KR20160058849A

KR20160058849A - 융합로에서 사용되는 환상 필드 코일

Info

Publication number: KR20160058849A
Application number: KR1020167009736A
Authority: KR
Inventors: 알랜 사이크스; 믹하일 그리아즈네비치; 데이비드 킹햄; 데이비드 헉스워스; 지아드 멜헴; 스티븐 볼
Original assignee: 토카막 에너지 리미티드
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2016-05-25
Also published as: GB2510447A; CN105637592A; RU2016113710A; RU2643797C2; GB201316334D0; CN105637592B; US20160232988A1; US10332640B2; WO2015036749A1; JP2016534327A; EP3044797B1; JP6116760B2; GB2510447B; EP3044797A1; GB2519827A; GB201410195D0

Abstract

중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일이 개시되는데, 환상 필드 코일은 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나가는 복수개의 권선들을 포함한다. 각각의 권선은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하고, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비한다. 케이블이 중심 칼럼을 통하여 지나갈 때 각각의 HTS 테이프의 면이 환상 자기장에 평행하도록 HTS 테이프들이 배치된다.

Description

융합로에서 사용되는 환상 필드 코일{Toroidal Field Coil For Use In A Fusion Reactor}

본 출원은 높은 환상 필드(toroidal field)에서 작동되는 콤팩트 융합로(compact fusion reactor)에 관한 것이다. 상세하게는, 전적으로 그러한 것은 아니지만, 본 발명은 에너지 소스로서 또는 고효율 중성자 소스(neutron source)로서 사용되기에 적절한 구형 토카막 융합로(spherical tokamak reactor)에 관한 것으로서, 이것은 고온 초전도성(HTS) 코일을 구비한 플라즈마 제한 시스템을 포함한다.

융합 파워를 발생시키기 위한 과제는 매우 복잡하다. 비록 JET 와 같은 현재 운용되는 최상의 토카막에 필적하는 그 어떤 결과도 가져오지 못했지만, 토카막으로을 제외한 많은 대안의 장치들이 제안되었다.

이제까지 건설된 것중에 가장 크고 가장 비싼 (c15bn 유로) 토카막인 ITER 의 건설이 시작된 이후에, 세계의 융합로 연구는 새로운 국면으로 진입하였다. 상업용 융합로의 성공적인 진입 경로는 전기 생성을 경제적이게 하는데 필요한 고효율성과 결합된 장 펄스(long pulse)의, 안정된 작동을 요구한다. 이러한 3 가지 조건들은 동시에 달성되는 것이 특히 곤란하며, 계획된 프로그램에서는 ITER 및 다른 융합로 설비에 대하여 이론적이고 기술적인 연구 뿐만 아니라 수년간의 실험적 연구를 필요로 한다. 이러한 경로를 통하여 개발되는 상업용 융합로는 2050 년 이전에 건설되지 않으리라고 광범위하게 예상된다.

경제적인 발전(즉, 투입되는 파워보다 출력되는 파워가 큰 발전)에 필요한 융합로를 획득하도록, (ITER 에 의해 예시되는 바와 같이) 통상적인 토카막은 대형화되어야 하며, 열 융합이 발생하기에 충분할 정도로 플라즈마가 고온이도록 에너지 제한 시간(이것은 플라즈마의 체적에 대략적으로 비례한다)이 길어질 수 있다.

국제 출원 WO 2013/030554 는 대안의 접근 방식을 개시하는데, 이것은 중성자 소스 또는 에너지 소스로서 사용되는 콤팩트 구형 토카막(compact spherical tokamak)의 이용을 포함한다. 구형 토카막의 설계에서 중요한 고려 사항은 환상 자기장의 강도 B_T 로서, 환상 자기장은 중심 칼럼을 통하여 지나가는 코일들에 의해 발생된다. B_T 를 최대화시키면서 중심 칼럼을 소형 토카막용으로 충분히 작게 유지하는 문제점은 본원에서 환상 필드 코일로 고온 초전도성 재료(HTS)를 사용함으로써 해결된다.

그러한 HTS 코일들의 재료 및 형상의 최적화는 획득 가능한 필드에 대한 현저한 결과를 가져오며 따라서 융합로의 효율을 향상시킨다.

본 발명의 목적은 에너지 소스로서 또는 고효율 중성자 소스(neutron source)로서 사용되는 구형 토카막 융합로(spherical tokamak reactor)을 제공하는 것으로서, 고온 초전도성(HTS) 코일을 구비한 플라즈마 제한 시스템을 구비한 융합로를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키기 위한 환상 필드 코일이 제공되는데, 환상 필드 코일은 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레로 지나가는 복수개의 권선들을 포함한다. 각각의 권선은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하며, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도체 재료의 하나 이상의 층들을 구비한다. 케이블이 중심 칼럼을 통하여 지나갈 때 각각의 HTS 테이프의 면이 환상 자기장에 평행하도록 HTS 테이프들이 배치된다. 케이블이 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 통과할 때 HTS 테이프들이 비틀릴 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일이 제공되는데, 환상 필드 코일은 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나는 복수개의 권선들을 포함한다. 각각의 권선은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하며, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비한다. 케이블이 중심 칼럼을 통하여 지나가는 융합로 작동중에 각각의 HTS 테이프의 면(face)이 최대 중성자 플럭스의 방향에 직각이도록 HTS 테이프들이 배치된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일이 제공되는데, 환상 필드 코일은 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나는 복수개의 권선들을 포함한다. 각각의 권선은 복수개의 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하고, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비한다. 중심 칼럼의 중심에 인접하게 지나는 케이블들중 적어도 하나는 중심으로부터 멀리 중심 칼럼을 통하여 지나는 케이블보다 작은 단면적을 가질 수 있다.

