(57)【要約】【課題】プラズマが核融合炉チャンバの壁と接触しないようにする。【解決手段】核融合炉（１００）は、核融合プラズマ反応炉チャンバ（１１０）と、核融合プラズマ反応炉チャンバの内側に設けられた磁気コイル構造体（１３０）と、核融合プラズマ反応炉チャンバの内側に設けられた構造的コンポーネントとを有し、構造的コンポーネントは、磁気コイル構造体を核融合プラズマ反応炉チャンバに結合し、核融合炉（１００）は、構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた超電導材料と、構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた複数の冷却チャネルと、構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた断熱材とを更に有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核融合炉であって、
核融合プラズマ反応炉チャンバと、
前記核融合プラズマ反応炉チャンバの内側に設けられた磁気コイル構造体と、
前記核融合プラズマ反応炉チャンバの内側に設けられた構造的コンポーネントであって、を有し、前記構造的コンポーネントは、前記磁気コイル構造体を前記核融合プラズマ反応炉チャンバに結合する、前記構造的コンポーネントと、
前記構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた超電導材料と、
前記構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた複数の冷却チャネルと、
前記構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた断熱材とを備える、核融合炉。
【請求項２】
前記複数の冷却チャネルは、複数の金属管を構成している、請求項１記載の核融合炉。
【請求項３】
前記超電導材料は、超電導テープを構成している、請求項１記載の核融合炉。
【請求項４】
前記超電導材料は、複数の超電導タイルを構成している、請求項１記載の核融合炉。
【請求項５】
前記超電導材料は、前記超電導材料の超電導転移温度に等しいまたはこれよりも低い温度まで冷却される、請求項１記載の核融合炉。
【請求項６】
前記超電導材料は、前記構造的コンポーネントに侵入することによって磁場を締め出す、請求項１記載の核融合炉。
【請求項７】
前記断熱材は、近真空によって隔てられた２つの壁から成る、請求項１記載の核融合炉。
【請求項８】
冷却流体が、前記複数の冷却チャネルを通って循環する、請求項１記載の核融合炉。
【請求項９】
前記核融合プラズマ反応炉チャンバ内に収容された核融合プラズマを更に有する、請求項１記載の核融合炉。
【請求項１０】
プラズマ流内に少なくとも部分的に位置するよう構成された構造的コンポーネントであって、
内部構造的コンポーネントと、
前記内部構造的コンポーネントを少なくとも部分的に包囲する超電導材料と、
前記構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた複数の冷却チャネルと、
前記構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた断熱材とを備える、構造的コンポーネント。
【請求項１１】
前記複数の冷却チャネルは、複数の金属管から成る、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１２】
前記超電導材料は、超電導テープを構成している、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１３】
前記超電導材料は、複数の超電導タイルを構成している、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１４】
前記超電導材料は、前記超電導材料の超電導転移温度に等しいまたはこれよりも低い温度まで冷却される、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１５】
前記超電導材料は、前記構造的コンポーネントに侵入することによって磁場を締め出す、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１６】
前記断熱材は、近真空によって隔てられた２つの壁から成る、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１７】
冷却流体が、前記複数の冷却チャネルを通って循環する、請求項１０記載の構造的コンポーネント。
【請求項１８】
プラズマ内に少なくとも部分的に浸漬されるよう構成された物体を保護する方法であって、
磁場を超電導材料の周りに印加するステップと、
前記超電導材料を前記超電導材料が前記磁場を締め出すようにするのに十分な温度まで冷却するステップであって、前記超電導材料は、前記物体内に少なくとも部分的に設けられている冷却するステップとを備える、方法。
【請求項１９】
