達した後は第１ユニツトの極性切換
スイツチを切換え、サイリスタ１３０，……１３
１を点弧することによつて、直流電源１１のみで
プラズマ電流を一定制御することができる。この
ため、第２ユニツト以後、第ｎユニツトまでの直
流電源と各OHコイル間のスイツチ１２１，……
１２２は通常のスイツチでよい。

また、各OHコイルには１個の電源だけで、プ
ラズマ電流を制御でき、各OHコイルが並列に接
続されるため各OHコイルに一定電流を流すこと
ができる。

第８図には、本発明のさらに別な実施例が示さ
れている。

本実施例によれば、プラズマ電流が設定値に達
したら、各ユニツトの極性切換スイツチ８，……
６６をa₁，a₂端子からb₁，b₂端子に移し、各OH
コイル電流を各コイルの電源で制御するようにし
た。また、各OHコイルは、プラズマ電流が設定
値に達した後、スイツチ１４０，……１４２，１
４３を投入し、各OHコイル１，５１，……５９
を直列接続することができる。この方式では、各
OHコイル電流はそれぞれの電源で制御し、全体
として、一定電流が流れるような制御も可能であ
る。しかも、コイルの製作上の不ぞろいなどによ
る、コイル電流の微調整が可能である。

第９図には、本発明のさらに別が実施例が示さ
れている。

本実施例は、プラズマ回路２にプラズマ電流が
流れ、設定値に達した後、各OHコイルをスイツ
チ１４０，……１４２を投入することによつて直
列接続する。プラズマ電流を一定に制御するため
に、直列接続したコイル端子間に直流電源１５０
を接続して、各OHコイル電流を制御する回路構
成を提供するものである。

これにより、プラズマ電流を一定に制御するた
めには直流電源１５０で制御し、更に、各OHコ
イルに微小な電流制御が必要な場合には、それぞ
れの直流電源１１，……６７によつて行なうこと
ができる。

以上説明したように、本発明によれば、冷却を
要する超導電コイルをOHコイルに用いても個々
のOHコイル端子間の絶縁耐力を高くでき、しか
も、２次側のプラズマ回路の誘起電圧に所定電圧
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高電圧発生回路の回路図、第２
図は第１図図示回路の主要部の電流波形図、第３
図は本発明の実施例を示す回路図、第４図は回路
分割による初期蓄積エネルギと電流、コイル、イ
ンダクタンス、抵抗の関係を示す図、第５図は第
３図図示実施例の１ユニツトを２段構成した場合
の実施例を示す図、第６図は本発明の他の実施例
を示す図、第７図は本発明の別な実施例を示す回
路図、第８図は本発明のさらに別な実施例を示す
回路図、第９図は本発明のさらに別な実施例を示
す回路図である。 １…OHコイル、２…プラズマ回路、５…抵
抗、８…極性切換スイツチ、１１…直流電源、３
０…サイリスタしや断器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各々の直流電源により、浸せき法によつて冷
   却される超電導コイルによつて構成される各々の
   OHコイルにエネルギを蓄積し、 前記各々のOHコイルに並列に設けられた各々
   の主スイツチを投入し、前記各々のOHコイルの
   電流を前記各々の主スイツチを介して還流させ、 その後、前記各々のOHコイルと前記各々の主
   スイツチに並列に設けられた各々の抵抗によつて
   構成される抵抗回路に、前記各々のOHコイルに
   蓄積されたエネルギーを還流させるため、前記
   各々の主スイツチを同時に遮断し、前記各々の
   OHコイルに同時に高電圧を発生させる高電圧発
   生回路を複数個設け、 前記複数個の高電圧発生回路の前記各々のOH
   コイルに共通に電磁的に結合される２次側コイル
   である一つのプラズマ回路に、プラズマ電流を誘
   起させることを特徴とする高電圧発生装置。