중심 칼럼의 중심에 인접하게 지나는 케이블들중 적어도 하나는 중심으로부터 멀리 중심 칼럼을 통하여 지나는 케이블보다 작은 단면을 가질 수 있다.

중심 칼럼의 중심에 인접하게 지나는 적어도 하나의 케이블은 중심으로부터 멀리 지나는 케이블보다 높은 전류 밀도에서 전류를 유지할 수 있다.

케이블이 중심 칼럼을 통하여 지날 때 각각의 HTS 테이프의 면이 환상 (그리고 폴로이달) 자기장에 실질적으로 평행하도록, 적층된 HTS 테이프들이 선택적으로 배치될 수 있다. 케이블이 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지날 때 적층된 HTS 테이프들이 비틀리도록 HTS 테이프들이 배치될 수 있다.

각각의 케이블은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 구비할 수 있으며, 케이블이 중심 칼럼을 통하여 지날 때 각각의 HTS 테이프의 면이 환상 (그리고 폴로이달(poloidal)) 자기장에 실질적으로 평행하도록 HTS 테이프들이 선택적으로 배치된다. 케이블이 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 통과할 때 적층된 HTS 테이프들이 비틀리도록 배치될 수 있다.

대안으로서, 각각의 케이블은 구리 코어 둘레에 배치된 복수개의 HTS 테이프들을 구비할 수 있다.

환상 필드 코일은 케이블을 77k 미만으로 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 더 구비할 수 있으며, 보다 바람직스럽게는 30 K 이하, 보다 바람직스럽게는 4K 이하로 냉각시킬 수 있다. 사용시에 환상 자기장은 선택적으로 3T 이상, 바람직스럽게는 5T 이상, 바람직스럽게는 10T 이상, 보다 바람직스럽게는, 15T 이상이다.

본 발명은 또한 위에 설명된 중심 칼럼 및 환상 필드 코일을 가진 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로를 제공한다. 중심 칼럼은 중심 코어를 포함할 수 있으며 그 안에 솔레노이드가 위치되거나 또는 삽입될 수 있다. 핵융합로는 4 개 이상의 환상 필드 코일을 포함할 수 있다.

융합로는 제한된 플라즈마의 주 반경(major radius)이 1.5 m 이도록, 바람직스럽게는 1.0 m 미만이도록, 보다 바람직스럽게는 0.5 m 미만이도록, 플라즈마를 플라즈마 챔버 안에 제한하게끔 구성될 수 있다. 융합로는 2.5 이하의 종횡비(aspect ratio)를 가질 수 있고, 바람직스럽게는 2.0 이하의 종횡비를 가진 구형 토카막 융합로(spherical tokamak reactor)이다.

차폐부(shielding)는 중성자로부터의 소상을 감소시키거나 제거하기 위하여 중심 칼럼 둘레에 제공될 수 있다. 중심 칼럼의 외측 부분의 적어도 일부는 비(非)-HTS 재료로 만들어질 수 있는데, 이것은 HTS 테이프가 중성자에 의해 손상되는 것에 대한 차폐부를 제공한다. 이러한 비(非)-HTS 재료는 환상 자기장을 향상시키도록 전류를 유지하게끔 구성될 수 있다. 중심 칼럼의 외측 부분은 저항성 가열(resistive heating)을 감소시키기 위하여 극저온으로 냉각될 수 있으며, 바람직스럽게는 77K 로 냉각되고, 보다 바람직스럽게는 40 K 보다 낮게 냉각될 수 있다. 비(非)-HTS 재료는 베릴륨(beryllium) 및/또는 알루미늄을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 환상 플라즈마 챔버를 구비한 핵융합로를 작동시킴으로써 중성자 또는 에너지를 발생시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 플라즈마 챔버 안에서 플라즈마를 개시하는 단계, 상기 설명된 환상 필드 코일을 이용하여 환상 자기장을 발생시키는 단계, 중성자 및 다른 에너지 입자들을 방출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 바람직한 실시예들은 이제 오직 하나의 예로서 설명될 것이며 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 는 플라즈마 용기 및 환상 필드 코일 구조체를 통한 단면이다.
도 1b 는 도 1a 의 플라즈마 용기의 중심 칼럼을 통한 단면이다.
도 2 는 HTS 테이프의 일 예에 대한 구조를 도시한다.
도 3 은 적층된 테이프에 의해 형성된 케이블의 단면을 개략적으로 도시한 것이ㅏ.
도 4 는 테이프에 직각이거나 또는 평행한 자기장에 대하여 YBCO 테이프의 자기장의 함수로서 20 K 에서의 리프트 인자(lift factor)를 도시한다.
도 5 는 토카막내에서 (우세한) 환상 자기장의 반경 방향 분포를 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 케이블 권선의 웨지(wedge)들의 예를 도시한다.
도 7 은 중성자 피폭에 대한 회복력(resilience)를 더 제공하도록 상이한 구성의 중심 칼럼 및 제한된 중성자 차폐부와 함께 HTS 환상 필드 자석을 가진 구형 토카막(spherical tokamak)을 통한 1/4 단면을 도시한다.