冷却流体が前記超電導材料を冷却するために用いられる、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記超電導材料が前記磁場を締め出すようにするのに十分な前記温度は、２００ケルビンよりも低くまたはこれに等しい、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、プラズマの中に位置する超電導材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体は、抵抗なしで電流を流す物質である。超電導体の特有の特性は、マイスナー効果と呼ばれており、このマイスナー効果は、超電導体がこれら超電導体自体から磁場を締め出す特性である。大抵の材料は、超電導転移温度または臨界温度と呼ばれる場合のあるある特定の温度以下に冷却されたときにのみ超電導特性を表わす。この温度は、互いに異なる超電導材料相互間で違いのある場合があるが、一般的には、水の氷点よりもかなり低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
プラズマは、イオン化されたガスである。プラズマは、イオン化され、したがって帯電しているので、電場および磁場を用いてプラズマを操ることができる。プラズマは、室温よりも高高温である場合が多く、プラズマの中には、数百万度ケルビンの温度を有するものがある。プラズマの高い温度に鑑みて、プラズマがプラズマ内に浸漬された物体またはプラズマを収容するために用いられるチャンバの壁と接触しないようにすることが望ましい場合が多い。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
核融合炉が核融合プラズマ反応炉チャンバを有する。磁気コイル構造体が核融合プラズマ反応炉チャンバの内側に設けられ、構造的コンポーネントもまた、核融合プラズマ反応炉チャンバの内側に設けられる。構造的コンポーネントは、磁気コイル構造体を核融合プラズマ反応炉チャンバに結合する。超電導材料が構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられる。複数の冷却チャネルが構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられる。断熱材が構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられる。
【０００５】
プラズマ流内の構造的コンポーネントは、内部構造的コンポーネントおよびこの構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられた状態で内部構造的コンポーネントを包囲しまたはこれに隣接して位置する超電導材料を含む。複数の冷却チャネルが構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられる。断熱材が構造的コンポーネント内に少なくとも部分的に設けられる。
【０００６】
プラズマ内に浸漬された物体を保護する方法が磁場を超電導材料の周りに印加するステップと、物体を包囲している超電導材料を、超電導材料が磁場を締め出すようにするのに十分な温度まで冷却するステップとを含む。
【０００７】
ある特定の実施形態の技術的利点としては、外部電源を必要としないで高温プラズマから構造的コンポーネントが保護されるということが挙げられる。加うるに、ある特定の実施形態は、プラズマがプラズマから熱を伝導によって除去する場合のある表面との接触を行わないようにすることによってプラズマからの熱損失を阻止することができる。幾つかの実施形態はまた、構造体を保護する能動的に電力が供給され、例えば、磁場を発生させるための電磁石を用いる方法と比較して、プラズマからの構造的コンポーネントのより完全な保護をもたらすことができる。さらに、幾つかの実施形態は、構造体をプラズマから遮蔽する能動的電力供給方法と比較して、複雑さを減少させることができる。
【０００８】
本発明ならびにその特徴および利点のより完全な理解をもたらすため、添付の図面と関連して行われる以下の説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ある特定の実施形態による核融合炉の一部分を示す図である。
【図２】ある特定の実施形態による超電導材料で遮蔽された構造体を示す図である。
【図３】ある特定の実施形態に従ってプラズマ内に浸漬された超電導材料で遮蔽された構造体を示す図である。
【図４】ある特定の実施形態に従ってプラズマ内に浸漬された能動的に駆動される電磁遮蔽材を備えた構造体を示す図である。
【図５】ある特定の実施形態に従って超電導材料を用いて物体をプラズマから遮蔽する方法を示す図である。
【図６】ある特定の実施形態に従ってプラズマ内に浸漬された超電導材料遮蔽材を備えた宇宙船を示す図である。
【図７】ある特定の実施形態に従ってプラズマ内に浸漬された超電導材料遮蔽材を備えたプローブを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態およびその利点は、図面の図１〜図７を参照することによって最も良く理解され、同一の符号は、種々の図面の同一および対応した部分について用いられている。
【００１１】
図１は、ある特定の実施形態としての核融合炉の一部分１００を示している。核融合炉部分１００は、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０、内部磁場コイル構造体１３０、および支持構造体１２０を含む。支持構造体１２０は、内部磁場コイル構造体１３０の構造的支持体となることができ、かかる内部磁場コイル構造体は、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に浮いた状態で設けられるのが良い。
