(57)【要約】高温超伝導体（ＨＴＳ）回路を含むデバイスであって、ＨＴＳ回路は、ＨＴＳ材料を含んでＨＴＳ回路の他の要素に直列接続されたクエンチ可能セクションを含み、ＨＴＳ材料は、少なくとも一つのＨＴＳテープを含むＨＴＳテープの積層体を含み、デバイスはさらに、クエンチ可能セクションにおいてＨＴＳ材料をクエンチさせるべく構成されたクエンチングシステムと、ＨＴＳ回路における温度上昇を検出し、温度上昇の検出に応答してクエンチングシステムに、ＨＴＳ回路からの蓄積した磁気エネルギーをクエンチ可能セクションへとダンプするようにクエンチ可能セクションにおける超伝導材料をクエンチさせるべく構成されたクエンチ保護システムとを含み、ＨＴＳ回路は、使用時に、当該ＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場が、ＨＴＳテープのａｂ平面に実質的に平行になるように構成され、クエンチングシステムは、クエンチ可能セクション内の当該ＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの長さに沿って、ＨＴＳテープのａｂ平面に直交する成分を有する追加磁場を生成することによって、ＨＴＳ材料をクエンチさせるように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温超伝導体（ＨＴＳ）回路を含むデバイスであって、
前記ＨＴＳ回路は、ＨＴＳ材料を含んで前記ＨＴＳ回路の他の要素に直列接続されたクエンチ可能セクションを含み、
前記ＨＴＳ材料は、少なくとも一つのＨＴＳテープを含むＨＴＳテープの積層体を含み、
前記デバイスはさらに、
前記クエンチ可能セクションにおいて前記ＨＴＳ材料をクエンチさせるべく構成されたクエンチングシステムと、
前記ＨＴＳ回路における温度上昇を検出し、温度上昇の検出に応答して前記クエンチングシステムに、前記ＨＴＳ回路からの蓄積した磁気エネルギーを前記クエンチ可能セクションへとダンプするように前記クエンチ可能セクションにおける超伝導材料をクエンチさせるべく構成されたクエンチ保護システムと
を含み、
前記ＨＴＳ回路は、使用時に、前記ＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場が、前記ＨＴＳテープのａｂ平面に実質的に平行になるように構成され、
前記クエンチングシステムは、前記クエンチ可能セクション内の前記ＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの長さに沿って、前記ＨＴＳテープのａｂ平面に直交する成分を有する追加磁場を生成することによって、前記ＨＴＳ材料をクエンチさせるように構成される、デバイス。
【請求項２】
各クエンチ可能セクションは、
前記ＨＴＳ回路からのエネルギーが前記クエンチ可能セクションにダンプされるときに前記クエンチ可能セクションの温度を第１所定温度未満に維持するのに十分な熱容量と、
前記温度上昇が検出された前記ＨＴＳ回路の部分の温度を第２所定温度未満に維持するのに十分急速に前記ＨＴＳ回路の電流を減衰させるのに十分な抵抗率と
を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記クエンチングシステムは、前記ＨＴＳテープのａｂ平面に直交する追加磁場を生成することによって前記ＨＴＳ材料をクエンチさせるべく構成される、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記クエンチングシステムは、電流源と、実質的にそれぞれのＨＴＳテープの長さに平行であり、かつ、実質的にそれぞれのＨＴＳテープのａｂ平面内に存在する第１ワイヤとを含み、
前記クエンチングシステムは、前記第１ワイヤに電流を流すことによって前記追加磁場を与える、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記クエンチングシステムは、前記第１ワイヤからそれぞれのＨＴＳテープの反対側に第２ワイヤを含み、
前記第２ワイヤは、実質的にそれぞれのＨＴＳテープの長さに平行であり、かつ、実質的にそれぞれのＨＴＳテープのａｂ平面内に存在し、
前記クエンチングシステムは、電流を前記第１ワイヤに一方向に及び前記第２ワイヤに反対方向に流すことによって前記追加磁場を与える、請求項４に記載のデバイスケーブル。
【請求項６】
前記クエンチ可能セクションは、ａｂ平面が前記局所磁場に平行となるように配列された複数のＨＴＳテープ積層体を含み、
前記クエンチングシステムは、隣接するＨＴＳテープ積層体の各対の間にワイヤを含み、
