JPS60763B2 - 超電導トロイダルマグネツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電気的、熱的、および機械的な保護を必要と
する超電導トロイダルマグネツトの改良に関するもので
ある。

現在核融合炉や電気エネルギー蓄積装置用の磁界発生装
置として超電導トロイダルマグネツトの使用が考えられ
ているが、実用的規模の超電導トロイダルマグネットの
大きさは、蓄積エネルギー数でいえばし １び１ジュー
ル（１０唯Ｊ）以上の、これまで実現されたことのない
巨大なものである。

超電導トロイダルマグネツトの主要構成要素は超電導ト
ロイダルコィルであり、第１図に超電導トロイダルコィ
ルーの概念を示す。すなわち、図に示すように、超電導
トロイダルコィルはトロイダル電流ｌｏによってコイル
内に磁界Ｂが発生するように構成されている。しかし「
現実の超電導トロイダルコィル１を第１図のように均等
に巻線することはほとんどないと考えられる。

なぜなら、超電導トロイダルコイルの主半径Ｒは１０ｈ
程度、小半径ｒが数ｍの巨大なものであるために超電導
トロイダルコィル１を１個のコイルとして作るのは非常
に困難なこと、および核融合燃料の供聯合、真空排気、
計測などのためにトロイダル磁界領域への接近を必要と
することなどによる。したがって、第２図に示すように
、超電導トロイダルコイルーはいくつかに分割して、個
々の超電導コイル２の組合せとして形成される。

第３図は超電導トロイダルコィル１を構成する超電導コ
イル２の一種であるバンケーキ形超電導コイルの一部破
断斜視図で、この超電導コイル２は、超電導線３をター
ン間スベーサ４を介して巻回したパンケーキコィル２０
０を複数個「層間スベーサ５を介して巻枠６内に積重ね
て固定した横成を有し、超電導線３はターン間・層間の
両方ともターン間スベーサ４および層間スベーサ５によ
って電気的に絶縁され、かつ層間スベーサ５により、液
体ヘリウムなどの冷却媒体が流される間隙７が形成され
る。

この間隙７は超電導線３の表面に発生した冷却媒体の気
泡を逃がす役割と、冷却媒体を供給する役割をもつ。′
しかし、このようなパンケーキ形超電導コイルは、ＧＪ
級コイルが発生する巨大な電磁力によって、超電導線３
の特性が劣化、あるいは超電導線の断線などが生ずる可
能性があるという欠点を有している。

この従来の超電導コイルの欠点を補なうために第４図に
示すような構造の超電導コイルが考えられている。

すなわち、第４図に示す超電導コイル２では、金属また
は絶縁物より，なる板状の保持部材８の両側面に複数個
のコイル溝９を設け、そのコイル溝に超電導線３を収納
して形成される超電導ディスク１００を複数個積重ねて
、ボルト及びナット１１で締付けて組立てられている。
以上のように構成された超電導コイル２は、コイルが発
生する巨大な電磁力に対して十分耐えることができるの
で、核融合炉やエネルギー蓄積装置用の超電導トロイダ
ルマグネットを構成する要素である超電導コイルとして
採用することができる。

これらの超電導コイルを用いた磁界発生装置としてのト
ロイダルマグネットの励磁運転回路としては、従来、第
５図の回路が考えられていた。

図に示すように、超電導トロイダルコィル１は冷却媒体
１２が貯液されたクラィオスタット１３の中に浸潰され
、スイッチ１４を閉じた状態で、励磁電源１５によって
定格運転電流らまで励磁される。ところで、超電導トロ
イダルコィル１の運転中に、超電導トロイダルコィル１
がクェンチ（もとの超電導状態に復帰しえない超電導破
壊）することがある。

なおＬ超電導トロイダルコイル１にクヱンチが発生した
ことの検出は、超電導トロイダルコィル１に発生する抵
抗性電圧が所定値に達したことにより検知するのが普通
であるが、温度上昇を測定し「 これより検知する場合
もある。