【００１２】
核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０は、核融合プラズマを閉じ込めるのが良くかつ核融合反応が起こるようにするための密閉空間を提供することができる。核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０は、支持構造体１２０の構造的取り付け箇所としての機能を発揮することができ、かかる構造的取り付け箇所は、内部磁場コイル構造体１３０を核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０に固着するのが良い。核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０はまた、核融合プラズマ反応を開始させ、維持し、モニタし、制御し、または停止させるのに必要な任意の数の機器またはセンサを保持するのが良い。
【００１３】
内部磁場コイル構造体１３０は、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に収容されたプラズマを閉じ込めるとともに方向付ける磁場を発生させることができる。核融合炉１００は、任意の数の内部磁場コイル構造体１３０を収容することができる。幾つかの実施形態では、内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場は、高温プラズマを核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０の壁から遠ざけた状態に保つことができ、それにより、プラズマが核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０またはこれに取り付けられた任意の機器もしくはセンサを損傷させるのを阻止することができる。内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場はまた、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に収容されたプラズマを圧縮することができる。プラズマを圧縮させることは、高温プラズマイオンが互いに接触して核融合を生じさせる可能性を高めることによって核融合を助長することができる。
【００１４】
支持構造体１２０は、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内の内部磁場コイル構造体１３０の構造的支持体となることができる。幾つかの実施形態では、支持構造体１２０は、内部磁場コイル構造体１３０を核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０の壁に固着することができる。支持構造体１２０はまた、電力、冷却作用、および診断リードを内部磁場コイル構造体１３０に提供する経路となることができる。内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場は、支持構造体１２０が核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に収容されたプラズマに接触しないよう支持構造体１２０を保護することは可能ではない。幾つかの実施形態では、保護手段が設けられていない場合、内部磁場コイル構造体１３０により生じた磁場は、支持構造体１２０に侵入する場合があり、その結果、内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場に続くプラズマと支持構造体１２０の接触が起こる。プラズマと支持構造体１２０の接触により、支持構造体が損傷する場合があり、最終的には、プラズマの高温およびエネルギーに起因して支持構造体の破損が生じる場合がある。同様に、高温プラズマと支持構造体１２０の接触により、熱がプラズマから支持構造体１２０中に伝達される場合があり、それによりプラズマ温度が減少しかつ核融合反応がプラズマ内で起こる効率が低減する。したがって、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に収容されたプラズマと支持構造体１２０の接触を阻止して支持構造体に対する損傷を阻止するとともにプラズマの温度を維持することが望ましい。
【００１５】
図２は、図１の対称軸に対して定められた半径方向に沿って見た角度から見ている受動的に遮蔽された支持構造体１２０の断面図２００を示しており、換言すると、遮蔽支持構造体１２０中に「上から下へ」見た断面を示している。支持構造体１２０は、遮蔽構造体２１０、超電導材料２２０、冷却チャネル２３０、冷却流体２４０、および断熱材２５０を有する。
【００１６】