前記クエンチングシステムは、電流を前記ワイヤに流すことによって前記追加磁場を与えるように構成され、
各ＨＴＳテープ積層体に隣接する２つのワイヤのうち、一方のワイヤが電流を一方向に搬送し、他方のワイヤが電流を反対方向に搬送する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ワイヤは直列に接続される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１所定温度は約７００Ｋであり、好ましくは約３００Ｋである、請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２所定温度は約３００Ｋであり、好ましくは約２００Ｋであり、さらに好ましくは約１００Ｋである、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
各クエンチ可能セクションはさらに、非超伝導スタビライザを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記非超伝導スタビライザは、体積熱容量に対する抵抗率の比が銅よりも大きな金属、例えばステンレス鋼、を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ＨＴＳ回路は磁場生成コイルであり、
前記クエンチ可能セクションは、前記磁場生成コイルの磁場に寄与する、請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ＨＴＳ回路は、トカマクのトロイダル磁場コイルであり、
前記クエンチ可能セクションは、前記トロイダル磁場コイルのリターンリムの一セクションである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記トロイダル磁場コイルの各リターンリムがクエンチ可能セクションを含む、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ＨＴＳ回路は、トカマクのポロイダル磁場コイルである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１６】
ＨＴＳテープを、前記テープのａｂ平面に一般に平行な磁場において意図的にクエンチさせるクエンチングシステムであって、
前記ａｂ平面に直交する成分を有して前記テープを貫通する第２磁場を生成するメカニズムを含む、クエンチングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導デバイスに関する。詳しくは、本発明は、かかるデバイスにおける、特には核融合炉で使用される磁石における、クエンチ保護のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁石は、超伝導材料のコイルから形成された電磁石である。磁石コイルがゼロ抵抗を有すると、超伝導磁石は損失がゼロの高電流を流すことができるので（ただし、非超伝導コンポーネントからのある程度の損失は存在する）、従来型電磁石よりも低損失の高磁場に到達し得る。
【０００３】
超伝導性は、一定の材料において、低温においてのみ生じる。超伝導材料は、超伝導体の臨界温度（当該材料がゼロ印加磁場の超伝導体となる最高温度）と、超伝導体の臨界磁場（当該材料が０Ｋにおいて超伝導体となる最高磁場）とによって定義される領域において超伝導体として振る舞う。超伝導体の温度及び存在する磁場は、当該超伝導体が抵抗性（すなわち「通常」のこと。ここでは「非超伝導性」を意味するべく使用される）になることなしに当該超伝導体が搬送し得る電流を制限する。２つのタイプの超伝導材料が存在する。タイプＩ超伝導体は、磁束浸入を完全に除外することにより低臨界磁場を有し、タイプＩＩは、当該超伝導体に、磁束渦と称される局所化した垂直領域の中において、当該低臨界磁場の上方で当該超伝導体に磁束が浸入するのを許容する。これらの材料は、上限臨界磁場において超伝導性でなくなる。この特徴により、これらの材料は、超伝導磁石の構築のためのワイヤにおいて使用できるようになる。磁束渦サイトを原子格子にピン止めするべく、著しい努力がなされている。これにより、高い磁場及び温度における臨界電流が改善される。
【０００４】