超電導トロイダルコィル１にクェンチが発生した場合「
超電導トロイダルコィル１に蓄えられた磁気ェネルギを
急速に取り去り「超電導トロイダルコィル１の温度上昇
をある限界内（室温程度）に抑える必要がある。

第５図に示した磁界発生装置は、超電導トロイダルコィ
ル１にクェンチが発生した場合の保護のために用いられ
る構成として普通のもので、保護抵抗１６を超電導トロ
イダルコィルーと並列に接続し、クェンチが生じた場合
にスイッチ１４を開き、超電導トロイダルコィルーに蓄
えられた磁気ェネルギを急速に保護抵抗１６に吸収させ
るようにしたものである。このようにすると、超電導ト
ロイダルコィル１に蓄えられていた磁気ェネルギの大部
分は保護抵抗１６で消費され、１部の磁気ェネルギのみ
が冷却媒体で消費されるので超電導トロイダルコィル１
の温度上昇は限界以下に抑えられるだけでなく「冷却媒
体の消費も少なくなる。しかし上記従釆の磁界発生装置
における超電導コイルの保護は、約１０皿Ｊ以下の超電
導コイルには有効であるが、その以上の磁気ェネルギを
もつ大形超電導コイルには適用できない。

以下、この点について述べる。第５図において、超電導
トロイダルコィル１にクェンチが生じたときスィッチー
亀を開き、超電導トロイダルコィル１と保護抵抗１６か
ら構成される閉回路をつくる電流ｌｏは定数Ｌ （
秒）．……・・【１｝ ７Ｐ＝南コ雨 で減衰する。

ここでＬ（Ｈ）は超電導トロイダルコィル１のィンダク
タンス、Ｒｐは保護抵抗１６の抵抗値、Ｒｃ（Ｑ）は超
電導トロイダルコィルの抵抗値で、通常、時間と共に増
加する量である。電流減衰時定数でｐがづ・さいほども
超電導トロイダルコィル１が常電導状態になったことに
よるジュール発熱が４・さくなり、超電導トロイダルコ
イル１内の温度上昇が小さくなる。

時定数ヶｐを小さくするには、保護抵抗１６の抵抗値Ｒ
ｐと超電導トロイダルコィル１の常電導状態抵抗値Ｒｃ
を大きくする必要がある。Ｒｃは超電導トロイダルコィ
ル１のコイル安定化法、巻線内状況、超電導線の常電導
基材（例えば、銅）量などによって変化する量であるが
、ここでは、超電導トロイダルコィル１の常電導部分が
極く１部にとどまっている場合（これは完全安定化超電
導コイルが局部的に常電導状態になっており、常電導部
分が周囲に伝播しない場合に相当）のＲｃ＝０について
論ずる。この場合の時定数７ｐはＲｃ＜０の場合の７ｐ
より長くなり「 コイル保護はより困難となるので、Ｒ
ｃ＝０の場合について論するだけで十分である。電流減
衰時定数７ｐはいくらでも長くしてよいのではなく、電
流減衰時定数限界↑ａ以下にしなければならない。

すａは、電流が減衰するとき、超電導線の熱容量よって
発熱を吸収して、時間ｔ→のにおける温度が超電導体や
絶縁物を劣化させない温度Ｔｏ（通常８００Ｋ）以下に
なるという条件で計算すると、式で与えられる。

ここで、ｌｏ■はクェンチする前のコイル電流、ｍ（ｇ
／ｍ）は単位長さ当りの常電導基材の重量「Ａ（力）は
基材の断面積、Ｑｃは積分で定義される。

ＣＵ／ｇ）は基材の比熱、ｐ（Ｑ−ｍ）は常電導基材の
抵抗率である。

例えば、大形超電導コイル用の１比肋×３６肋断面の超
電導線にＬ＝３４．７００Ａ流したときの時定数限界７
ａは５晩該‘こなる。

第５図の磁界発生装置において、クェンチを検出して電
源をしや断したときの電流減衰時定数でｐを５硯砂以下
にする必要があるから、超電導トロイダルーのィンダク
タンスＬを例えば２６帆とすれば、保護抵抗量０の抵抗
値Ｒｐは、式【１｝から、Ｒｐ＝５．２０以上にしなけ
ればならない。