본 출원은 토카막(tokamak)의 매우 콤팩트한 형태에 기초하며, 고온 초전도성 자석(High Temperature Superconducting magnet)의 사용을 포함하는 혁신적인 특징들을 채용한다. "효율적인 콤팩트 핵융합로(efficient Compact Fusion Reactor;ECFR)는 콤팩트한 융합 파워 플랜트(fusion power plant)를 제공하도록 의도된다.

융해 중성자(fusion neutrons)는 듀테륨-트리튬(deuterium-tritium (D-T)) 또는 듀테륨-듀테륨(deuterium-deuterium (D-D)) 플라즈마가 매우 고온이어서 핵들이 함께 융합되어 활동적 중성자(energetic neutron)을 방출할 때 생성된다. 오늘날까지, 이러한 것을 달성하는 가장 유망한 방법은 토카막(tokamak)을 이용하는 것이다; (ITER 에 의해 구현되는 바와 같이) 융합에 이르는 통상적인 토카막 접근 방식에서 플라즈마는 높은 제한 시간(high confinement time), 높은 온도 및 이러한 프로세스를 최적화시키는 고밀도를 가질 필요가 있다.

토카막은 고온의 안정된 플라즈마를 제공함으로써 융합이 발생할 수 있도록, 강한 환상 자기장(B_T), 높은 플라즈마 커런트(plasma current)(I_P) 및 항상 큰 플라즈마 체적과 현저한 보조 가열의 조합을 특징으로 한다. (예를 들어 수십 메가와트의 고 에너지(H, D 또는 T)의 중성 비임 입사를 통한) 보조 가열은 핵융합이 발생되는데 필요하고 그리고/또는 플라즈마 커런트(plasma current)를 유지하는데 필요한, 충분히 높은 값으로 온도를 증가시키기 위하여 필요하다.

일반적으로 필요한 높은 플라즈마 커런트, 대형의 크기 및 커다란 자기장 때문에, 건조 비용 및 운영 비용이 비싸고, 엔지니어링은 자석 시스템 및 플라즈마 양쪽 모두에 존재하는 거대한 저장 에너지에 대처하도록 강력해야 하는 문제가 있는데, 이것은 격렬한 불안정성에서 메가암페어의 전류를 수천초 동안 제로로 감소시키는, '교란(disrupting)"의 습성을 가진다.

이러한 상황은 통상적인 토카막의 도넛(donut) 형상 원환체(torus)를 그것의 한계까지 수축시킴으로써 향상될 수 있는데, 이것은 코어가 있는 사과(cored apple)의 외형을 가지는 것으로서,'구형' 토카막(spherical tokamak)이다. Culham 의 START 토카막에서 이러한 개념의 제 1 구현은 커다란 효율 증가를 나타내었다-고온 플라즈마를 포함하는데 필요한 자기장은 10 의 인자로 감소될 수 있다. 더욱이, 플라즈마 안정성이 향상되고, 건조 비용이 감소된다.

ST 의 단점은 중심 칼럼에서의 제한된 공간이 중성자 환경에서 중심 권선을 보호하는데 필요한 실질적인 차폐부의 설치를 억제한다는 것이며-따라서 통상적인 환상 필드 권선(toroidal field winding) 및 통상적인 중심 솔레노이드(플라즈마 커런트를 유도하고 유지하는데 쓰임)이 실용적이지 않다. 비록 ST 에 기초한 발전소가 설계되어왔지만 (이것은 제한된 차폐부를 가지는, 중실(中實)의 구리 센터 기둥을 이용하며, 기둥은 매년 교체되거나 또는 중성자로 손상을 받았을 때 교체된다) 이들은 따뜻한 구리(warm copper)의 상대적으로 높은 저항성 때문에 중심 칼럼에서의 높은 에너지 소산(dissipation)을 가져서, 전기 생성을 경제적이도록 하는 대형의 장치가 필요하다.

환상 자기장(toroidal magnetic field)의 강도(B_T)는 중요한 인자이다. 토카막에서의 열적 융해로부터의 융합 파워(fusion power)는 B_T 의 4 배에 비례하고, 따라서 토카막은 그것이 부과하는 현저한 스트레스 및, 자석들에 동력을 공급하는데 필요한 전기의 현저한 비용에 부합되는 최대 가능 B_T 를 사용하도록 설계된다. 이러한 비용을 최소화시키도록, ITER 과 같은 긴 펄스(long pulse)의 현대적인 장치들은 액체 헬륨에 의해 냉각되는 LTS 자석을 특징으로 한다.

하이-필드(high-field) 접근 방식의 현재 한계는 지금 러시아-이탈리아의 합동 프로젝트로서 개발중인 중간 크기의 IGNITOR 프로젝트에 의해 예시된다: IGNITOR 는 매우 높은 필드 B_T 에 의하여 광범위의 보조 가열의 필요성 없이 단 펄스 점화(short pulse ignition)를 달성할 것으로 예상되는데, 이것은 강철 지지 구조를 가진 통상적인 구리 자석에 의해 얻어지는, 중심 적층부의 가장자리에서 ~ 20 T 이고, 플라즈마 주 반경(1,43m)에서 ~ 13 Tesla 이다.

