(57)【要約】超伝導磁石をクエンチから保護する方法であって、超伝導磁石は、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む少なくとも一つの一次コイルを有する。二次ＨＴＳテープが設けられる。二次ＨＴＳテープは、一次コイルに近接し当該一次コイルから電気的に絶縁され、磁石の動作中に当該一次コイルよりも低温において超伝導を終了させるように構成される。二次ＨＴＳテープにおける超伝導性の喪失が検出される。当該検出に応答してエネルギーが一次コイルから外部抵抗性負荷へとダンプされる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導磁石をクエンチから保護する方法であって、
前記超伝導磁石は、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む少なくとも一つの一次コイルを含み、
前記方法は、
二次ＨＴＳテープを設けることと、
前記二次ＨＴＳテープにおける超伝導性の喪失を検出することと、
前記検出に応答して前記一次コイルから外部抵抗性負荷へとエネルギーをダンプすることと
を含み、
前記二次ＨＴＳテープは、前記一次コイルに近接して存在して前記一次コイルから電気的に絶縁され、前記磁石の動作中に前記一次コイルよりも低温で超伝導を終了させるように構成される方法。
【請求項２】
前記磁石の動作中において、前記二次ＨＴＳテープにおける電流は、その臨界電流に対する割合が、前記一次コイルにおける電流よりも高くなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記二次ＨＴＳテープは一対のテープとして設けられ、
前記テープは、対向方向の電流を搬送し、互いに平行かつ隣接するように配置される請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
超伝導性の喪失を検出することは、前記二次ＨＴＳテープの２点間の所定値の過剰電圧差を検出することを含む請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記二次ＨＴＳテープが超伝導を終了させる温度と前記一次コイルのＨＴＳテープが超伝導を終了させる温度との差は、約５ケルビンから約８０ケルビンである、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む少なくとも一つの一次コイルを有する超伝導磁石とともに使用されるクエンチ保護システムであって、
前記磁石の一次コイルに隣接して配置されて前記一次コイルから絶縁されるように構成されるとともに、前記磁石の動作中に前記一次コイルよりも低温において超伝導を終了させるように構成された二次ＨＴＳテープと、
前記二次ＨＴＳテープにおける超伝導性の喪失を検出するように構成された検出ユニットと、
前記検出に応答してエネルギーを前記一次コイルから外部抵抗性負荷へとダンプさせるように構成されたクエンチ保護ユニットと
を含むシステム。
【請求項７】
前記二次ＨＴＳテープは、互いに平行かつ隣接するように配置されて対向方向の電流を搬送するように構成された一対のＨＴＳテープを含む請求項７に記載のクエンチ保護システム。
【請求項８】
超伝導磁石であって、
一次コイルと、
請求項７又は８に記載のクエンチ保護システムと
を含み、
前記一次コイルは高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む超伝導磁石。
【請求項９】
核融合炉のためのトロイダル磁場コイル又はポロイダル磁場コイルであって、
高温超伝導体（ＨＴＳ）材料と、
請求項７又は８に記載のクエンチ保護システムと
を含むトロイダル磁場コイル又はポロイダル磁場コイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超伝導磁石におけるクエンチ保護に関する。詳しくは、本発明は、高温超伝導体を含む磁石において予防策をとり得るように、可能性のあるクエンチを識別する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る電磁石である。磁石コイルは抵抗がゼロなので、超伝導磁石は、ゼロ損失で高電流を搬送することができ（ただし、非超伝導コンポーネントによるある程度の損失は存在する）、従来型の電磁石よりも低い損失で高磁場を達成することができる。
【０００３】
超伝導性は、一定の材料においてのみ、かつ、低温においてのみ生じる。超伝導材料が超伝導体として振る舞うのは、超伝導体の臨界温度（材料がゼロ磁場において超伝導体となる最高温度）と、超伝導体の臨界磁場（材料が０Ｋにおいて超伝導体となる最高磁場）とにより画定される領域においてである。超伝導体の温度、及び磁場は、超伝導体が抵抗性とならずに超伝導体により搬送可能な電流の限界を提示する。