ただし、Ｒｃ＝０とみなしている。この電流減衰時に超
電導コイル５の両端に発生する電圧ＶｔはＶｔ＝１。

Ｒｐ （Ｖ） ・・・・・・・・・｛３１であ
る。ｌｏ＝３４。７００Ａ、Ｒｐ＝５２０を代入すると
、Ｖｔ＝１８雌Ｖになる。

このような高い電圧では、コイル両端の絶縁を保つこと
は極めて困難である。このように「大形超電導コイルに
おいては「従来の構成では超電導トロイダルコィル１を
保護することはできない。上記のような困難に鑑みて、
大形超電導コイルがクェンチしたときに破損しないよう
に保護することのできる大形磁界発生磁界発生装置が提
案されている。

第６図は、この先行技術の−実施例を示す図で、１一１
〜１−ｎは分割された励磁コイル、１５一１〜１５−ｎ
はそれぞれ励磁するための励磁電源、１４一１〜１４一
Ｍまスイッチ、１６−１〜１６−ｎは保護抵抗で、励磁
コイル１一１〜１一ｎはそれぞれ独立した励磁系で励磁
されるように構成したものである。

第６図において励磁コイル１一１〜１一ｎのうち一つの
励磁コイル、例えば１−１とするが、クェンチした場合
、その励磁コイル亀−１の属する励磁回路のスイッチ１
４一１を開き、励磁コイル１一１のェネルギを保護抵抗
１６一１に放出させる。

そのときの時定数７ｐｎは、超電導コイル５に抵抗が発
生しないと仮定したとき、７ｐｎ＝器 （秒）．・・．
・…・【４’である。

ここで、Ｌｎ（Ｈ）は各分割コイル１−１〜１一ｎのィ
ンタクタンスであり、ｎ個の分割コイルが同時に減衰し
たとき、Ｌｎは超電導コイル５のィンダクタンスＬに対
してＬｎ基………（５１ の関係がある。

１個の励磁コイル１一１だけが電流減衰する場合の励磁
コイル１−１のインダクタンスＬｎは自己ィンダクタン
スのみであり、当然‘５｝式のＬｎよりも小さい。

ここでは、最もきびしい条件として励磁１−１〜１一ｎ
が同時にクェンチしたとすると、各励磁コイル１‐１〜
１−ｎの各電流らが減衰するとき各励磁コイル１一翼〜
１一ｎにそれぞれ発生する電圧ＶｎはＶｎ＝１。

Ｒｐｎ （Ｖ） ・・・…・・・‘６’となる
。これに■，｛５｝式を代入してＶｎ：ＬＬ……”｛７
’ ｎつｐｎ の形で表わすことができる。

一方、第６図の磁界発生装置におけるコイル両端電圧Ｖ
ｔは、Ｒｃ＝０とおいた【１｝式と‘３ー式からＶｔ＝
ごと………【８｝ つｐ になる。

すｐ，ィｐｎとも↑ｐ＝７ｐｎミ７ａ（電流減衰時定数
限界）であるから、第６図の先行技術の磁界発生装置の
クェンチ時の電圧Ｖｎは第５図の従来技術の場合の電圧
Ｖｔのｎ分の１になる。前に例としてあげた超電導コイ
ル（ｌｏ＝８４．７００へ Ｌ＝２６０Ｈ）の場合につ
いて適当な分割数ｎを試算すると、各励磁コイル両端の
耐圧としてＶｐ＝球Ｖを仮定すると、‘６｝式において
Ｖｎ＝靴Ｖであるから、Ｒｐｎ＝０．１４０が得られる
。

したがって、｛４｝式に上記の値とｒｐｎ＝５の沙を代
入すると、Ｌｎ＝７．犯になるので、‘５’式からｎ＝
３６力ミ得られる。このように、大形磁界発生装置を第
６図に示す構成とすれば、核融合炉やェネルギ蓄積装置
などに用いられる大形超電導コイルの保護が容易となり
「絶縁処理も簡単なものにできるだけでなく、クェンチ
した励磁コイルの電流のみを零とし、他の大部分をその
まま励磁しておくことができるので、実用上適したもの
となる。