超伝導材料は典型的に、「高温超伝導体」（ＨＴＳ）と「低温超伝導体」（ＬＴＳ）とに分けられる。Ｎｂ及びＮｂＴｉのようなＬＴＳ材料は、ＢＣＳ理論により記述可能な超伝導性を有する金属又は合金である。低温超伝導体はすべて、約３０Ｋを下回る臨界温度（これを上回るとゼロ磁場であっても当該材料が超伝導性になり得ない温度）を有する。ＨＴＳ材料の挙動はＢＣＳ理論によっては記述されず、当該材料は、約３０Ｋを上回る臨界温度を有し得る（ただし、ＨＴＳ材料を定義するのは臨界温度というよりはむしろ、超伝導動作及び組成の物理的な差異であることに留意すべきである）。最も一般的に使用されるＨＴＳは、ＢＳＣＣＯ又はＲｅＢＣＯ（ここでＲｅはＹ又はＧｄが一般的な希土類元素である）のような「銅酸化物超伝導体」、すなわちクプラート（酸化銅基を包含する化合物）に基づくセラミックス、である。他のＨＴＳ材料は、鉄ニクタイド（例えばＦｅＡｓ及びＦｅＳｅ）及び２ホウ酸マグネシウム（ＭｇＢ２）を含む。
【０００５】
ＲｅＢＣＯは典型的に、図１に示される構造を有するテープとして製造される。このようなテープ５００は一般に、近似的に１００ミクロン厚であり、基板５０１（典型的には近似的に５０ミクロン厚の電気研磨ハステロイ）を含む。基板５０１の上には、ＩＢＡＤ、マグネトロンスパッタリング、又は他の適切な技法により、近似的に０．２ミクロン厚のバッファスタック５０２として知られる一連のバッファ層が堆積される。（ＭＯＣＶＤ又は他の適切な技法により堆積された）エピタキシャルＲｅＢＣＯ−ＨＴＳ層５０３は、１５のバッファスタックを覆い、典型的には１ミクロン厚である。１〜２ミクロンの銀層５０４が、スパッタリング又は他の適切な技法によりＨＴＳ層上に堆積され、銅スタビライザ層５０５が、電気めっき又は他の適切な技法によりテープ上に堆積される。これにより多くの場合、テープは完全にカプセル化される。
【０００６】
基板５０１は、製造ラインを通して供給されて後続層の成長を許容し得る機械的バックボーンを与える。バッファスタック５０２は、ＨＴＳ層が成長する２軸テクスチャを有する結晶テンプレートを与えることが求められ、その超伝導特性を損なう基板からＨＴＳへの元素の化学拡散を防止する。銀層５０４は、ＲＥＢＣＯからスタビライザ層への低抵抗インタフェイスを与えることが求められ、スタビライザ層５０５が、ＲｅＢＣＯの任意部分が超伝導を停止する（「通常」状態に入る）事象において、代替電流経路を与える。
【０００７】
超伝導磁石において生じ得る一つの問題は、クエンチングである。クエンチングは、超伝導ワイヤ又はコイルの一部が抵抗状態に入るときに生じる。これは、超伝導体における温度若しくは磁場の変動、又は物理的な損傷若しくは欠陥（例えば磁石が核融合炉で使用される場合の中性子照射によるクラック又は劣化）によって生じ得る。磁石において高電流が存在することにより、超伝導体の小部分が抵抗性になると、急速にヒートアップする。すべての超伝導ワイヤには、クエンチから保護するための一定の銅スタビライザが設けられる。銅は、超伝導体が通常状態になる場合に電流の代替経路を与える。多くの銅が存在すればするほど、クエンチした導体の一領域まわりに形成されるホットスポットにおける温度上昇が遅くなる。
【０００８】
ＬＴＳ磁石において、クエンチが生じると「通常ゾーン」が、数メートル／秒のオーダーで急速に伝播する。これは、低温におけるすべての材料の低熱容量と、ＬＴＳ材料が一般にその臨界温度のかなり近くで動作するとの事実とに起因して生じる。これが意味するのは、ＬＴＳ磁石においてクエンチが急速に伝播するということである。クエンチのときに散逸した蓄積磁場エネルギーが磁石全体に広がって当該磁石を加熱する。
【０００９】
高温で動作するＨＴＳ材料は、比熱容量が高いので、ワイヤの一セクションを通常状態にするのに必要なエネルギーはかなり高くなる。これが意味するのは、クエンチは、ＬＴＳ磁石においてよりもＨＴＳ磁石においての方がかなり生じにくくなるということである。しかしながら、これはまた、通常ゾーンの伝播速度が、かなり遅くなることも意味する。ＬＴＳ磁石における数メートル／秒と比較して数センチメートル／秒のオーダーとなる。クエンチは最初、磁石のわずかな体積にしか影響しないので、その領域のみが抵抗性となり、それゆえ、クエンチの間に散逸したエネルギーは当該わずかな体積の中に（すなわち、詳しくは、通常ゾーンからの電流が迂回される銅の中に）ダンプされる。このエネルギーの集中は、ＨＴＳテープに永久的な損傷、例えば、溶融、アーク放電等を引き起こし得る。これは、ＨＴＳ磁石が典型的には、液体冷却材槽に浸漬されるよりもむしろ間接的に冷却されることから、さらに悪化する。それにより、局所的な冷却パワーが、ＬＴＳ磁石と比べて低減される。
【００１０】
磁場に蓄積されるエネルギーは下式によって与えられる。
【数１】