ST 접근 방식의 단점은, 중심 칼럼에서의 감소된 공간 때문에, 그 안의 환상 필드 자석은 제한된 크기를 가지며, 따라서 오늘날까지 1 Telsa 미만의 오직 상대적으로 낮은 환상 필드가 ST 들에서 얻어졌다는 점이다. 이러한 문제점은 고온 초전도성 자석(High Temperature Superconducting magnet)들의 사용에 의해 ECFR 에서 극복된다.

지금까지는 소형 규모의 접근 방식이 경제적인 융합 에너지 발전 플랜트로 이어질 수 없다고 생각되었는데, 왜냐하면 입력 중성 비임 입사(NBI)의 파워가 상대적으로 크고, 융합 반응에 의하여 생성된 고온의 대전된 알파 입자들을 플라즈마내에 함유할 정도로 자기장이 충분하지 않아서 그것이 제공할 수 있는 자체 가열이 상실되기 때문이며, 이는 융합 파워 생성을 목표로 하는 통상적인 토카막 설계의 중요한 특징이다. 그러나, 최근의 기술 진보는 이들 소형 ST 들이 아래에 설명되는 바와 같이 높은 자기장을 달성할 수 있게 한다.

고온 초전도체(HTS)에서의 최근의 진전은 융합을 위하여 지대한 영향을 미치는 결과를 가진다. 통상적인 저온 초전도체(LTS) 자석은 액체 헬륨 범위(~4K)에서의 온도를 이용하는 반면에, HTS 는 77 K 또는 그보다 높은, 달성하기 편리하고 용이한 액체 질소 온도에서 유사한 결과를 제공할 수 있다.

그러나 HTS 의 장점은 비용 및 편리성을 훨씬 넘어선다. 만약 HTS 가 77 K 보다 낮은 온도에서 실제로 작동된다면, 전류 유지 성능은 크게 증가되며, 도전체는 훨씬 높은 필드에서 작동할 수 있다. 더 높은 최대 필드, 증가된 전류 유지 성능 및, 냉각의 복잡성 감소가 의미하는 것은 매우 높은 환상 필드의 HTS 자석들이 낮은 종횡비를 가진 토카막 코어의 제한된 공간 안에서 가능하다는 점이다.

고온 초전도체 기술은 계속 급속하게 발전한다. 제 1 세대의 HTS 재료인 BSCCO 는 YBCO 에 의해 신속하게 대체되었다. 근본적으로 높은 임계 필드 및 임계 전류를 가진 새로운 HTS 재료의 발견뿐만 아니라, YBCO(또는, 보다 일반적으로는 (Re)BCO 로서 여기에서 Re 는 희토류 원자)와 같은 현존 재료의 엔지니어링 성능은 급속하게 향상됨으로써 결과적으로 HTS 로 제작된 자석들은 점증적으로 작은 도전체들로부터 점증적으로 높은 필드를 얻을 수 있다. 본원 명세서에서, 낮은 자기장에서 대략 30 K 보다 높은 온도에서 초전도 특성을 가지는 그 어떤 재료라도 HTS 재료에 포함한다는 점이 이해될 것이다.

강력한 고 에너지 중성자 피폭(neutron bombardment)하에서의 HTS 의 성능은 아직 알려져 있지 않지만, 수개월 또는 수년간 유효한 작동을 유지하기 위하여 10 cm 보다 큰 차폐부가 필요할 것이라는 우려가 있다. 이러한 차폐부의 크기는 소형의 구형 토카막(spherical tokamak)의 중심 칼럼 둘레에 수용되기에는 너무 클 수 있다. 중심 칼럼을 통하여 높은 전류가 지날 수 있게 하는 몇가지 대안의 수단이 이용될 수 있다.

도 1a 는 플라즈마 용기(107)에서 사용되는 6 개 코일의 환상 필드 코일 구조체(toroidal field coil structure, 100)의 2 개 코일(101,104)을 통한 개략적인 단면을 도시한다. 도 1b 는 6 개 코일(101-106)들 모두를 나타내는 용기(107)의 중심 칼럼(108)을 통한 단면으로서, 코일들 각각은 중심 칼럼(108)의 쐐기부(wedge)를 점유한다. 각각의 코일(101,102)은 케이블(109)의 일련의 권선들을 포함하며, 이들은 HTS 재료를 포함한다. 이후에 보다 상세하게 설명되는 바로서, 하나의 예에서 케이블(109)은 HTS 테이프 층들 또는 그것의 다른 구성들로부터 형성된다. 권선들은 중심 칼럼(108)을 통하여 그리고 용기(107)의 외측 둘레를 지나간다. 필드 코일(field coil)의 기하학적 인자는 B/A 로서 정의되는데, 여기에서 A 는 코일들에 의해 제한되는 플라즈마의 주 반경(major radius)이고, B 는 중심 칼럼(B)의 반경이다. 중심 칼럼(108)내에서, 코일들은 베릴륨(berylium), 구리 또는 알루미늄과 같이 HTS 재료가 아닌 재료(110)에 의해 서로로부터 분리된다. 베릴륨, 구리 또는 알루미늄과 같은 비(非) HTS 재료의 층(111)은 HTS 권선들의 외부 둘레에 배치될 수도 있다. 이것은 중성자로부터의 차폐를 제공하고, 또한 일부 커런트(current)를 운반할 수도 있다. 코일들은 크라이오스탯(cryostat, 미도시)에 의해 낮은 온도로 냉각되며, 선택적으로 77K 로 냉각되거나, 또는 바람직스럽게는 30 K 또는 그 미만으로 냉각되고, 보다 바람직스럽게는 4 K 로 냉각된다. 차폐 층(111)도 같은 온도로 냉각될 수 있다.

