JPS636489A - ト−ラス型核融合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、プラズマ電流をほぼ一定に維持するトーラ
ス型核融合装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は、従来のトーラス型核融合装置の構成を示す断
面図である。このトーラス型核融合装置は、軸対称であ
り、中心軸であるＺ軸に対する円周方向の座標？方向に
対して一様である。第４図において、１は小半径がａ。

、大半径がＲ６のトーラス形のプラズマ、２はプラズマ
１を内部に形成する内部がトーラス形に中空の真空容器
、３は真空容器２を内部に包むようにトーラス形に設け
られたトロイダル磁場コイルであり、電流が流れること
によって真空容器２の内部の中心軸に沿った？方向に磁
場を真空容器２内のプラズマ生成領域に形成する。４は
電流が流れることによって真空容器２内にプラズマ電流
を生成させて維持させるために用いられるオーム加熱コ
イル（以下、ＯＨコイルという）であり、直列接続され
た複数個のコイルから成る。各ＯＨコイル４はトロイダ
ル磁場コイル３の外側でトロイダル磁場コイル３のトー
ラス形状に沿って？方向に円環状に設けられ、例えば円
環状のＯＨコイル４はトロイダル磁場コイル３の断面で
外側半周分取巻くような形に設けられている。５はトロ
イダル磁場コイル３に通電するためのトロイダル磁場コ
イル電源、６はＯＨコイル４に通電するための○Ｈコイ
ル電源、７は上記２電源５，６を各々制御するための制
御装置である。なお、ＯＨコイル４とプラズマ１はトラ
ンスの各々−次側、二次側を形成している。

次に、第４図に示した従来のトーラス型核融合装置の運
転動作について説明する。さて、運転は、まず、トロイ
ダル磁場コイル３に通電し、？方向の磁場を発生させる
。次に、真空容器２中に水素ガスを導入し、予備電離を
させたあと、制御装置７の制御下で○Ｈコイル電源６が
ＯＨコイル４に流す電流ＩＯＨを大幅に変化させ、ファ
ラデーの法則によりプラズマ１に？方向の電圧を生じさ
せ、プラズマ電流１ｐを誘起させる。この結果、第４図
において、例えば？方向（紙面に垂直方向）にプラズマ
電流Ｉｐが流れ始める。以上の動作は第５図において、
時刻ｔ０〜ｔ１の間で行なわれる。

プラズマ電流Ｉｐが所定の値まで生成された後、ＯＨコ
イル４の電流ＩＯＨを変化させず第５図の破線で示した
ように一定にすると、プラズマ１の抵抗によって第５図
の破線Ｃ□に見られるように・プラズマ電流ＩＰは減衰
する。そこで、ＯＨコイル４に流す電流ＩＯＨを第５図
の実線のようにｔ０〜ｔ１の間と同一の方向にさらに変
化させ続ければ、二次側のプラズマ１には常にプラズマ
電流Ｉｐを流すための電圧が発生し、プラズマ電流ＩＰ
を第５図の実線Ｃ２で示したように一定に維持する運転
を行なうことができる。

ところが、この方法では、プラズマ電流を長時間維持す
るためには、ＯＨコイル電流施工Ｈを一方向へ変化させ
続ける必要があり、ＯＨコイル電流施工Ｈが非常に大き
なものとなるため、定常的な運転は不可能である。

そこで、上記の方法とは別の方法でプラズマ電流を維持
しようとして考えられたのが、文献「プラズマ核融合技
術研究会（昭和６０年１２月１０゜１１日開催）″Ｆ−
θｐｕｍｐｉｎｇ実験用電源の設計”（予稿集第１３６
頁〜第１３９頁）」に記載されている逆転磁場ピンチ（
ＲＦＰ）式トーラス型核融合装置における“Ｆ−θｐｕ
ｍｐｉｎｇ”と呼ばれる定常電流駆動法によってプラズ
マ電流を維持する方法である。

これは、プラズマ電流ＩＰを所定の値まで生成した後に
一定に維持するために第６図のように、トロイダル磁場
コイル３の電施工Ｔと、ＯＨコイル４の電施工。Ｈとを
ある位相差をもつ正弦波状に変化させることによりプラ
ズマ１に磁気ヘリシティ−を注入し、プラズマ電施工ｐ
を維持させるものである。