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すなわち、磁束密度が大きくなればなるほど、及び体積が大きければ大きいほど、磁石の蓄積エネルギーは大きくなる。大きな磁石から解放されるエネルギーは、一本のダイナマイトと同様のオーダーとなり得る。ＬＴＳ磁石にとって、このエネルギーは、磁石全体を加熱するときに散逸し得る。クエンチ保護のないＨＴＳ磁石にとって、このエネルギーは、磁石の体積のわずかな部分において散逸し得る。一般に、大きなＨＴＳ磁石は、検出フェーズを含む能動的なクエンチ保護システムを必要とする。検出フェーズの間、クエンチは、著しい加熱が生じる前に検出される。当該加熱に引き続いての散逸フェーズの間、磁石の電流は、ホットスポット温度が高くなりすぎる前に急速にランプダウンされる。
【００１１】
現在までに（ＢＳＣＣＯ及びＲｅＢＣＯに被覆された導体を使用して）製造されている大抵のＨＴＳ磁石は、実際のところ、クエンチ保護を有しない。これは、当該磁石がほとんどは、蓄積エネルギーがほとんどない小型かつ低コストのプロトタイプだからであり、良好に設計されたＨＴＳ磁石におけるクエンチは、上述のように極めて低い確率となるはずだからである。したがって、ＨＴＳ磁石をクエンチ保護するべきか否かの決定は、本質的に経済的なものとなる。すなわち、小型のプロトタイプ磁石を、クエンチするという稀な事象において比較的容易に修理することができる。その結果、ＨＴＳ磁石のためのクエンチ保護技術は依然として未熟なままである。
【００１２】
ＨＴＳ磁石の一アプリケーションは、トカマク核融合炉である。トカマクは、核融合が生じ得るように高温の安定なプラズマを与えるべく、強いトロイダル磁場と、高いプラズマ電流と、通常は大きなプラズマ体積及び著しい補助加熱との組み合わせを特徴とする。補助加熱（例えば、数十メガワットの高エネルギーＨ、Ｄ又はＴの中性ビーム入射）は、核融合が生じ及び／又はプラズマ電流を維持するのに必要な十分高い値まで温度を上昇させる必要がある。
【００１３】
問題は、一般に必要とされる大きなサイズ、大きな磁場、及び高いプラズマ電流ゆえに、建設コスト及びランニングコストが高くなるのでエンジニアリングを、磁石システム及びプラズマの双方に存在する大きな蓄積エネルギーに対処するべく頑強にしなければならないことである。ここには、「ディスラプション」の習慣が存在する。すなわち激しい不安定性においてメガアンペア電流が千分の数秒でゼロまで減少する。
【００１４】
この状況は、従来型トカマクのドーナツ形状トーラスを限界まで収縮させ、芯が抜かれたリンゴの外観を有する「球状」トカマク（ＳＴ）によって改善することができる。英国ＣｕｌｈａｍのＳＴＡＲＴトカマクにおけるこの概念の最初の実現が、効率の大幅な向上を実証した。ホットプラズマを閉じ込めるべく必要な磁場が、１０分の１まで低減され得る。加えて、プラズマ安定性が改善され、建設コストが低減された。
【００１５】
経済的発電（すなわち入力電力よりも出力電力の方がはるかに大きい）に必要な核融合反応を得るべく、従来型トカマクは、（プラズマ体積にほぼ比例する）エネルギー閉じ込め時間を十分大きくしてプラズマを熱核融合が生じるだけ十分高温とするべく、巨大にする必要がある。
【００１６】
特許文献１は、中性子源又はエネルギー源としての使用を目的とするコンパクト球状トカマクの使用を含む代替的なアプローチを記載する。球状トカマクにおける低アスペクト比のプラズマ形状は、粒子閉じ込め時間を改善し、かなり小さな機械での正味発電を許容する。ただし、直径の小さな中心柱が必要であり、これが、プラズマ閉じ込め磁石の設計にとっての課題を提示する。
【００１７】
トカマクにとってのＨＴＳの一次的な魅力は、強磁場中で高電流を搬送する能力である。これは、中心柱の表面上の磁束密度が２０Ｔを超えるコンパクトな球状トカマク（ＳＴ）において特に重要となる。二次的な利点は、ＬＴＳよりも高い温度、例えば約２０Ｋにおいて、ＨＴＳが高磁場での高電流を搬送する能力である。これにより、液体ヘリウム（すなわち４．２Ｋ以下）を使用した動作が不可能になる中心柱の高中性子加熱をもたらす薄い中性子遮蔽の使用が可能となる。これによりひいては、プラズマ大半径が約２ｍ未満の、例えば約１．４ｍのような、球状トカマクの設計を考慮することが可能となる。このようなデバイスは、出力電力の数パーセントを極低温冷却に再利用する。
【００１８】
それにもかかわらず、かかる磁石は、ＨＴＳ材料を使用する従前の設計よりもかなり大きくなる。比較的小さなトカマクのためのトロイダル磁場（ＴＦ）磁石であっても、これまで作られた中でも極めて最大のＨＴＳ磁石となり、ＬＴＳ基準によってであっても高い蓄積エネルギーを有する大きな磁石を代表する。導体における臨界電流劣化に対処可能な徹底的に開発されたクエンチ保護システムが不可欠である。６０ｃｍの大半径で動作する球状トカマクに対するＴＦ磁石（約４．５Ｔ）の蓄積エネルギーは１５０〜２００ＭＪとなり、１４０ｃｍのトカマクに対するＴＦ磁石（約３Ｔ）の蓄積エネルギーは１２００ＭＪを超過する。