도 2 는 표준적인 HTS 테이프(200)의 구성 요소들을 개략적으로 도시한다. 상기 테이프(200)가 전체적으로는 대략 100 마이크론의 두께이고, 대략 50 마이크론 두께의 전해 연마 해스털로이 기판(electropolished hasteloy substrate, 201)를 포함하며, 그 위에 IBAD 또는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)에 의하여 일련의 버퍼 스택 층(buffer stack layer, 102)들이 증착되는데, 각각의 층의 두께는 대략 0.2 마이크론 두께이다. 에피택시얼(epitaxial) (RE)BCO-HTS 층(303) (MOCVD 에 의해 증착됨)이 버퍼 층 위에 위치하며, 통상적으로 이것은 1 마이크론 두께이다. 2 마이크론의 실버 층(204)이 스퍼터링에 의해 HTS 층상에 증착되고, 20 마이크론의 구리 안정화 층(stabilizer layer, 2050)이 테이프의 양측면상으로 전기 도금된다. 테이프에서의 전류를 증가시키기 위하여, HTS 층의 두께는 대략 1 마이크론으로부터 4 내지 20 마이크론 사이로 증가될 수 있다. 이것은 전류를 증가시켜서 2 내지 5 사이의 인자(factor)로 운반될 수 있게 하고, 중성자 허용 오차(netron tolerance)를 4 내지 20 사이의 인자로 증가시킨다. 위에서 언급된 바와 같이, 위에서 언급된 바와 같이, 전체적인 테이프 두께는 보통 200 마이크론이고, 따라서 만약 이러한 변화만이 이루어지면, 테이프 두께의 증가는 20 % 보다 작을 것이다.

다른 접근법은 구리(205) 및 해스털로이(201) 층들 (또는 테이프에 있는 다른 도전성/지지하는 비(非)-HTS 층들)의 두께를 감소시키는 것이다. 이러한 비(非)-HTS 층들의 두께를 절반으로 하는 것은 테이프내의 전류 밀도를 대략 두배로 하여, 차폐를 위한 더 많은 공간을 허용한다. 그러나, 만약 초전도체 물질내의 전류가 일시적으로 그 물질내의 임계 전류(critical current)를 초과한다면 구리는 대안의 전류 경로를 제공하는 유리한 효과를 가진다.

내측 부분과 함께 외측의 극저온 냉각된(cyogenically cooled) 베릴륨, 구리 또는 알루미늄 중심 칼럼의 이용도 유리하다. 베릴륨 또는 알루미늄에서 소망스럽지 않은 저항 손실이 있을 것이지만, 이들은 이상으로적으로는 30 K 또는 그 아래로의 냉각에 의해서 최소화될 수 있고 또한 베릴륨 또는 알루미늄/HTS 중심 칼럼을 환상 필드 코일의 HTS 외측 아암들에 연결함으로써 최소화될 수 있다. 베릴륨 또는 알루미늄은 그것이 30 K 또는 그 이하의 온도에서 낮은 저항성을 가지기 때문에 그리고 고 에너지 중성자로부터의 손상에 저항성이 있기 때문에 선택된다. 이러한 특성들 또는 유사한 특성들을 가진 다른 요소들 또는 재료들도 이용될 수 있다.

테이프들은 다양한 방법으로 케이블로 형성될 수 있다. 테이프의 섹션들을 구리 코어의 둘레에 감는 것이 하나의 선택이며, 따라서 만약 초전도체 재료내의 전류가 그 재료내의 임계 전류를 일시적으로 초과한다면 구리는 대안의 전류 경로를 제공할 수 있다.

다른 대안으로서 테이프를 층으로 적층시킴으로써, 하나의 테이프의 저부면이 다음 테이프의 상부면의 위로 직접적으로 놓인다. 이것은 테이프가 매우 빈틈 없이 함께 팩킹(packing)될 수 있게 하며, 최대로 가능한 양의 HTS 재료를 케이블로 강제한다. 이러한 구성은 도 3 에 도시되어 있는데, 이것은 복수개의 HTS 테이프(301)들의 짧은 섹션을 개략적으로 도시하며, 이들은 하나가 다른 하나의 상부에 적층되어 케이블(302)을 형성한다. 일반적으로 케이블에 있는 모든 테이블들 사이에서 동등하게 전류가 공유되도록 하기 위하여, 케이블이 그것의 길이를 따라서 비틀리는 것이 적절하다.

그러나, ReBCO HTS 테이프의 중요하고 가치 있는 특징은, 직각의 자기장이 임계 전류를 감소시키는데 큰 효과를 가지는 반면에, 평행한 자기장은 도 4 도에서 알 수 있는 바와 같이 훨씬 적은 역효과를 가진다는 것이며, 이것은 테이프에 직각이거나 또는 평행한 자기장에 대하여 YBCO 테이프의 자기장의 함수로서 20 K 에서 리프트 인자(lift factor)를 나타낸다. 리프트 인자는 임계 전류 대(對) 77 K 및 제로 인가 필드(zero applied field)에서의 임계 전류의 비율이다.