遮蔽構造体２１０は、内部磁場コイル構造体１３０を核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０の壁に固着するために用いられる構造的支持体、例えばビームまたはパイプを含むのが良い。遮蔽構造体２１０は、内部磁場コイル構造体１３０用の電力および計装ケーブルのための引き回し手段を更に含むのが良い。幾つかの実施形態では、遮蔽構造体２１０は、図１に示された内部磁場コイル構造体１３０を冷却するためのパイプ、チャネル、または管を含むのが良い。幾つかの実施形態では、遮蔽構造体２１０は、超電導材料２２０を越えて延びる部分を含むのが良く、超電導材料２２０は、支持構造体１２０のエンベロープ内に配置されるようになっている。例えば、遮蔽構造体２１０の薄い区分は、支持構造体１２０の外部を形成し、超電導材料２２０は、遮蔽構造体２１０の薄い部分に対して内部に配置されるようになっている。別の実施形態では、材料の保護層が超電導材料をプラズマとの偶発的な接触が生じないよう保護するために超電導材料２２０に被着されるのが良い。
【００１７】
超電導材料２２０は、遮蔽構造体２１０の十分な被覆を提供するよう配置された任意の超電導材料であって良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、遮蔽構造体２１０に被着された薄い超電導テープであるのが良い。テープ超電導材料２２０は、遮蔽構造体２１０を覆うよう遮蔽構造体２１０に巻き付けられるのが良くまたは遮蔽構造体２１０にストリップまたはパッチの状態で被着されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導テープの層は、超電導テープの他の層とオーバーラップするのが良い。特定の実施形態では、超電導テープの多数の層を用いて電磁石中の電線の多数の巻線と同様、超電導材料２２０の適当な表面領域を提供するのが良い。
【００１８】
他の実施形態では、超電導材料２２０は、遮蔽構造体２１０に層の状態で被着されたタイルであるのが良い。かかる超電導タイルは、遮蔽構造体２１０がプラズマに曝されないような仕方で互いに接触した状態で配置されるのが良い。かかるタイルは、うろこまたはこけら板と同様な仕方でかつ遮蔽構造体２１０がプラズマに曝されないような仕方で互いに並んで配置されるのが良くまたは層状に配置されるのが良い。他の実施形態では、超電導材料２２０は、塗膜または粉末被覆として構造体２１０に被着されるのが良い。さらに別の実施形態では、超電導材料２２０は、核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０中への遮蔽構造体２１０の設置前または後に遮蔽構造体２１０の周りに配置されるあらかじめ製作されたシェルであるのが良い。かかる実施形態では、超電導材料２２０は、単一のシェル包囲遮蔽構造体２１０としてまたは遮蔽構造体２１０を包囲するよう組み立てられた多数の片を含むシェルとして製作されるのが良い。
【００１９】
幾つかの実施形態では、上述の超電導材料２２０の構成のうちの任意のものは、遮蔽構造体２１０のエンベロープ内に配置されるのが良い。例えば、超電導材料２２０は、遮蔽構造体２１０の表面の近くに配置されるのが良く、その結果、超電導材料２２０は、プラズマとの直接的な接触に至ることなく、遮蔽構造体２１０の周りの磁場を十分に締め出すことができるようになっている。
【００２０】
超電導材料２２０は、任意の超電導材料であって良い。選択される材料に応じて、超電導材料２２０に適した温度を有する冷却状態を選択するべきである。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、「高温」超電導体として知られている超電導体の多くの等級であるのが良い。一般に高温超電導体は、３０ケルビンを超える温度で超電導を示す材料である。高温超電導体の等級の例としては、ランタンバリウム銅酸化物超電導体、タリウムバリウムカルシウム銅酸化物超電導体、ストロンチウムカルシウム銅酸化物超電導体、およびイットリウムバリウム銅酸化物超電導体を含む銅酸化物超電導体、および鉄砒素超電導体が挙げられるが、これらには限定されない。
【００２１】
幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、超電導材料２２０が磁界、例えば図１の内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場を締め出すようにするのに十分な温度まで冷却されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、２７６ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、２００ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。特定の実施形態では、超電導材料２２０は、１３８ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。特定の実施形態では、超電導材料２２０は、３０ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。他の実施形態では、超電導材料２２０は、２０ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。さらに別の実施形態では、超電導材料２２０は、１０ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、４ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。
【００２２】
