(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状トカマクにおける使用のためのトロイダル磁場コイルであって、
前記トロイダル磁場コイルは、中心柱、及び複数のリターンリムを含み、
前記中心柱は、複数の剥離ＨＴＳテープを含み、
前記リターンリムは、複数の基板付きＨＴＳテープを含み、
各剥離ＨＴＳテープが、各側面が対応金属インタフェイス層に接合されたＲｅＢＣＯ層を含み、各金属インタフェイス層が金属スタビライザ層に接合され、
各基板付きＨＴＳテープが、一側面が金属インタフェイス層に、他側面が酸化物バッファ積層に接合されたＲｅＢＣＯ層を含み、前記金属インタフェイス層は金属スタビライザ層に接合され、前記酸化物バッファ積層は基板に接合される、トロイダル磁場コイル。
【請求項２】
各金属インタフェイス層が銀から形成される、請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
【請求項３】
各スタビライザ層が、銅、アルミニウム、銀、ステンレス鋼又は黄銅から形成される、請求項１又は２に記載のトロイダル磁場コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は核融合炉に関する。詳しくは、本発明は、トカマクプラズマ容器を含む核融合炉とともに使用するためのトロイダル磁場コイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導材料は典型的に、「高温超伝導体」（ＨＴＳ）及び「低温超伝導体」（ＬＴＳ）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ホウ化マグネシウム（ＭｇＢ２）を含む。
【０００３】
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積層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のバッファ積層を覆い、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。
【０００４】
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。バッファ積層５０２は、ＨＴＳ層が成長する２軸配向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（「ノーマル」状態に入る）事象において、代替電流経路を与える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／２３２９８８（Ａ１）号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】VYACHESLAV SOLOVYOV ET AL: “Exfoliated YBCO filaments for second-generation superconducting cable”, SUPERCONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP PUBLISHING, TECHNO HOUSE, BRISTOL, GB, vol. 30, no. 1, 15 November 2016, page 14006
【発明の概要】
【０００７】
本発明によれば、球状トカマクにおける使用のためのトロイダル磁場コイルが与えられる。トロイダル磁場コイルは、中心柱、及び複数のリターンリム（ｌｉｍｂ）を含む。中心柱は、複数の剥離ＨＴＳテープを含み、リターンリムは、複数の基板付きＨＴＳテープを含む。各剥離ＨＴＳテープが、各側面が対応金属インタフェイス層に接合されたＲｅＢＣＯ層を含み、各金属インタフェイス層が金属スタビライザ層に接合される。各基板付きＨＴＳテープが、一側面が金属インタフェイス層に、他側面が酸化物バッファ積層に接合されたＲｅＢＣＯ層を含む。金属インタフェイス層は金属スタビライザ層に接合され、酸化物バッファ積層は基板に接合される。
【０００８】
各金属インタフェイス層が銀から形成されてよい。各金属スタビライザ層が、銅、アルミニウム、銀、ステンレス鋼、又は黄銅から形成されてよい。
【０００９】
一実施形態において、各リターンリムは、クエンチ可能セクションを含む。クエンチ可能セクションは、基板付きＨＴＳテープと、当該基板付きＨＴＳテープに隣接して配置された加熱器とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】「基板付き」ＲｅＢＣＯテープの構造を示す。
【図２】テープのＲｅＢＣＯ層の例示である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ＲｅＢＣＯテープの製造における近年の進歩により、長いセクションのＲｅＢＣＯを、「剥離」すること、すなわち基板層から無傷のまま取り外すこと、が許容されるようになっている。得られる剥離ＲｅＢＣＯは、先に基板が付着された側が銀によって被覆され、その側の銀に第２のスタビライザ層（例えば銅、黄銅、アルミニウム、銀又はステンレス鋼）が付着されて（又は銀被覆ＲｅＢＣＯがスタビライザ内にカプセル化されて）「剥離ＨＴＳテープ」が形成される。スタビライザの電気抵抗は一般に、多くのテープが配列されて積層又はケーブルになる適切な基板材料（例えばハステロイ）の電気抵抗よりも著しく小さいので、剥離ＨＴＳテープ間の電流伝達は、同じ断面積を有する「剥離」ＨＴＳテープ（すなわち基板付きの従来型ＨＴＳテープ）よりも大きくなる。これにより、積層におけるクエンチ伝播の可能性を低減すること、ひいては安定性を改善することができる。代替的に、基板付きＨＴＳテープと同等の安定性を与える剥離ＨＴＳテープを、小さな断面積で作ることができるので、剥離ＨＴＳテープから作られたケーブルにおいて、著しく大きな電流密度を許容することができる。