【００１９】
クエンチ保護システムの役割は、超伝導体から銅スタビライザへの電流の伝達を検出することによって、損傷を最小限にするべく始動後できるだけ早く、又は開始前のいずれかにおいて、局所的なクエンチすなわち「ホットスポット」を検出し、回路遮断器を開にして磁石の蓄積エネルギーを抵抗負荷にダンプすることである。エネルギーのダンプは、室温で磁石のクライオスタットの外側にある抵抗器に電流を流すことにより、又は磁石の「冷たい塊」を加熱して抵抗性にすることにより、達成され得る。オプションとして、磁石自体の蓄積エネルギーが使用されてクエンチが、人工的に超伝導コイルを高速伝播される（その結果、エネルギーが磁石全体を通して散逸するので、ホットスポットにおける急激な温度上昇を引き起こすよりもむしろ、徐々に暖められる）。人工的な伝播は、ＨＴＳ磁石において困難である。これは、磁石全体をクエンチさせるのに必要な熱がＬＴＳにおいてよりもはるかに大きく、現実的に実装が困難となるからである。
【００２０】
クエンチ保護システムが磁石への深刻な損傷を防止するためには、ホットスポットの温度を近似的に２００Ｋ未満に保持する必要がある。ホットスポットの温度がＨＴＳ磁石の動作温度であるほぼ２０Ｋから２００Ｋまで上昇するのにかかる時間は、導体に設けられた銅スタビライザの量に依存する。半径約３５ｃｍの中心柱で３５ＭＡを搬送する（すなわち約９０Ａ／ｍｍ２のエンジニアリング電流密度）コンパクト球状トカマクにおいては、クエンチ開始からエネルギーダンプがアクティブになるまでの時間は、ホットスポット温度を２００Ｋ未満に制限するべく０．５ｓ未満にする必要がある。これを達成することには２つの側面が存在する。クエンチ検出速度を改善すること（又はクエンチにつながりそうな条件を検出することであっても実際のクエンチが生じる前にエネルギーをダンプすることができる）、及びエネルギーダンプの速度を改善することである。
【００２１】
これまでの研究は、ＨＴＳ磁石のセクション、又はＨＴＳ／ＬＴＳ複合磁石のＬＴＳセクションを、ヒータの使用を介して意図的にクエンチさせることを提案している。例えば、トカマクのトロイダル磁場コイルにおいて、中心柱には限られた空間しか存在しないが、リターンリムには十分な空間が存在するので、リターンリムにヒータを追加して超伝導材料をクエンチして磁石エネルギーを、初期クエンチが生じる小領域よりもむしろリターンリムの大きなセクションにダンプすることができる。しかしながら、ヒータから超伝導材料へと熱を拡散させ、制御されたクエンチが生じるポイントまで加熱するには、わずかではあるが有意な時間がかかる。超伝導回路において意図的なクエンチを引き起こす高速な方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０３０５５４号
【発明の概要】
【００２３】
本発明の第１側面によれば、高温超電導体（ＨＴＳ）回路を含むデバイスが与えられる。
ＨＴＳ回路は、ＨＴＳ材料を含んで当該ＨＴＳ回路の他の要素に直列接続されたクエンチ可能セクションを含み、
当該ＨＴＳ材料は、少なくとも一つのＨＴＳテープを含むＨＴＳテープの積層体を含み、
デバイスはさらに、
クエンチ可能セクションにおいてＨＴＳ材料をクエンチさせるべく構成されたクエンチングシステムと、
ＨＴＳ回路における温度上昇を検出し、温度上昇の検出に応答して当該クエンチングシステムに、当該ＨＴＳ回路からの蓄積した磁気エネルギーを当該クエンチ可能セクションへとダンプするようにクエンチ可能セクションにおける超伝導材料をクエンチさせるべく構成されたクエンチ保護システムと
を含み、
ＨＴＳ回路は、使用時に、当該ＨＴＳテープ又は各ＨＴＳテープの磁場が、ＨＴＳテープのａｂ平面に実質的に平行になるように構成され、
クエンチングシステムは、クエンチ可能セクション内の当該又はそれぞれのＨＴＳテープの長さに沿って、ＨＴＳテープのａｂ平面に直交する成分を有する追加磁場を生成することによって、ＨＴＳ材料をクエンチさせるように構成される。
【００２４】
本発明の第２側面によれば、ＨＴＳテープを、当該テープのａｂ平面に一般に平行な磁場において意図的にクエンチさせるクエンチングシステムが与えられ、当該クエンチングシステムは、ａｂ平面に直交する成分を有して当該テープを貫通する第２磁場を生成するメカニズムを含む。
【００２５】
さらなる実施形態が請求項２以下に提示される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＨＴＳテープの臨界電流対磁場角度のグラフである。
【図２】典型的なクエンチングシステムの模式的な例示である。