토카막에서, HTS 테이프들을 중심 칼럼(108)에 배치(가장 높은 필드 및 가장 작은 가용 공간의 위치)함으로써, 이들은 환상(toroidal) 및 폴로이달(poloidal) 자기장에 대하여 평행하게 놓이거나 또는 거의 평행하게 놓인다. 이것은 가장 높은 자기장을 가진 영역에서 재료의 임계 전류를 가능한 한 높게 할 수 있다. 케이블에 있는 테이프들 사이에서 전류를 공유하는데 필요한 비틀림은 자기장이 낮은 외측 가지부(outer limbs)들에서 발생될 수 있다.

중심 칼럼에 테이프를 평행하게 배치하는 것에서조자도, 자기장이 가장 높은 위치에서 임계 전류가 감소되는 효과가 여전히 있다. 도 5 는 토카막 안에서 (우세한) 환상형 자기장의 반경 방향 분포를 도시하는데, 도전체의 가장자리에서 최대이고 중심 칼럼의 중앙에 인접하여 자기장의 감소를 나타낸다. 이것으로 명백한 점은 칼럼의 중심에 인접하여 자기장이 가장자리에서보다 현저하게 낮으며, 이는 따라서 중심에 인접한 HTS 물질의 임계 전류가 가장자리에 인접한 HTS 물질의 임계 전류보다 높을 것이라는 점을 의미한다. 따라서, 중심에 인접한 HTS 물질은 가장자리에 인접한 것보다 높은 전류 밀도에서 작동될 수 있다.

가장 낮은 필드를 가진 위치들에서 전류 밀도가 증가되도록 케이블을 배치할 수 있으며, 상세하게는 중심 칼럼의 중간을 향하여 배치할 수 있다. 이러한 전류 밀도의 증가는 다음을 포함하는 다양한 방법으로 달성될 수 있다:

i) 낮은 필드 영역들에서 작은 케이블(601)들을 포함하지만, 높은 필드 영역들에 있는 케이블(602)과 동일한 전류를 유지한다 (도 6a)- 이것은 더 많은 케이블들이 동일한 공간에 끼워지게 할 수 있다.

ii) 모든 케이블(603)들이 동일한 크기를 유지하지만, 낮은 필드 영역들에 있는 케이블들이 높은 전류를 유지한다 (도 6b).

iii) 상기 양쪽의 조합.

각각의 경우에, 상이한 케이블 크기 또는 전류의 2 개 또는 그 이상의 영역들이 있을 수 있거나, 또는 중심 칼럼의 중간에 있는 작은 케이블로부터 중심 칼럼의 외측을 향하는 더 큰 케이블로의 안정된 단계적 변화가 있고, 또한 중심 칼럼의 중간에서의 고전류로부터 중심 칼럼의 외측을 향하는 저전류로의 안정된 단계적 변화가 있을 수 있다.

자석은 높은 필드 영역에 있는 큰 케이블과 같은 전류를 운반하는 낮은 필드 영역에서 작은 케이블로 일련의 층들에 감길 수 있다.

HTS 테이프상의 중성자 플럭스의 손상 효과를 감소시키기 위하여, 스트립들이 최대의 중성자 흐름에 직각으로 놓이도록 (즉, 중심 칼럼으로부터 반경 방향 외측으로 향하도록) 배치될 수 있다. 이것은 단일 부재인 테이프의 큰 스트립보다, 다수 부재들인 테이프의 작은 패치(patch)들에서 중성자의 상호 작용이 일반적으로 손상을 가하는 결과를 가져온다. 이는 유리한데, 왜냐하면 HTS 테이프의 단일 부재에 대한 다량의 손상이, 특히 테이프의 폭을 가로지르는 선형의 "트랙"(liner track)이 초전도체로 하여금 저항을 얻도록 할 가능성이 있기 때문이며, 상기 저항은 과도한 열 발생을 초래하여 나머지 테이프의 냉각을 교란시킨다. 충분한 손상은 자석에서 퀀칭(quenching)을 일으킬 수 있으며, 이는 코일에 현저한 손상을 초래할 것이다. 대조적으로, 만약 손상이 다수의 테이프에 걸쳐 퍼지거나, 또는 동일한 테이프의 다수의 분리된 영역들에 퍼지면, 하나의 테이프에서 테이프를 더 이상 사용 할 수 없는 지점으로 손상이 축적되는데 오랜 시간이 걸린다. 그와 같은 것에 의해, HTS 코일들의 사용 수명이 증가된다.

HTS 테이프들의 임계 필드(critical field)는 테이프에서의 스트레인(strain)에 의해 영향을 받는다. 그 어떤 스트레인이라도 임계 필드를 감소시키도록 작용할 것이다. 원자로의 작동중에 겪는 힘과 테이프를 코일로 감는 것은 테피프상에 스트레인을 일으키는 경향이 있으며, 이는 HTS 의 임계 필드 강도(critical field strength)를 감소시키고, 초전도성의 손실을 일으킬 수 있다. 따라서 제조하는 동안 테이프들에 일부 압축을 도입하는 것이 유리할 것이며, 따라서 사용하는 동안의 결과적인 스트레인은 감소되거나 또는 제거된다. 이러한 압축은 코일이 감길 때 또는 프로세스에서의 초기 단계에 도입될 수 있다. 스트레인은 테이프의 길이 방향 축을 따라서 현저하며 (즉, 테이프의 길이를 따라서 HTS 층에 평행하게 현저하며), 따라서 도입된 압축도 그 축을 따라서 있어야만 한다. -0.2 % 의 스트레인을 일으키는 압축이 잠재적으로 매우 유용하며, 사전 압축 없이 가능한 필드의 최대 2 배에서 재료가 작동될 수 있게 할 것이다. 10 내지 20 % 의 임계 필드에서의 증가도 극히 유리할 것이다.