【００１２】
図２は、テープの幅方向に部分的に延びる傷２０２を有するＲｅＢＣＯ層２０３の模式的な例示である。傷は、小さな領域をノーマル（すなわち非超伝導）にするテープにおけるクラック、結晶的欠陥、化学的欠陥、又は他の傷であってよい。モデリングにより、電流Ｉが臨界電流ＩＣのＸ％未満のときに個々の傷２０２の幅ＷＣがＲｅＢＣＯ層２０３の幅ＷＴの（１００−Ｘ）％となる場合、当該ＲｅＢＣＯから隣接層への電流漏洩が存在しないこと、すなわち（ＷＴ−ＷＣ）／ＷＴ＜Ｉ／ＩＣの場合に電流漏洩が存在しないこと、が見出されている。これよりも大きな電流値に対しては、当該電流のある程度の比率がスタビライザ層へと漏洩する。電流が銅へと漏洩するテープの幅方向距離は、Ｉ／ＩＣと（ＷＴ−ＷＣ）／ＷＴとの比率に依存する。すなわち、電流の比率が傷幅の比率に近い場合、電流は長い距離を漏洩し、電流の比率が増加するにつれて電流が漏洩する距離は減少する。基板付きＨＴＳテープに対しては、主に、スタビライザ層への電流漏洩が発生し、相対的に高抵抗の基板へと漏洩する電流は極めて小さい。剥離ＨＴＳテープによれば、テープの両側に低電気抵抗のスタビライザ層が存在するので、電流は両側に漏洩することができる。これが意味するのは、漏洩する電流が受ける抵抗が低くなるほど、当該電流漏洩に起因する損失が、基板付きＨＴＳテープと比べて低減されるということである。これは、局所加熱効果を低減させるように作用し、ひいては安定性が向上する。
【００１３】
多層の剥離ＨＴＳテープが積層され又は組み合わされてケーブルが形成される場合、クラックに起因して一つのテープから漏洩する電流は、当該ケーブル内の他のテープへと伝達されるので、これらのテープは、ケーブルの全体的な抵抗を最小限にするように電流を共有する傾向がある。したがって、剥離テープを使用する利益は、ケーブル内のＲｅＢＣＯの密度をかなり高くすることにより、当該ケーブルにおけるＨＴＳテープすべての全電流容量を用いることができる点にある。
【００１４】
球状トカマク炉のトロイダル磁場コイルに対しては、中心柱における剥離ＨＴＳテープの使用により、当該中心柱の電流密度を、基板ＨＴＳテープにより達成され得る電流密度よりも著しく大きくすることができる。リターンリムにおいては、剥離ＨＴＳテープを使用することの利点はほとんど存在しない（リターンリムにおける電流密度は重要な設計因子ではないため）。
【００１５】
リターンリムは、クエンチ保護システムにおいて使用することができる。ここで、リターンリムは、磁石のいずれかの場所でクエンチが検出されると意図的にクエンチされる「クエンチ可能セクション」を有する。その結果、磁石のエネルギーは、リターンリムのスタビライザへとダンプされ、導体がウォームアップされる。これは英国特許出願第１７０３１３２．９号に記載されている。磁石からのエネルギーを有効にダンプするべく、クエンチ可能セクション１２２は、超伝導状態でないときの抵抗（「ノーマル抵抗」）を、磁石における電流を急速に低減するのに十分高くする必要があり、かつ、熱容量を、確実に溶融のないように、好ましくは室温をかなり上回るような上昇のないように、又は最も好ましくは２００℃を上回ることのないように、磁石に蓄積されたエネルギーを吸収するのに十分高くする必要がある。当初の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ノーマル抵抗（これは部分的に、選択された材料の抵抗率によって決定することができる）によって決定され、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、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の長さは、空間が制約される中心柱における加熱器の使用を回避するべく、ある程度の制限を受けるので、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、同時にノーマル抵抗を低減させる。
【００１６】
かかるクエンチ可能セクションにとって、基板付きＨＴＳテープの基板は実際のところ、利点となる。基板として典型的な材料（例えばハステロイ）は、銅よりも体積熱容量に対する抵抗率の比が高いからである。さらに、基板付きＨＴＳテープは、剥離ＨＴＳテープの製造方法が改善されても、剥離ＨＴＳテープよりも安価でありかつ長い長さが取得できる可能性が高い。そのため、概要を上述したクエンチ保護システムが使用されないとしても、リターンリムにおいて使用する利点が依然として存在する。
【００１７】
したがって、中心柱が剥離ＨＴＳテープを含みかつリターンリムが基板付きＨＴＳテープを含む球状トカマクのためのトロイダル磁場コイルを与えることが有利となる。
【要約】球状トカマクにおける使用のためにトロイダル磁場コイルが開示される。トロイダル磁場コイルは、中心柱、及び複数のリターンリムを含む。中心柱は、複数の剥離ＨＴＳテープを含み、リターンリムは、複数の基板付きＨＴＳテープを含む。各剥離ＨＴＳテープが、各側面が対応金属インタフェイス層に接合されたＲｅＢＣＯ層を含み、各金属インタフェイス層が、金属スタビライザ層に接合される。各基板付きＨＴＳテープが、一側面が金属インタフェイス層に、他側面が酸化物バッファ積層に接合されたＲｅＢＣＯ層を含み、金属インタフェイス層は金属スタビライザ層に接合され、酸化物バッファ積層は基板に接合される。【図１】
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【図２】
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