超電導材料２２０は、外部磁場で、例えば内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場を締め出すのが良く、その理由は、外部磁場により外部磁場を打ち消す磁場を生じさせる電流が超電導材料２２０内に生じるからである。これら内部電流は、超電導材料２２０の表面の近くに作られるのが良い。したがって、超電導材料２２０の薄い層、例えば上述の超電導テープは、磁場を締め出すのに十分であるのが良い。超電導材料２２０は、超電導材料２２０が流すことができる内部電流の強度に対して制限およびかくして超電導材料２２０が締め出すことができる磁場の強度に対する制限を有するのが良い。
【００２３】
幾つかの実施形態では、超電導材料２２０が流すことができる内部電流、およびかくして超電導材料２２０が締め出すことができる外部磁場の強度は、超電導材料２２０の温度で決まる可能性がある。超電導材料２２０は、この超電導材料がその超電導転移温度よりも低く冷却されればされるほど、それだけ一層大きな内部電流を流すことができるとともにそれだけ一層強い磁場を締め出すことができる。例えば、超電導材料２２０は、７７Ｋまで冷却されたときに可能な電流に関して３０Ｋまで冷却されたときの電流の５倍を流すことができる。したがって、幾つかの実施形態では、超電導材料２２０が核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０の内部で生じた磁場を締め出すことができるようにするのに十分な温度が維持されるようにするために超電導材料２２０の冷却状態を維持することが重要な場合がある。
【００２４】
冷却チャネル２３０は、パイプ、管、通路または冷却流体２４０を超電導材料２２０の近くまで運搬する任意他の手段を含むのが良い。幾つかの実施形態では、冷却チャネル２３０はまた、内部磁場コイル構造体１３０に対して冷却作用をもたらすことができる。幾つかの実施形態では、冷却チャネル２３０は、冷却流体２４０を超電導材料２２０に直接させることができる。他の実施形態では、冷却チャネル２３０は、高い熱伝達率を持つ材料、例えば大抵の金属で構成されるのが良い。これらの実施形態では、超電導材料２２０は、冷却チャネル２３０の熱伝達率の高い材料と接触状態にあるのが良く、熱伝達率の高い材料は、熱を超電導材料２２０から冷却チャネル２３０内の冷却流体２４０に伝達する。許容可能な熱伝達率の高い材料の例としては、銅、アルミニウム、鉄、チタン、銀、金、極低温用途で用いられる任意他の金属、およびこれらの合金が挙げられるが、これらには限定されない。幾つかの実施形態では、冷却チャネル２３０は、冷却チャネル２３０の断熱を向上させるための断熱破断部を含むのが良い。
【００２５】
冷却流体２４０は、任意の許容可能な液体、気体、または超電導材料２２０をその超電導転移温度以下まで冷却するのに足るほど低い温度を有する他の流体であって良い。冷却流体または気体の幾つかの例として、液体酸素、液体窒素、液体ヘリウム、液体アルゴン、液体ネオン、およびこれらの気体、または超電導材料２２０の超電導転移温度以下の温度を有する任意他の流体または気体が挙げられる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、冷却チャネル２３０は、遮蔽構造体２１０の最も近くに位置する冷却チャネル２３０の側部が断熱材料２５０で断熱されるのが良い。冷却チャネル２３０と遮蔽構造体２１０との間の断熱材は、遮蔽構造体２１０から冷却チャネル２３０中への熱の伝達を阻止することができ、したがって、遮蔽構造体２１０を冷却する冷却チャネル２３０による冷却能力の低下を阻止することによって冷却チャネル２３０の冷却能力を向上させることができる。断熱材２５０が冷却チャネル２３０および超電導材料２２０の適度の断熱を保証するよう遮蔽構造体２１０全体にわたって任意の適切な仕方で配置されるのが良い。冷却チャネル２３０相互間の断熱材は、極低温用途で用いられる断熱材の任意の形態であって良い。例えば、断熱材としては、ポリマーフォーム、エーロゲル、ガラス繊維、鉱物ウールまたは他の断熱材料が挙げられる。幾つかの実施形態では、冷却チャネル２３０と遮蔽構造体２１０との間の断熱材は、極低温流体を貯蔵するために通常用いられるジュワーびんまたはボトルで見受けられる構造に類似した二重壁式真空構造体であるのが良い。かかる構造体は、真空を含む空間によって隔てられた２つの壁を有するのが良く、かかる真空は、２つの壁によって隔てられた環境相互間の断熱をもたらす。幾つかの実施形態では、断熱材２５０はまた、超電導材料２２０と遮蔽構造体２１０の表面との間に配置されても良い。かかる実施形態では、断熱材２５０は、遮蔽構造体２１０からの熱が超電導材料２２０中に伝導されるのを阻止することができ、または遅らせることができ、それにより、超電導材料が締め出すことができる磁場の強度を保つことができる。
【００２７】
他の実施形態では、冷却チャネル２３０は、流体を運ぶことがなく、熱電冷却ユニットであるのが良い。幾つかの実施形態では、熱電冷却機が超電導材料２２０と冷却チャネル２３０との間に配置されるのが良い。
【００２８】