第７図はこの先行技術のさらに他の実施例を示す図で、
この例は個々の励磁コイル１−１〜１一ｎの中点を援地
したものである。

この場合では、励磁コイル１−１〜１−ｎのプラス端子
には、一Ｖｎ／２、マイナス端子には、Ｖｎ／２の電圧
が生ずるので、耐圧ＶｐとしてＶｐ＝Ｖｎ／２
………｛９｝を考えればよい。

耐圧として、Ｖｐ＝歌Ｖを仮定して、【６），｛９｝式
から得られる０．２９０が個々の励磁コイル１−１〜１
−ｎの保護抵抗値となる。したがって、前記の超電導コ
イル（ｌｏ＝３４．７００Ａ、Ｌ＝２６胆）の励磁コイ
ルの場合Ｖｐ＝瓜Ｖとすると必要な分割数ｎは１８であ
り、第５図、第６図の回路の場合の分割３６の２分の１
でよいという利点をもつ。この先行技術は以上の説明よ
り明らかなように「一つの励磁コイルを複数個の超電導
コイルで形成するとともに、各超電導コイルごとに並列
に接続された保護抵抗と、この並列体にそれぞれスイッ
チを介して励磁電流を給電する励磁装置とを備え、クェ
ンチを発生した励磁コイルの属する励磁回路のスイッチ
を開くことにより当該クェンチを発生した励磁コイルの
磁気ェネルギを保護抵抗に吸収させるようにしたもので
「各励磁コイルの両端子間に発生する電圧を低く押える
ことができるため特別の絶縁処理を施すことなく大形磁
界発生装置を実現することができる。

超電導トロイダルコィル官をｎ個の励磁コイル１−１〜
１一ｎに分割する方法として最も単純であるのは、第２
図の超電導トロイダルコィルーを空間的に分割した超電
導コイル２がｎ個の場合、個々の超電導コイル２を個々
の励磁コイル１−１〜１一ｎとすることである。

超電導コイル２の個数ｍがｎ以上の場合「励磁コイル数
はｎでなくｍにしてもよい。

この場合、個々の励磁コイル（すなわち、個々の超電導
コイル）に発生する電圧は、ｎ個分割のときの値よりも
４・さくなるのでトコィルの電気的・熱的保護の上では
より楽になる。また、電導コイル２の個数ｍがｎ以下の
場合、１つの超電導コイルの中間からパワーリードを取
りだして、励磁コイル数をｎ個にすることができる。

以上３例のような励磁コイルの分割方法を採用する場合
、クェソチ時の超電導トロイダルコィルの電気的・熱的
保護はできるが、機械的保護はかなり困難になる。

第８図は超電導トロイダルコィルを構成する１個の超電
導コイル２の＃１がクヱンチした場合にその超電導コイ
ル２−０１の両隣の超電導コイル２一０２，２一２４に
働く電磁力を示す図である。

ただし、超電導トロイダルコィルの空間的分割数ｍを２
４とし、コイルの諸元は前に例としてあげたものについ
て論ずることにする。第８図において、超電導コイル２
−０１がクェンチしてコイル電流が減衰してゼロになる
と、その両端の超電導コイル２一０２， ２−２４に８
方向の電磁力Ｆが働く。

この電磁力は、第８図に示すように、相反溌する向きを
もちトその大きさＦは約７方トンもの巨大な力である。
この力に耐える支持構造を設計することは不可能ではな
いが、支持構造物重量の増加、およびそれに伴なう熱侵
入の増加、は超電導トロイダルコィルにとっては大きな
欠点となる。さらに、２４個の超電導ィルのうち２３固
の超電導コイルを運転することはできるが、磁界分布の
一様性が悪くなるという欠点をもつ。

この上述の欠点を解消するためのトロイダルマグネット
の励磁運転方式が先行技術として提案されている。

第９図はこの先行技術の−実施例の概略的な構成を示す
部分図であり、超電導トロイダルコイルーを構成する複
数の超電導コイル２一０１〜２一ｍのうち３個のみを示
している。