【０００４】
概して、超伝導材料には２つのタイプが存在する。低温超伝導体（ＬＴＳ）は３０〜４０Ｋ未満の臨界温度を有し、高温超伝導体（ＨＴＳ）は３０〜４０Ｋを上回る臨界温度を有する。多くの現行ＨＴＳ材料は、７７Ｋを上回る臨界温度を有するので、冷却用の液体窒素の使用が許容される。
【０００５】
超伝導磁石において生じ得る一つの問題が、クエンチである。クエンチは、超伝導コイルの一部が抵抗性の状態に入る場合に生じる。これは、温度若しくは磁場の変動ゆえに、又は（例えば核融合炉において磁石が使用される場合の中性子照射により）超伝導体の物理的な損傷若しくは欠陥ゆえに、生じ得る。磁石に存在する高電流ゆえに、超伝導体のわずかな一部であっても抵抗性になると、迅速に加熱される。ＬＴＳ磁石において、これは、周囲領域の温度を迅速に上昇させる。これにより周囲領域も抵抗性となる。これは連鎖反応で連続し、磁石全体が極めて急速に（コイルのサイズに応じて数秒までに）抵抗性となり得る。
【０００６】
ＨＴＳ磁石にとって温度マージンが大きくなればなるほど、及び高温における材料の比熱が高くなればなるほど、ＨＴＳ磁石におけるクエンチはそれほど迅速には伝播しない。これにより、磁石には大きな損傷がもたらされる。磁石におけるエネルギーすべてが極めて小さな抵抗性体積に堆積されるからである。
【０００７】
クエンチは、熱に変換されるエネルギーを磁石にもたらすので、任意の液体冷却材は気化し、磁石への永久的な損傷を引き起こし得る。磁場に蓄積されるエネルギーは、以下の式により与えられる。
【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、かつ、体積が大きくなればなるほど、磁石に蓄積されるエネルギーは大きくなる。強力な磁石により解放されるエネルギーは、一本のダイナマイトが爆発するのと同様のオーダーとなり得る。
【０００８】
クエンチを管理する従来型のアプローチは、外部抵抗性負荷を与え、局所的なクエンチが検出される場合に、当該外部抵抗性負荷の中に電流を「ダンプ」させることである。これの単純化された回路を、図１に示す。通常動作中において、スイッチ１は閉であり、スイッチ２は開である。これにより、電圧ダンプが短絡される。クエンチが検出されると、スイッチ２が閉とされ、スイッチ１が開とされる。これにより電源が短絡され、超伝導磁石からの電流が強制的に、一定電圧ダンプ（すなわち外部抵抗性負荷）に通される。ＨＴＳ磁石にとって、電流は、当初のホットスポットから離れた磁石のセクションの中にダンプされ得る。その結果、エネルギー付与がコイルの多くの部分にわたって広がるので、任意の一つのスポットにおける温度上昇が制限される。
【０００９】
図２に示されるように、ＨＴＳテープ１１は、ケーブルのような伝導体を形成するべく複数層の銅１２の間に挟み込まれる。銅スタビライザ１２は、ＨＴＳテープ１１に対する外部抵抗性負荷として作用する。銅スタビライザ１２は、クエンチ中の過剰電流（電流の流れ１４により示される）を迂回させるように作用するとともに、熱の一部を除去する。クエンチの初期ホットゾーン１３が加熱する速度は、ＨＴＳ伝導体における銅の量を増加させることにより銅の抵抗性が減少してその熱容量が増加するので、低減することができる。
【００１０】
しかしながら、小さな直径の伝導体が所望されるアプリケーションでは、銅スタビライザは伝導体のサイズを有意に増加させる。例えば、球状トカマク核融合炉において、中心柱は、装置のサイズ及びコストを可能な限り小さく維持して（アスペクト比を増加させることとプラズマの内側表面における磁場を増加させることとの双方により）当該炉の効率を増加させるべく、可能な限り小さくする必要がある。伝導体を薄くすることは、いずれのアプリケーションにおいても磁石をコンパクトに作り得ることにより、一定のジオメトリにおいて利用可能な磁場を増加させることを意味する（すなわち、電流からの距離により磁場が変化するジオメトリに対しては、厚い層の銅を有することにより、電流と、磁場が使用されるエリアとの間の距離が増加する）。
【００１１】
クエンチを迅速に検出してダンプシステムを迅速に起動することができれば、必要な銅の量を低減することができる。しかしながら、過度に敏感な検出システムでは、誤ったトリガが生成されがちとなり、磁石に不必要なシャットダウンがもたらされる。したがって、最小のノイズにより最速の可能性のあるクエンチ検出を得ることが重要となる。
【００１２】