도 7a 에는 에너지 소스 또는 중성자 소스(neutron source)로서 이용되기에 적절한 HTS 자석들을 가진 구형 토카막(spherical tokamak)의 1/4 단면이 도시되어 있다. 이러한 토카막의 주요한 특징은 HTS 또는 베릴륨 또는 알루미늄일 수 있는 중심 칼럼(61), 중심 포스트(center post)가 냉각될 수 있게 하는 단열 및 냉각 채널(62), HTS 로부터 만들어진 아우보드 코일(outboard, 64)에 대한 중성자 손상을 방지하는 차폐부(63), HTS 를 냉각시키는 크라이오스태트(cryostat, 65) 및, 차폐부(63) 내부에 또는 외부에 있을 수 있는 진공 용기(66)이다.

중심 포스트(61)로서 몇가지를 선택할 수 있다. 하나의 선택은 중성자 차폐부가 있거나 또는 없는 HTS 를 포함한다.

다른 선택은 도 7b 에 도시되어 있으며, 베릴륨, 구리, 알루미늄 또는 다른 비(非) HTS 재료의 내측 부분(61a), 냉각 채널(62a), 진공 단열부(62b) 및 단열부(62c)를 포함한다. 베릴륨, 구리 또는 알루미늄에서 소망스럽지 않은 저항 손실이 있지만, 그것은 이상적으로 30 K 또는 그 이하의 냉각에 의해서 그리고 베릴륨, 구리 또는 알루미늄의 중심 포스트를 환상 필드 코일들의 HTS 외측 아암들에 연결함으로써 최소화될 수 있다. 베릴륨, 구리 또는 알루미늄은 30 K 또는 그 이하의 온도에서 낮은 저항성을 가지기 때문에, 그리고 고 에너지 중성자로부터의 손상에 저항성이 있기 때문에 선택된다. 이러한 특성들 또는 유사한 특성들을 가진 다른 요소들 또는 재료들이 이용될 수도 있다.

다른 선택은 도 7c 에 도시되어 있으며, 이것은 내측 부분(61b)이 HTS 로 만들어지고 외측 부분(61c)이 베릴륨, 구리, 알루미늄 또는 다른 비(非)-HTS 재료로 만들어지는 조합에 의해서 형성되며, 상기 비-HTS 재료는 중성자로부터 HTS 로의 손상에 대하여 일부 차폐를 제공하는 것이다. 추가적인 중성자 차폐는 구형 토카막에서 공간상의 제한을 겪는 각각의 선택에 추가될 수 있다. 이들 모두는 극저온 냉각된다. 베릴륨, 구리 또는 알루미늄 외피부(outer)는 HTS 의 일부 차폐를 제공한다. 이상적으로 30 K 또는 그 이하로의 냉각 및, 베릴륨, 구리 또는 알루미늄/HTS 중심 포스트를 환상 필드 코일들의 HTS 외측 아암들에 연결하는 것은 저항 손실을 최소화시키는데 여전히 필요하다.

상기 기술들의 조합이 이용될 수 있다.

여기에 설명된 것과 같은 콤팩트 융합로는 더 큰 토카막보다 단위 플라즈마 체적 당 표면적이 훨씬 크다는 점이 이해될 것이다. 일반적으로 비용 및 구현의 곤란성은 플라즈마 체적과 적어도 선형적으로 비례하는데 반해, (허용 가능한 손상 레벨에 의해 제한되는 것으로 간주될 수 있는) 에너지 출력은 표면적과 선형적으로 비례한다. 더욱이, "한가지 종류"의 장치(또는 "몇가지 종류"의 장치)"의 비용은 "많은 종류의" 장치들의 비용보다 비싼 것으로 잘 알려져 있다. 따라서, 하나의 대형 융합로보다 여러개의 소형 융합로들이 단위 네트 파워 출력(unit net power output) 당으로는 저렴할 것으로 보인다.

상기 설명된 실시예들로부터의 변형이 본 발명의 범위에 여전히 속할 수 있다는 점이 이해될 것이다.