図３は、ある特定の実施形態に従ってプラズマ中に浸漬された超電導材料により遮蔽された遮蔽構造体３２０の断面３００を示している。遮蔽構造体３２０は、超電導材料、例えば図２の超電導材料２２０によって遮蔽された支持構造体、例えば図１の支持構造体１２０であるのが良い。他の実施形態では、遮蔽構造体は、プラズマ中に浸漬された任意他の構造体または物体、例えば図６の宇宙船６１０または図７のプローブ７１０であるのが良い。遮蔽構造体３２０を遮蔽する超電導材料は、磁場、例えば内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場に曝されたときに磁場を締め出すことができる。図３では、磁場線３１０は、遮蔽構造体３２０の周りに押されまたは曲げられており、その理由は、超電導材料が磁場を締め出しているからである。プラズマは、帯電するので、このプラズマは、磁場線３１０に追随することができる。したがって、磁場線３１０を締め出すことによって、超電導材料２２０は、プラズマが構造体３２０に接触するのを阻止することができる。プラズマ３３０は、任意のプラズマであって良い。特定の実施形態では、プラズマは、図１の核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に収容されている核融合プラズマであるのが良い。超電導材料を用いて構造体３２０をプラズマから遮蔽するこの方法は、「受動的」遮蔽方式と呼ばれる場合があり、と言うのは、超電導材料が適切に冷却されている限り超電導材料が磁場を締め出すために超電導材料に供給されるのが必要な外部電力がゼロであるからである。
【００２９】
幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、プラズマがある場合にこれが遮蔽構造体３２０に接触するのを阻止するのに十分磁場線３１０を締め出すのが良い。他の実施形態では、超電導材料２２０は、プラズマの大部分が遮蔽構造体３２０に接触するのを阻止するのに十分磁場線３１０を締め出すのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、プラズマ３３０のうちの９９．９％超が構造体３２０に接触するのを阻止するのに十分磁場線３１０を締め出すのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、プラズマ３３０の９９％超が遮蔽構造体３２０に接触するのを阻止するのに十分磁場線３１０を締め出すのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、プラズマ３３０の９０％超が遮蔽構造体３２０に接触するのを阻止するのに十分磁場線３１０を締め出すのが良い。
【００３０】
超電導材料を用いてプラズマと遮蔽構造体３２０との接触を阻止することにより、少なくとも２つの利点が得られる。第１に、高温プラズマによる遮蔽構造体３２０の損傷を阻止することができる。これは、核融合炉の破損を阻止することができ、しかも反応炉に対するメンテナンスの時間間隔を長くすることができる。第２に、プラズマと遮蔽構造体３２０との接触を阻止することにより、プラズマから遮蔽構造体３２０への熱損失を阻止することができ、それにより核融合反応の効率を高めることができる。超電導材料を用いて構造体３２０を受動的に遮蔽した場合の追加の利点は、超電導材料が外部磁場を締め出す能力が外部磁場のばらつきに応答して自動的にかつ迅速に調節することができるということにある。これは、図４を参照して以下に説明するように複雑な制御システムの必要性をなくすことができる。
【００３１】
超電導材料により受動的に遮蔽された構造体の別の利点が図４に示されており、図４は、ある特定の実施形態による能動的に駆動される電磁遮蔽方式の構造体の断面４００を示している。図４は、能動的遮蔽構造体４２０、電磁石４２５、外部磁場４１０、遮蔽磁場４２８、および遮蔽磁場ギャップ４３０を記載している。磁場を締め出す超電導材料によって受動的に遮蔽された構造体を示す図１〜図３とは異なり、図４は、電磁石４２５によって生じた遮蔽磁場４２８によりプラズマから遮蔽される能動的遮蔽構造体４２０を示している。
【００３２】
電磁石４２５によって生じた遮蔽磁場４２８は、外部磁場４１０、例えば図１の内部磁場コイル構造体１３０によって生じる磁場を能動的遮蔽構造体４２０周りにそらすことができる。プラズマは、外部磁場線４１０に追随することができ、かくしてこのプラズマは、遮蔽磁場４２８によって能動的遮蔽構造体４２０に接触しないようそらすことができる。
【００３３】
しかしながら、図２の超電導材料２２０とは異なり、電磁石４２５は、遮蔽磁場４２８を生じさせるために外部電源を必要とする。電磁石４２５はまた、これらが過熱するのを阻止するための冷却を必要とする場合があり、しかも超電導電磁石が電磁石４２５として用いられた場合に極低温冷却を必要とする場合がある。加うるに、遮蔽磁場４２８が外部磁場４１０に応答して作られず、これとは異なり、電磁石４２５に供給された電力によって作られるので、遮蔽磁場４２８が外部磁場４１０のばらつきを適切に補償するために制御されるようにするためには電磁石４２５を制御するためのシステムが必要とされる場合がある。かかる制御システムは、外部磁場４１０に対する変更が起こった時点と遮蔽磁場４２８に対する調節が行われた時点との間に遅延時間を有するのが良い。したがって、受動的遮蔽構造体３２０と比較した場合の能動的遮蔽構造体４２０の欠点は、能動的遮蔽構造体４２０がより複雑であるということにあり、と言うのは、この能動的遮蔽構造体が外部電力および制御システムを必要とするからであり、また、能動的遮蔽構造体４２０が受動的遮蔽構造体３２０と同じほど迅速に外部磁場の変化を補償することができない場合があるということにある。