図において、２１−１〜２ｍ−ｎは部分コイルで、各々
の超電導コイル２一０１〜２一ｍは複数の部分コイル２
１一１〜２ｍ−ｎによって構成されている。

また励磁コイル１ー１〜１−ｎは各超電導コイル２−０
１〜２一ｍ内の相対位置の等しい部分コイル２１一１〜
２ｍ−ｎを電気結線して構成されている。すなわち、各
超電導コイル毎に複数の部分コイル２１一１〜２ｍ−ｎ
に順次番号を付け、各超電導コイル２−０１〜２一ｍを
構成する部分コイルのうち同一番号の部分コイルを次々
に電気結線して励磁コイルーー１〜１一ｎが構成される
。なお、図には示していないが、励磁コイル１一１〜１
一ｎに対して、第６図または第７図に示した回路が設け
られており、前述のような効果、すなわち電気的および
熱的に破損しないような保護を有するように構成する。

なお、以上の説明において、部分コイルは、第３図に示
すようなパンケーキ形超電導コイルに対してのパンケー
キコイルとしても良い。

また、以上の説明では各励磁コイルの構成要素として各
超電導コイルに対してそれぞれ１個ずつの部分コイルを
電気結線したものを示したが、超電導トロイダルコィル
の機械的保護の可能な範囲で「各超電導コイルに対して
部分コイル複数個を励磁コイルの構成要素としてもよい
。

上述した先行技術のように構成した場合には次の利点が
期待される。

すなわち【１’ １つの励磁コイルがクヱンチした場合
、１つの超電導コイルの中の１つの部分コイルの電流が
減衰するのであるから、クェンチした部分ィルの両隣の
部分コイル間に生じる反駁力は、１個の超電導コイルを
１個の励磁コイルとした場合の反溌力の数１０分の１の
小さい値になる。

したがってクェンチを考慮した特別の支持構造を設ける
必要はない。‘２） 超電導トロイダルコィルを構成す
る全超電導コイルの同番号の部分コイルの電流が減衰す
るためトロイダルコィル磁界分布の不均一性が小さくて
すむ。

しかし、トロイダルマグネツトの構成要素である超電導
コイルとして第３図の従来技術の超電導コイルまたは第
４図の先行技術の超電導コイルを採用する場合、上記２
つの利点を実現できない怖れが十分である。

第３図または第４図の部分コイルの一つがクェンチした
場合、当該部分コイルの温度が冷却媒体、例えば液体ヘ
リウム、の温度よりも上昇し、当該部分コイルに接して
いる冷却媒体は蒸発して気体になる。

蒸発した気体は、時間と共に広がっていさ、当該部分コ
イルに隣接する部分コイルの温度は上昇してクェンチし
、最終的にはクェンチが超電導コイル全体に波及する怖
れがある。超電導コイル全体がクェンチすると、第６図
及び第７図の先行技術の超電導トロイダルマグネットの
励磁保護回路によるコイル保護は可能であっても、超電
導コイルのクェンチに伴なうコイル内ェネルギ消費は増
大し、超電導コイルは全く磁界を消滅してしまう。第６
図または第７図の先行技術の励磁保護回路と第３図の従
来技術または第４図の先行技術の超電導コイルとの組合
せである超電導トロイダルマグネツトには上記のような
欠点があった。

この発明は上述の欠点を解消するためになされたもので
、超電導トロイダルマグネツトがクェンチしたときに、
電気的、熱的および機械的に破損しないように保護でき
るだけでなく「クェンチを部分コイルにのみ限定するこ
とによって、クェンチによるェネルギ消費も少なくでき
「若干の磁界減少はあっても運転を継続させることもで
きる超電導トロイダルマグネットを提供することを目的
としている。

第１０図はこの発明の超電導コイルの一実施例を示す図
で、隣接する超電導ディスクの間に仕切板１７を設け、
各超電導ディスクはそれぞれ冷却媒体に関して独立な空
間を形成している。

この発明における仕切板１７は完全な気密性を有する必
要はないが、０．５〜ＩＫｇ／の程度の差圧に対する気
密性を有すると共に、この程度の差圧に対する強度を有
することが望ましい。