【図３】典型的なＨＴＳケーブルの模式的な例示である。
【図４】図２のＨＴＳテープの臨界電流対時間のグラフである。
【図５】ステンレス鋼及び銅の熱容量対温度のグラフである。
【図６】ステンレス鋼及び銅の抵抗率対温度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
上述したように、超伝導材料は、材料内の電流が臨界電流に近づき、それを超えると、通常状態になる（すなわち抵抗を生じる）。高温超伝導体（ＨＴＳ）では、臨界電流は、超伝導材料の温度、磁場の強度、及びＨＴＳがさらされる磁場の方向に依存する。臨界電流は、温度が高くなること、磁場が強くなること、及び磁場と超伝導体のａｂ平面とのなす角度が大きくなることにより減少する。市販のＲｅＢＣＯ  ＨＴＳテープは大抵、ａｂ平面がほぼテープの平面に整合するが、３５度もの大きな角度だけ発散し得る（実際のところ、さらに高い発散もあり得る。３５度は単に、現在利用可能なテープの中での最高角度にすぎない）。簡潔のため、本開示の残りの部分は、ａｂ平面がテープの平面に整合すると仮定し、当業者は、これが当てはまらない場合には、テープに対して適切な修正をなし得ることを理解する
【００２８】
磁石を加熱することによってクエンチを引き起こす代わりに、又はそれに加えて、ＨＴＳテープが受ける磁場の角度を改変することによってクエンチを引き起こすシステムが以下に提案される。ＨＴＳテープの一次的な使用は、故障電流リミッタのような磁石及び他の高電流アプリケーションであるから、各ＨＴＳテープの外部磁場は、磁石のための設計によって、又は他のアプリケーションのための他の高電流ＨＴＳテープの存在ゆえに、既に非常に大きい場合が多い。しかしながら、図１に示されるように、臨界電流の印加磁場方向への依存性は極めて強いので、いくつかの市販テープでは、臨界電流は、１０度未満の磁場角度の変化により半減してしまう。ＨＴＳコイルの意図的なクエンチが可能なセクションは、１に近いＩ／ＩＣ比（一般にＨＴＳの使用量を低減するほど著しいコスト節約となる）で動作するように設計することができる。
【００２９】
このシステムは、クエンチ予定のＨＴＳテープを包含する磁石のコイルセクションが、磁場がＨＴＳ  ＲｅＢＣＯ層のａｂ平面にほぼ整列するように配列されるときに最良の性能を示した。これにより、テープの臨界電流が、当該磁束密度及び温度において可能な最大限又はそれに近くなることが保証される。磁場がその後、正しい方向に回転されると、臨界電流は輸送電流未満になるまで急激に低下する。そして、影響を受けたコイルセクションがクエンチし、クエンチされたセクションを暖める熱を発生するので、磁場パルスの終了後に臨界電流が回復できないことが保証される。
【００３０】
かかるクエンチ開始システムは、当該コイル内のテープの一部又はすべてにおいてａｂ平面に直交する磁場を生成するように設計する必要があるので、余分な直交磁場にさらされるテープの臨界電流の合計が（コイル内のテープのすべてとなり得る）テープの電流未満となる。最も効率的な方法は、テープのａｂ平面に直交する（すなわちＨＴＳのｃ軸に平行な）大きな成分を有する磁場を生成することである。この磁場は、既存の外部磁場と組み合わされると、ａｂ平面に対する一定角度にテープをクエンチするのに十分な磁場をもたらす。しかしながら、ａｂ平面に平行でない任意角度で磁場を生成することも可能である。ただし、かなり強力な磁場が必要となる。
【００３１】
かかる磁場を生成する一つの簡単な方法は、図２に示されるように、ＨＴＳテープ２０１の長さに平行に延びて当該ＨＴＳテープのａｂ平面に存在するワイヤ２０２に電流を流すことである。かかるワイヤまわりの磁場２０３は、ＨＴＳテープと交差して当該テープのｃ軸に平行になる（すなわち当該テープに直交する）。この磁場は、同様のワイヤ２０４をＨＴＳテープの反対側に延ばして反対方向の電流を搬送することによって強化することができる。ＨＴＳテープ２０２をクエンチさせるべく、ワイヤ２０１、２０４を通るように電流パルスが送られ、当該ワイヤには、当該テープに直交する磁場が発生する。この磁場は、既存の磁場と組み合わされると、当該テープが見る磁場を瞬間的に回転させる効果を有する。この磁場の効果によってＨＴＳテープ２０２がひとたび通常状態になると、これにより引き起こされる熱は一般に、完全なクエンチをもたらす。電流パルスの長さは、完全なクエンチを確保する必要性（パルスが長ければ長いほど確実になる）と、（高電流を抵抗線に流すことによって引き起こされる）ワイヤ２０１、２０４の損傷を回避する必要性との間のバランスである。
【００３２】