【００３４】
能動的遮蔽構造体４２０の追加の欠点は、磁場ギャップ４３０が電磁石４２５によって生じる遮蔽磁場４２８相互間に作られる場合があるということにある。磁場ギャップ４３０は、外部磁場４１０が能動的遮蔽構造体４２０に侵入するのが阻止されない領域を作る場合がある。したがって、磁場ギャップ４３０により、外部磁場線４１０に追随するプラズマが能動的遮蔽構造体４２０に接触することができる場合がある。本明細書における他の場所で説明したように、能動的遮蔽構造体４２０とプラズマとの接触の結果として、プラズマによる能動的遮蔽構造体４２０の損傷およびプラズマから能動的遮蔽構造体４２０への望ましくない熱損失が生じる場合がある。
【００３５】
図５は、ある特定の実施形態に従って超電導材料を用いて物体をプラズマから遮蔽する方法５００を示している。図５は、ステップ５１０において、超電導材料を超電導転移温度まで冷却するステップ、ステップ５２０において、超電導材料を含む物体の近くにまたはこの周りに磁場を印加するステップ、およびステップ５３０において、物体をプラズマ中に浸漬させるステップを記載しており、これらについては以下に詳細に説明する。
【００３６】
ステップ５１０では、物体の表面を少なくとも部分的に包囲しまたはこの近くに配置される超電導材料、例えば図２の超電導材料２２０をこの超電導材料に関する超電導転移温度以下の温度まで冷却するのが良い。超電導転移温度以下では、超電導材料は、電流の流れに対してゼロの内部抵抗を有することを含む超電導特性および超電導材料が配置される磁場を締め出す超電導特性を示すことができる。
【００３７】
超電導材料を冷却することは、種々の手段、例えば図２の冷却チャネル２３０を参照して説明した手段によって達成できる。図２を参照して説明したように、超電導材料が締め出すことができる磁場の強度は、超電導材料の温度で決まる可能性がある。幾つかの実施形態では、超電導材料は、超電導材料が磁場を締め出すようにするのに十分な温度まで冷却されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料は、２７６ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料は、２００ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。特定の実施形態では、超電導材料は、１３８ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。特定の実施形態では、超電導材料は、３０ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。他の実施形態では、超電導材料２２０は、２０ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。さらに別の実施形態では、超電導材料２２０は、１０ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。幾つかの実施形態では、超電導材料２２０は、４ケルビン以下の温度まで冷却されるのが良い。
【００３８】
ステップ５２０では、磁場がステップ５３０において形成されるプラズマを収容した空間内に作られるのが良くまたはこれに印加されるのが良い。幾つかの実施形態では、磁場、例えば図１の内部磁場コイル構造体によって磁場が作られるのが良い。他の実施形態では、磁場、例えば、宇宙空間を浸透する磁場が環境内に存在するのが良い。超電導材料がこの材料の超電導転移温度未満まで冷却されたときに磁場を締め出すことができるので、磁場は、物体を遮蔽する超電導材料がステップ５１０において冷却された後に物体から締め出されるのが良い。図２および図３を参照して説明したように、プラズマは、磁場に追随することができるので、超電導材料は、磁場を締め出すことによってプラズマとの接触から保護されるのが良い。
【００３９】
ステップ５３０では、超電導材料による遮蔽が行われる物体、例えば図２の遮蔽構造体２３０をプラズマ中に浸漬させるのが良い。幾つかの実施形態では、ステップ５１０では、プラズマを固定状態の物体の周りに作るのが良い。例えば、核融合プラズマを、核融合炉、例えば物体、例えば図１の支持構造体１２０が固定状態で保持される図１の核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０の内側に作られるのが良い。作られるのが良いプラズマの他の例としては、プラズマ蒸着、プラズマエッチング、プラズマ重合、またはプラズマ推進エンジンもしくはイオン推進エンジンからのプラズマ排出流が挙げられる。物体を浸漬させることができるプラズマの他の例としては、宇宙空間、例えば太陽風中のプラズマが挙げられる。
【００４０】
図５に順次示されているが、ステップ５１０，５２０，５３０は、任意の順序で実施できる。例えば、ステップ５３０において、プラズマを核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０の内側に生じさせることができ、次にステップ５１０において、物体、例えば図１の支持構造体１２０を遮蔽する超電導材料をその超電導温度以下の温度まで冷却するのが良く、そして最後にステップ５３０において、プラズマおよび物体を内部磁場コイル構造体１３０によって生じた磁場にさらすのが良い。変形例として、超電導材料をこの超電導材料の超電導転移温度以下の温度まで冷却する前に、磁場をプラズマに印加しても良い。