また仕切板１７の材質は絶縁物、ステンレス鋼、銅など
単一物質でも、金属の表面を絶縁処理した複合体でも良
い。しかし、超電導コイルが交流磁界中に置かれている
場合には、仕切板１７を絶縁物で作れば、仕切板１７に
交流損が生じないだけでなく、ディスクの保持部分が金
属の場合の保持部材内交流損をも著しく減ずることがで
きる。

この発明における仕切板１７を設けることによってｔ一
つの超電導ディスク１００がクェンチして蓄積エネルギ
ーの一部が超電導ディスク内で消費され冷却媒体が蒸発
した場合にも、隣接する超電導ディスクにクェンチが伝
播するのを防止することができ、その結果、冷却媒体の
消費と磁界の消滅をクェンチした超電導ディスクのみに
限定することができる。

第１１図はこの発明の超電導コイルの他の実施例を示す
図で、隣接するパンケーキコィルの間に仕切板１７を設
けたものであり、上記と同様の効果を有する。

この発明は以上の説明より明らかなように、超電導トロ
イダルコィルの各超電導コイルを構成する各部分コイル
の間に仕切板を設け、かつ部分コイルのうち相対位置の
等しい部分コイルを電気結線して１つの励磁コイルを構
成し、各励磁コイル毎に並列に接続された保護抵抗と、
この並列体にそれぞれスイッチを介して励磁電流を給電
する励磁電源とを備え、ある部分コイルがクェンチした
場合、クェンチを発生した部分コイルのみにクェンチを
限定し、クェンチを発生した部分コイルを有する励磁コ
イルの属する励磁回路のスイッチを開くことにより当該
クェンチを発生した部分コィルを有する励磁コイルの電
流を保護抵抗に吸収させるようにしたもので、部分コイ
ルの電流消滅によるトロイダル軸方向の電磁力を小さく
し、かつトロイダル磁界分布の不均一性を小さくし、か
つ当該励磁コイルの両端子間に発生する電圧を低く押え
るようにした超電導トロイダルマグネツトを実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はトロイダルコィルの概念図、第２図は実際のト
ロイダルコィル構成図Ｌ第３図は従来のパンケーキ形超
電導コイルの一部破断斜視図、第４図は先行技術のディ
スク形超電導コイルの一部断面図、第５図は従来の超電
導トロイダルマグネットの回路図、第６図及び第７図は
それぞれのこの発明の超電導トロイダルマグネットの回
路図、第８図は超電導コイル１個がクェンチしたときに
発生するトロイダル軸方向に発生する電磁力分布、第９
図はこの発明のトロイダルマグネットにおける電気結線
を示す構成部分図、第１０図はこの発明のディスク形超
電導コイルの一部断面図、第１１図はこの発明のパンケ
ーキ形超電導コイルの一部破断斜視図である。 図において、１は超電導トロイダルコィル、２および２
−０１〜２一ｍは超電導コイル「 ２００はパンケーキ
コイル「 １００は超電導ディスク、２１一１〜２ｍ−
ｎは部分コイル、１７は仕切板、１−１〜１−ｎは励磁
コイル、１４−１〜１４−ｎはスイッチ、１５一１〜１
５Ｍｎは励磁電源「 １６一１〜１６‐ｎ‘ま保護抵抗
である。 なお、図中、同一符号はそれぞれ同一または相当部分を
示す。第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超電導トロイダルコイルを分割して構成する複数の
   超電導コイル、この各々の超電導コイルを分割して構成
   し、かつ仕切板によって冷却媒体に関して相互に独立し
   た複数の部分コイル、上記各超電導コイル内の相対位置
   の等しい上記部分コイルを電気結線して構成された励磁
   コイル、上記各々の励磁コイルに並列に接続された保護
   抵抗、および上記励磁コイルと保護抵抗との並列体にそ
   れぞれスイツチを介して給電する励磁電源を備えた超電
   導トロイダルマグネツト。 ２ 各励磁コイルの中点が接地されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の超電導トロイダルマグ
   ネツト。