磁場パルスは、パルス磁場生成コイルが急速に加熱し、そのコイルを通る高ＤＣ電流を維持するのに必要な電圧が増加するので、必然的に短い持続時間となる。パルス生成コイルを流れる大電流を駆動するには、典型的に数千ボルトの大きな転移電流が必要とされるので、磁気コイルは電気的に絶縁する必要がある。しかしながら、パルス生成コイルの導体は、可能な限り最大のパルス磁場を生成するべく、クエンチ予定の磁石コイルセクションの導体間に、かつ、当該導体の近くに配置する必要がある。さらに、パルス生成コイルからの熱パルスが磁石コイル内に拡散し、さらにはクエンチが伝播することを許容するべく、パルス磁場及び磁石導体を、（適切な電圧分離に整合する）可能な限り良好な熱接触状態にする必要がある。
【００３３】
隣接するパルス生成器コイルのターンにおいて電流の方向を交互にする配列が、低インダクタンスの巻線をもたらす。これは、パルスの立ち上がりエッジのとき及び立ち下がりエッジのときに、電流を急速に変化させることによって発生する誘導電圧を低減するというさらなる利点を有する。
【００３４】
一対のワイヤ２０１、２０４を使用することのさらなる利点は、当該一対のワイヤから遠くにある追加磁場が小さいことである。各ワイヤによる磁場が、当該ワイヤ間の距離と比べて長い距離で互いに打ち消し合う傾向があるからである。
【００３５】
各ＨＴＳテープにおける一次磁場が当該ケーブル内の他のテープに由来する状況において使用されるクエンチ可能ＨＴＳケーブルのための構造が、図３に示される。かかるテープは、ＤＣ電力伝達アプリケーションにおいて、又はトロイダル磁場コイルのリターンリムの外側部分のような低磁場セクションを有する磁石において、使用され得る。同様の原理は、他の状況において使用されるＨＴＳケーブルにも当てはまり得るが、当該ケーブル内のＨＴＳテープの配列は異なる。
【００３６】
ＨＴＳケーブル３００は、ＨＴＳテープ又はテープの積層体３０１と、ワイヤ３０２、３０３とを含む。このＨＴＳテープは、テープ３０１におけるＲｅＢＣＯ  ＨＴＳ層のａｂ平面が、ケーブル３００の半径に直交するように配列される。パルス生成ワイヤ３０２、３０３は、ＨＴＳテープ積層体３０１のそれぞれの間に一つのワイヤを有するように配列される。ワイヤ３０２は、（図３の「ページから出る」）一方向に電流を搬送し、ワイヤ３０３は、（図３の「ページに入る」）反対方向に電流を搬送する。各ＨＴＳテープ積層体３０１は、一方向に電流を搬送する一つのワイヤ３０２と、反対方向に電流を搬送する一つのワイヤ３０３とに隣接する。この配列の効果は、パルス電流がワイヤ３０２及び３０３を通過するときに各ＨＴＳテープ３０１が、ＨＴＳテープ３０１のｃ軸に平行に印加される追加のパルス磁場を受けることである。これにより、ＨＴＳテープ積層体の臨界電流が低減される。
【００３７】
かかるワイヤ配列に電流を容易に供給することができるのは、隣接する各対の上下を交互に接続して得られた直列回路に電流を流すことによる。しかしながら、並列接続スキームによる他の配列も可能である。これにより、実際のパルス電流生成器の電流領域及び電圧領域にアクセスすることが許容される。
【００３８】
ＨＴＳテープの近くにある抵抗性コンポーネントを流れる電流を介して制御可能なパルス磁場を与えることにより、当該抵抗性コンポーネントもまた発熱する。これにより、（熱が拡散するのに時間がかかるので、さらに遅れた後に）ＨＴＳテープの臨界電流はさらに低減される。図２に係るシステムに対する臨界電流対時間の典型的なグラフが、図４に示される。クエンチは、ＨＴＳ回路のどこかで時刻Ｔ０に生じ、クエンチ可能セクションの臨界電流はその通常値４０１となる。短い遅延の後、時間Ｔ１においてクエンチが検出され、電流パルスがワイヤ２０１、２０４に送られる。これにより、ＨＴＳテープの臨界電流が急激に低下し４０２、ＨＴＳテープにおける電流４００未満の値になり、ＨＴＳテープのクエンチが（磁場角度のシフトを受ける全長に沿って）引き起こされる。臨界電流の低下４０２は、電流パルスの少し後の時刻Ｔ２に生じる。電流パルスはＨＴＳケーブルの金属部分に、磁束の変化に対抗するように作用する渦電流を誘導する。電流パルスに引き続き、ＨＴＳテープの臨界電流は（外部磁場が再び主平面と実質的に整列すると）再び上昇するが、ＨＴＳテープにおけるクエンチにより引き起こされる加熱ゆえに以前より低い値４０３となる。その後まもなく、時刻Ｔ３において臨界電流は、ワイヤ２０１、２０４を流れる電流からの熱が介在構造物を通ってＨＴＳに拡散するので、再び低下する４０４。電流パルスに続く臨界電流が、ＨＴＳテープをクエンチ状態のままに保つのに十分ではなかったとしても、この臨界電流の追加的な低下により、クエンチ状態の維持の発生が保証される。
【００３９】