【００４１】
超電導体により提供される遮蔽は、物体がプラズマの流れの中に浸漬されるのが良い核融合炉以外の用途でも有益な場合がある。本質的に低密度プラズマとして挙動する荷電粒子は、地球の磁場の外側に位置する宇宙全体にわたって存在する場合がある。例えば、太陽風は、低密度プラズマであると見なされる場合がある。超電導材料は、宇宙に見受けられるプラズマから宇宙船を保護することができる。加うるに、モニタ目的でプラズマ中に多くの様々なプローブを配置することができる。超電導材料は、プローブをプラズマ中に浸漬されたときの損傷から保護することができ、それによりプローブは、非遮蔽プローブよりも長い期間にわたって動作することができる。
【００４２】
図６は、ある特定の実施形態に従ってプラズマ６３０内に浸漬された超電導材料遮蔽材を有する宇宙船６１０を示している。宇宙船６１０の全てまたは一部分を包囲した超電導材料は、宇宙に存在する磁場、例えば磁場６２０を締め出すことができ、しかも宇宙船６１０を宇宙に存在するプラズマ６３０があればこれからまたは荷電粒子から効果的に遮蔽することができる。かかるプラズマならびに荷電粒子は、太陽放射線、宇宙放射線、および宇宙に見受けられる任意他の形式の荷電粒子を含む場合があり、これらプラズマおよび荷電粒子は、そらされた磁場６２５の経路をたどることができる。宇宙船６１０は、惑星間空間、星間空間または銀河間空間を含む宇宙の任意の環境中で作動することができる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、超電導材料は、宇宙船６１０の全体を包囲するのが良い。他の実施形態では、超電導材料は、宇宙船６１０の一部分、例えば人間であるクルーが生活しまたは作業するクルーコンパートメント、敏感な機器を収容したコンパートメント、または貯蔵コンパートメントを包囲するのが良い。他の実施形態では、超電導材料は、宇宙船６１０のエンベロープ内に配置されるのが良い。例えば、超電導材料は、宇宙船６１０の表面の近くに配置されるのが良く、その結果、超電導材料は、磁場の全てまたは大部分が宇宙船６１０に接触しないよう締め出すことができるが、宇宙船６１０の外面層とプラズマ６３０との偶発的な接触から保護されるようになっている。
【００４４】
図７は、ある特定の実施形態に従ってプラズマ７１０内に浸漬された超電導材料遮蔽材を有するプローブ７１０を示している。プローブ７１０は、任意形式のプローブまたはセンサであって良く、かかるプローブまたはセンサとしては、圧力センサ、温度センサ、フォトセンサ、アンテナ、または情報を受け取りまたは計測する任意他の装置が挙げられる。プローブ７１０は、これが浸漬されるプラズマ７３０の１つまたは２つ以上の特性、例えば、プラズマ７３０の温度を計測するために使用されるのが良い。しかしながら、プラズマ７３０は、プローブ７１０がプラズマ７３０との接触から保護されない場合にはプローブ７１０を損傷させる場合がある。図２を参照して説明した超電導材料２２０とほぼ同じ仕方によって超電導材料でプローブ７１０を包囲することにより、プローブ７１０周りの磁場、例えば磁場７２０を締め出すことができ、それにより、図３を参照して上述した仕方とほぼ同じ仕方でプラズマ７３０を締め出された磁場７２５に沿ってそらすことによってプローブ７１０をプラズマ７３０から保護することができる。
【００４５】
超電導材料遮蔽材を有するプローブ７１０を用いることができる環境の例としては、図１の核融合プラズマ反応炉チャンバ１１０内に収容された核融合プラズマ、プラズマ蒸着で用いられるプラズマ、プラズマエッチングで用いられるプラズマ、プラズマ重合で用いられるプラズマ、宇宙専用のプラズマ推進エンジンまたはイオン推進エンジンからのプラズマ排出物、または任意他の磁化プラズマ環境が挙げられる。
【００４６】
本発明の範囲から逸脱することなく本明細書において説明した方法の改造、追加、または省略を行うことができる。例えば、該当する場合にはステップを組み合わせ、改造し、または削除することができ、追加のステップを加えることができる。加うるに、ステップは、本発明の範囲から逸脱することなく、任意適当な順序で実施できる。
【００４７】
本発明を数種類の実施形態に関して説明したが、極めて多くの変更、変形、改変、変換、および改造が当業者には想到でき、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に属するかかる変更、変形、改変、変換、および改造を含むものである。
【符号の説明】
【００４８】
１００  核融合炉
１１０  核融合プラズマ反応炉チャンバ
１２０  支持体
１３０  内部磁場コイル構造体
２１０  遮蔽構造体
２２０  超電導材料
２３０  冷却チャネル
２４０  冷却流体
２５０  断熱材
３００  遮蔽支持体
３１０，４１０  磁場線
３３０  プラズマ
４２０  能動的遮蔽支持体
４２５  電磁石
４２８  遮蔽磁場線
４３０  遮蔽磁場線ギャップ
６１０  宇宙船
７１０  プローブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
2019124690000001.pdf