これを式により説明する。第４図のようなトーラス型核
融合装置における磁気へりシティ−には、Ｋ＝　５　Ａ
−Ｂ　ｄ　ｖ−’Ｆｅ−ｖｑｐ　　　　　　・＝　（１
）ここで、Ｋ：磁気ヘリシティ− Ａ：ベクトルポテンシャル Ｂ：磁場ベクトル マリニドロイダル磁束 平ｅ：プラズマ外部のボロイダル 磁束 で表わされる。そして、この（１）式の時間微分をとる
と次式のようになる。

ｔ ここで、Φニドロイダル磁束 Ｖｃｐ：プラズマのループ電圧 Ｅ：電場ベクトル （２）式において右辺第１項は、単位時間あたりの磁気
ヘリシティ−注入量を表わし、第２項がプラズマ１の電
気抵抗による磁気ヘリシティ−の散逸量を表わしている
。

ここで、第１項の磁気へりシティ−注入量に注目する。

Φはポロイダル方向の一周電圧ｖｅの積分によって得ら
れ、 Φ＝　ｓ　Ｖｅｄ　ｔ　　　　　　　　　−−（ａ　）
で表わされる。いま、プラズマ１のループ電圧ｖ９とポ
ロイダル方向の一周電圧Ｖ、とを同一周波数ω、お互い
の位相差がδの正弦波状に変化させるとき（２）式の右
辺第１項のヘリシティ−注入量の時間平均をとると、 ω ここで、Ｖｅ：Ｖｅの変化分の振幅 Ｖ９：Ｖ９の変化分の振幅 となる。（４）式によれば１位相差δを選ぶことにより
、ヘリシティ−注入量は正の値をとり、これが磁気ヘリ
シティ−散逸の量の時間平均と等しくなれば、プラズマ
電流ＩＰを維持することができる。

このことより、従来の装置ではポロイダル方向の一周電
圧ｖｅ、ループ電圧Ｖ？に正弦波状の変化をもたせるた
めに、第６図のように、トロイダルコイル電流ＩＴとＯ
Ｈコイル電流ＩＯＨとをある位相差をもつ正弦波状に変
化させることによってプラズマ電流Ｉｐの維持を行なう
ものである。なお、トロイダル磁場コイル４にはＯＨコ
イル電流ＩＯＨと同じく正弦波状の電流を流すものとす
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のトーラス型核融合装置は以上のように構成されて
いるので、○Ｈコイル電流と同時にトロイダル磁場コイ
ルの電流も周期的に変化させねばならないが、トロイダ
ル磁場コイルのインダクタンスが比較的大きい場合が多
いため、トロイダル磁場コイル電流に正弦波状の変化分
を持たせるには、大きい電圧を繰り返し発生するような
電源がトロイダル磁場コイル電源として必要になり、ト
ロイダル磁場コイル電源が高価となるなどの問題点があ
った。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、トロイダル磁場コイル電流を正弦波状に連
続して変化させる必要もなくプラズマ電流をほぼ一定に
維持できるトーラス型核融合装置を得ることを口約とす
る。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 この発明に係るトーラス型核融合装置は、形状制御コイ
ルに流す電流を周期的に変化させてプラズマの断面積を
繰り返し変化させると共に、○Ｈコイルに流す電流を同
一周波数で周期的な変化をさせるように制御したもので
ある。

〔作用〕

この発明におけるトーラス型核融合装置は、形状制御コ
イル電流を周期的に変化させることによりプラズマの断
面積を周期的に変化させ、間接的に、プラズマ中のトロ
イダル磁束の量を変化させ、トロイダル磁場コイル電流
を繰り返し変化させることなくプラズマ電流を維持する
。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例によるトーラス型核融合装
置の構成を示す模式的断面図である。同図において、第
４図と同符号の部分は従来例のものと同一であり、８は
真空容器２とトロイダル磁場コイル３との間に設けられ
てプラズマ１の断面形状を制御する形状制御コイルであ
り、この実施例では真空容器２の中空の円状の中心軸に
沿って巻回されたコイルが真空容器２の上下に一対にし
て設けられている。９は形状制御コイル８にプラズマ１
と同方向に電流を流すための形状制御コイル電源、１０
はトロイダル磁場コイル電源５、ＯＨコイル電源６およ
び形状制御コイル電源を制御する制御装置であり、トロ
イダル磁場コイル３、ＯＨコイル４および形状制御コイ
ル８に流す各電流量を各々制御する。