61. 중심 칼럼 62. 냉각 채널
101. 104. 코일 108. 중심 칼럼
109. 케이블 권선 302. 케이블

Claims

중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일(toroidal field coil)로서, 상기 환상 필드 코일은, 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나는 복수개의 권선들을 포함하고,
각각의 권선은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하고, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비하고;
케이블이 중심 칼럼을 지날 때 각각의 HTS 테이프의 면이 환상 자기장에 평행하도록 상기 적층된 HTS 테이프들이 배치되는, 환상 필드 코일.
제 1 항에 있어서,
핵융합로의 작동중에 케이블이 중심 칼럼을 통하여 지날 때, 각각의 HTS 테이프의 면이 최대 중성자 플럭스의 방향에 대하여 실질적으로 직각이도록, HTS 테이프들이 배치되는, 환상 필드 코일.
중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일(toroidal field coil)로서, 상기 환상 필드 코일은, 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나는 복수개의 권선들을 포함하고,
각각의 권선은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하고, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비하고;
핵융합로의 작동중에 케이블이 중심 칼럼을 통하여 지날때, 각각의 HTS 테이프의 면이 최대 중성자 플럭스의 방향에 대하여 실질적으로 직각이도록, HTS 테이프들이 배치되는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
케이블이 플라즈마 챔버 외측의 외측 둘레를 지나면서, 적층된 HTS 테이프들이 비틀리도록 HTS 테이프들이 배치되는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
중심 칼럼의 중심에 인접하게 지나는 케이블들중 적어도 하나는 중심으로부터 멀리에서 중심 칼럼을 통하여 지나는 케이블보다 작은 단면을 가지는, 환상 필드 코일.
중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일(toroidal field coil)로서, 상기 환상 필드 코일은, 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나는 복수개의 권선들을 포함하고,
각각의 권선은 복수개의 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하고, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비하고;
중심 칼럼의 중심에 인접하게 지나는 케이블들중 적어도 하나는 중심으로부터 멀리에서 중심 칼럼을 통하여 지나는 케이블보다 작은 단면을 가지는, 환상 필드 코일.
제 6 항에 있어서,
각각의 케이블은 복수개의 적층된 HTS 테이프들을 구비하는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
케이블이 중심 칼럼을 통하여 지날 때, 각각의 HTS 테이프의 면이 폴로이달 자기장(poloidal magnetic field)에 실질적으로 평행이도록, 적층된 HTS 테이프들이 배치되는, 환상 필드 코일.
제 6 항에 있어서,
각각의 케이블은 구리 코어 둘레에 배치된 복수개의 HTS 테이프들을 구비하는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 이TDj서,
HTS 테이프들은 테이프의 길이 방향 축을 따라서 미리 압축되는, 환상 필드 코일.
중심 칼럼을 가진 환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로에서 환상 자기장을 발생시키는 환상 필드 코일(toroidal field coil)로서, 상기 환상 필드 코일은, 중심 칼럼을 통하여 플라즈마 챔버의 외측 둘레를 지나는 복수개의 권선들을 포함하고,
각각의 권선은 복수개의 HTS 테이프들을 포함하는 케이블을 구비하고, 각각의 HTS 테이프는 고온 초전도성 재료의 하나 이상의 층들을 구비하고;
HTS 테이프들은 테이프의 길이 방향 축을 따라서 미리 압축되는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
중심 칼럼의 중심에 인접하게 지나는 적어도 하나의 케이블은 중심으로부터 멀리에서 지나는 케이블보다 높은 전류 밀도로 전류를 유지하는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
각각의 HTS 테이프의 상부면 및 저부면이 구리로부터 형성되는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
각각의 HTS 테이프는 하나 이상의 구리 층들을 포함하는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
77 K 이하, 보다 바람직스럽게는 30 K 이하, 더욱 바람직스럽게는 4 K 이하로 케이블들을 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템을 더 포함하는, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
사용시에 환상 자기장(toroidal magnetic field)은 3T 이상이고, 바람직스럽게는 5T 이상이고, 바람직스럽게는 10T 이상이고, 보다 바람직스럽게는 15T 이상인, 환상 필드 코일.
전기한 항들중 어느 한 항에 따른 환상 필드 코일 및 중심 칼럼을 가진 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로.
제 17 항에 있어서,
중심 칼럼은 중심 코어를 포함하며 상기 중심 코어 안에 솔레노이드가 위치되거나 삽입 가능한, 핵융합로.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
4 개 이상의 환상 필드 코일들을 포함하는, 핵 융합로.
제 17 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
제한된 플라즈마의 주 반경(major radius)이 1.5 m 이고, 바람직스럽게는 1.0 m 미만이고, 보다 바람직스럽게는 0.5 m 미만인 플라즈마 챔버 안에 플라즈마를 제한하도록 구성된, 핵융합로.
제 17 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서,
핵융합로는 2.5 이하의 종횡비(aspect ratio)를 가지고, 바람직스럽게는 2.0 이하의 종횡비를 가진 구형 토카막 핵융합로(spherical tokamak reactor)인, 핵융합로.
제 17 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
중성자로부터의 손상을 감소시키거나 또는 제거하기 위하여 중심 칼럼의 둘레에 차폐부가 제공되는, 핵융합로.
제 17 항 내지 제 22 항중 어느 한 항에 있어서,
중심 칼럼의 외측 부분의 적어도 일부는 HTS 테이프에 대한 중성자로부터의 손상 방지용 차폐를 제공하는 비(非)-HTS 재료로 만들어지는, 핵융합로.
제 23 항에 있어서,
중심 칼럼의 외측 부분에 있는 비(非)-HTS 재료는 환상 자기장(toroidal magnetic field)을 향상시키기 위하여 전류를 유지하도록 구성되는, 핵융합로.
제 24 항에 있어서,
중심 칼럼의 외측 부분은 저항 가열(resistive heating)을 감소시키기 위하여 극저온 냉각(cryogenically coolded), 바람직스럽게는 77 K 로 냉각되고, 보다 바람직스럽게는 40 K 미만으로 냉각되는, 핵융합로.
제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
비(非)-HTS 재료는 베릴륨 및/또는 알루미늄을 포함하는, 융합로.
환상 플라즈마 챔버를 포함하는 핵융합로를 작동시킴으로써 중성자 또는 에너지를 발생시키는 방법으로서, 상기 에너지 발생 방법은:
플라즈마 챔버내에서 플라즈마를 개시하는 단계;
제 1 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 따른 환상 필드 코일을 사용하여 환상 자기장을 발생시키는 단계; 및,
중성자 및 다른 에너지 입자를 방출하는 단계;를 포함하는, 에너지 발생 방법.