電流パルスの長さ、ＨＴＳケーブルの磁気的及び電気的特性、並びにワイヤ２０１、２０４とＨＴＳテープ２０２との熱接触の程度に応じて、電流パルスからの熱は、その電流パルス自体によって引き起こされるパルス磁場のとき又は後に到達し得る。
【００４０】
以上、ＨＴＳ回路のクエンチ可能セクションのクエンチのためのクエンチングシステムについて説明した。ＨＴＳ回路の完全なクエンチ保護システムを与えるべく、クエンチ可能セクションがＨＴＳ回路の他のコンポーネントと直列に設けられ、クエンチ検出システムが、ＨＴＳ回路内のクエンチを検出し、それに応答して、当該クエンチングシステムに当該クエンチ可能セクションをクエンチさせるように構成される。クエンチ可能セクションは、当該クエンチ可能セクションの温度を第１所定温度（例えば、クエンチ可能セクション内のスタビライザの溶融を防止するには７００Ｋ、熱膨張差によるクエンチ可能セクションの歪みを許容範囲内に維持するには２００Ｋ、又は冷却システムの安定性を確保するには１００Ｋ若しくは５０Ｋ）未満に維持するのに十分な熱容量と、当初のクエンチされたＨＴＳ（「ホットスポット」）の温度を第２所定温度（例えば、７００Ｋ、３００Ｋ、１００Ｋ又は５０Ｋ）未満に維持するべく、磁石の電流を迅速に減衰させるのに十分な抵抗率とを有する必要がある。これは、クエンチ可能セクションに非超伝導スタビライザを設けるによって達成することができる。この非超伝導スタビライザは、金属を含む。体積熱容量に対する抵抗率の比が銅よりも大きな金属、例えばステンレス鋼、を含む。
【００４１】
ＨＴＳ回路からエネルギーを効果的にダンプして当該回路への損傷リスクを最小限にするべく、クエンチ可能セクションは、ＨＴＳ回路内の電流を迅速に低減するべく十分高い、超伝導でないときの抵抗（「通常抵抗」）と、磁石の蓄積エネルギーを、確実に溶融なしに、好ましくは室温を大幅に超えることなしに、吸収するべく十分高い熱容量とを有してよい。ＨＴＳクエンチ時のホットスポット温度は、クエンチ可能セクションの、（選択された材料の抵抗率によって部分的に決定され得る）通常抵抗によって決定され、当該クエンチ可能セクションにおける超伝導体の最大温度は主に、当該クエンチ可能セクションの熱容量によって決定される。クエンチ可能セクションがトロイダル磁場コイルのリターンリム内に設けられる場合のような、クエンチ可能セクションの長さが制約されるＨＴＳ回路において、これらは相反する要件となる。熱容量は、クエンチ可能セクションの断面積の増加によって（例えばクエンチ可能セクションにおける非超伝導スタビライザの断面積を増加させることによって）増加し得るが、同時に通常抵抗を低減させる。非超伝導スタビライザとして銅以外の材料を使用することにより、通常抵抗が低くなりすぎることなく、増加した熱容量を与えることができる。例えば、図５及び図６に示されるように、ステンレス鋼の熱容量（５０１）は銅の熱容量（５０２）と同様であるが、ステンレス鋼の電気抵抗率（６０１）は銅の電気抵抗率（６０２）よりも高い。一般に金属は、その金属の体積熱容量に対する抵抗率の比が銅の当該比よりも大きい場合、かかるアプリケーションにとって適切となる。
【００４２】
銅スタビライザに加えて非銅スタビライザも、例えば、ステンレス鋼マトリクス内に市販の銅スタビライザ付き超伝導体を設けることにより、組み入れることができる。銅とステンレス鋼との比は、超伝導体の温度を特定値、例えばコイルのエネルギーすべてがクエンチ可能セクションにダンプされる場合は３００Ｋ、に制限するように調整する必要がある。磁石をダンプするときの輸送電流の減衰速度は、クエンチ可能セクションのインダクタンス及び温度依存性抵抗に依存する。
【００４３】
ＨＴＳ回路が磁場生成コイルである場合、クエンチ可能セクションは、磁場に寄与するように配列してよく、代替的に、非誘導的に（すなわち磁場に有意に寄与することがないように）配列してもよい。前者の配列は、トロイダル磁場コイルのような、関心領域（球状トカマクにおいて中心柱に近いＴＦコイルの場合はプラズマ半径）にある磁場の有意な部分に寄与することがないセクション（すなわちリターンリム）を有する磁場コイル、に対して特に有用である。これにより、クエンチングシステムをリターンリムのＨＴＳケーブル内に容易に配置することができる。リターンリムにおける電流密度の結果的な希釈は、ＴＦ磁石の性能にとって著しく有害とはならない。
【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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【国際調査報告】
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