第２図はＯＨコイル４に流す電流量。Ｈの時間的変化と
形状制御コイル８に流す電流Ｉ５（の時間的変化を示す
波形図である。

第３図は形状制御コイル８に流す電流Ｉ５Ｃを変化させ
た時にプラズマ１の断面積の変化を示す状態図であり、
同図において、１ａは電流Ｉ５Ｃが小の時のプラズマ１
の断面形状、１ｂは同じ＜Ｉｓｅが大の時のプラズマ１
の断面形状である。

次に、この発明の一実施例によるトーラス型核融合装置
のプラズマ電流駆動を行なう動作を説明する。

ＯＨコイル電源６によりＯＨコイル４を時刻１、までの
間に成る電流値まで励磁し、その後時刻ｔ０から同ｔ工
までの間にＯＨコイル４に流した電流ＩＯＨの増加方向
とは反対方向に急激に変化させ、プラズマ１に電圧を印
加しプラズマ１内に流れるプラズマ電流Ｉｐを立ち上が
らせる。

次に、時刻ｔ０に近い時刻ｔ２より制御装置１０は形状
制御コイル電源９を介して形状制御コイル８の励磁を開
始する。そして、時刻ｔ２に近い時刻ｔ、からこの形状
制御コイル８の電流Ｉ５ｅを正弦波状に変化させる。ま
た、制御装置１０は、ＯＨコイル電源６を介して、時刻
ｔ１とｔ２の間、ＯＨコイル４の電流ＩＯＨを一定にし
た後、時刻ｔ。

以降形状制御コイル８の電流Ｉ５ｅと位相を同じにして
それと同じ周波数の正弦波状の電流ＩＯＨを流す、第３
図に示したように、プラズマ１の断面形状は、形状制御
コイル８の電流Ｉ５ｅが小さいとき、プラズマ１ａのよ
うな円形断面となり、同じく電流Ｉ５ｅが大きいとき、
プラズマ１ｂのような縦楕円形断面となる。すなわち１
時刻ｔ、以降では形状制御コイル８に流れる電流Ｉ５ｅ
の大きさに従ってプラズマ１の断面形状が変化すること
になる。

トロイダル磁場コイル電流を一定に保っていても。

このときのプラズマ１の断面積の変化によってプラズマ
１中のトロイダル磁束の総量が変化する。

このときのトロイダル磁束の変化分Φを次式のように仮
定する。

Φ＝Φｓｉｎωｔ　　　　　　　　・・・・・・（５）
ここで、Φニドロイダル磁束Φの変化分の振幅 また、（４）式においてＯＨコイル電流の変化によって
生ずるプラズマのループ電圧Ｖ９をｖａｐ＝　Ｖｑｐｓ
ｉｎ　　（ωｔ＋δ）　　　　　　　　・・・　（６）
ここで、ｖｅＰ：ループ電圧ｖ９の変化分の振幅と仮定
すると、磁気へりシティ−注入量は次式のようになる。

〈２ｖ９Φ〉＝■９Φｃｏｓδ　　　　　・・・（７）
となる。

そこで、（７）式を最大にするように、δ＝０の位相差
を持つ同一周波数の正弦波状の変化分を有するようなＯ
Ｈコイル４の電流ＩＯ＋（を時刻ｔ。

以降流すことにより従来と等しい磁気ヘリシティ−の注
入が行なわれ、プラズマ電流Ｉｐの維持が行なわれる。

このときプラズマ電流Ｉｐが発生している時、トロイダ
ル磁場コイル３の電流３は変化なく一定に保たれていて
もよい。

なお、上記の実施例では、○Ｈコイル、形状制御コイル
の電流を正弦波状に変化させる場合について説明したが
、三角波等のような他の周期波形で変化させてもよい。

また、形状制御コイルは真空容器の上下でなくともよく
、プラズマの断面積を変化させる磁界を発生させるもの
ならばどこの位置でもどの方向にも電流を流してもよい
し、またいくつあっても構わない。

また、上記実施例において、○Ｈコ（ルミ流ＩＯＨと形
状制御コイル電施工５この位相を同じにしたが、それら
の位相が互いに異なるようにしても上記実施例と同様の
効果を奏する。

また、形状制御コイルの電流を変化させ、これをセンサ
ーなどにより検出し、これからプラズマ中のトロイダル
磁束量を計算し、これに応じてＯＨコイル電流をフィー
ドバック制御するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば○Ｈコイルと形状制御
コイルに流れる電流値を周期波に制御するだけでプラズ
マの断面積を変化させてプラズマ電流を維持するように
構成したので、形状制御コイルに比べ大きなインダクタ
ンスをもつトロイダル磁場コイルの電流を繰り返し変化
させる必要がなく、また、ＯＨコイル電流を一定方向に
増大させ続ける必要もないため、電源装置として安価と
なるものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るトーラス型核融合装置の一実施
例の構成を示す模式的断面図、第２図は第１図に示した
装置の運転動作を説明するための波形図、第３図はプラ
ズマの断面形状を変えた時の状態説明図、第４図は従来
のトーラス型核融合装置の構成を示す模式的断面図、第
５図は従来のトーラス型核融合装置においてＯＨコイル
電流を変化させなければ、プラズマ電流が次第に減少し
てゆくこと説明するための波形図、第６図は第４図に示
した従来のトーラス型核融合装置の運転動作を説明する
ための波形図である。 図において、１はプラズマ、２は真空容器、３はトロイ
ダル磁場コイル、４はＯＨコイル、５はトロイダル磁場
コイル電源、６はＯＨコイル電源、８は形状制御コイル
、９は形状制御コイル電源、１０は制御装置。 なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 特許出願人　　三菱電機株式会社 （外２名）°６・−一 第１図 ００　プラズマめ−１，４４４ ＩＳＣ：　　ｆ舞ツζ雫」樗ｑコ′コイルヰｔえｌａ　
”ＪＥ躬ｆ＠−１４＋ｃ［Ｊ％’・ｌ、”　、５ｈ＝ｆ
ｆｉプ奴七１ね〒６ｂ１ｂ：ｖｌ、３弗・」希下ゴイル
苛、ノヒ史（大さ・）８小プラズマ断面第４図 第５図 第６図 ｏ　　　　　　　　　　　ｔ 手続補正書（自発）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部が中空のトーラス形状の真空容器と、この真
   空容器の外側周囲に設けられたトロイダル磁場コイルと
   、このトロイダル磁場コイルに第１の電流を流すトロイ
   ダル磁場コイル電源と、前記トロイダル磁場コイルの外
   周囲に設けられたオーム加熱コイルと、このオーム加熱
   コイルに第２の電流を流すオーム加熱コイル電源と、前
   記トロイダル磁場コイル電源およびオーム加熱コイル電
   源の各出力電流量を制御する制御装置とを有するトーラ
   ス型核融合装置において、前記真空容器内の中心軸に沿
   った方向に巻回された形状制御コイルとこの形状制御コ
   イルに第３の電流を流す形状制御コイル電源とを備え、
   前記制御装置を前記形状制御コイル電源の出力電流量の
   制御をも可能ならしめ、前記真空容器内に生成されたプ
   ラズマ内を流れるプラズマ電流の通電時に、前記制御装
   置は前記第２の電流を周期的に変化させ、同時に第３の
   電流を前記第２の電流と同一周期の周期波に制御して前
   記プラズマの断面積を周期的に変化させることを特徴と
   するトーラス型核融合装置。
2. （２）前記周期波を正弦波状にすることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のトーラス型核融合装置。
3. （３）前記形状制御コイルを複数としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載のトーラス型核
   融合装置。