図３は、２秒のダンプ起動時間によるクエンチ中のホットスポット温度のグラフを示す。温度は３０Ｋから２１７Ｋまで上昇する。しかしながら、クエンチが検出されてダンプスイッチが１秒以内に開になると、同じ温度上昇に対して銅の量を有意に低減させることができる（この場合、当初の断面積の８３％まで低減される）。
【００１３】
クエンチを検出する従来型のアプローチは、超伝導コイルの両端間に電圧タップを使用することである。本質的には、コイルの両端間の電圧が測定され、特定帯域の電圧の外側において任意の電圧が検出される場合、これが、コイルの一部が抵抗性となってクエンチが開始する兆候となる。しかしながら、初期のホットゾーンは一般に極めて小さいので、抵抗（ひいては生成される電圧）は低い。磁石の励磁中、相殺しようと努力しても誘導性の電圧効果も存在するので、抵抗性の電圧を無力化することができる。ノイズが多いバックグラウンド信号から真のクエンチ信号をフィルタリングすることは、時間がかかり、エラー率が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１１−２３８４５５号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０６３７９９（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【００１５】
一側面によれば、超伝導磁石をクエンチから保護する方法が与えられ、超伝導磁石は、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む少なくとも一つの一次コイルを有する。二次ＨＴＳテープが設けられ、当該二次ＨＴＳテープは、一次コイルに近接して存在して当該一次コイルから電気的に絶縁され、磁石の動作中に当該一次コイルよりも低温において超伝導を終了させるように構成される。二次ＨＴＳテープにおける超伝導性の喪失が検出される。上記検出に応答して、一次コイルからのエネルギーが外部抵抗性負荷へとダンプされる。
【００１６】
磁石の動作中、二次ＨＴＳテープにおける電流は、その臨界電流に対する割合が、一次コイルにおける電流よりも高くなる。
【００１７】
二次ＨＴＳテープは一対のテープとして設けられ、当該テープは、対向方向の電流を搬送し、互いに平行かつ隣接するように配置される。
【００１８】
超伝導性の喪失を検出することは、二次ＨＴＳテープの２点間の、所定値の過剰電圧差を検出することを含み得る。
【００１９】
第２の側面によれば、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む少なくとも一つの一次コイルを有する超伝導磁石とともに使用されるクエンチ保護システムが与えられる。システムは、二次ＨＴＳテープ、検出ユニット及びクエンチ保護ユニットを含む。二次ＨＴＳテープは、磁石の一次コイルに近接して配置され、当該一次コイルから絶縁され、当該磁石の動作中に一次コイルよりも低温において超伝導を終了させるように構成される。検出ユニットは、二次ＨＴＳテープにおける超伝導性の喪失を検出するように構成される。クエンチ保護ユニットは、上記検出に応答して、エネルギーが一次コイルから外部抵抗性負荷へとダンプされるように構成される。
【００２０】
二次ＨＴＳテープは、互いに平行かつ隣接するように配置されて対向方向の電流を搬送するように構成された一対のＨＴＳテープを含み得る。
【００２１】
さらなる側面によれば、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料を含む一次コイルと、第２の側面に係るクエンチ保護システムとを含む超伝導磁石が与えられる。
【００２２】
なおもさらなる側面によれば、核融合炉のためのトロイダル磁場コイル又はポ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又はポロイダル磁場コイルは、高温超伝導体（ＨＴＳ）材料と、第２の側面に係るクエンチ保護システムとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】クエンチ保護システムの一部の回路図である。
【図２】ＨＴＳ伝導体におけるホットスポットを模式的に例示する。
【図３】典型的なＨＴＳ伝導体におけるホットスポットに対する温度対時間のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
高速かつ高信頼性のクエンチ検出を与えるには、クエンチ検出信号を不明瞭にするノイズを低減するか、又は当該信号自体を増加させるかのいずれかが必要となる。従来型の方法と比べて大幅に改善された検出速度及び信頼性を与える解決策が以下に提案される。
【００２５】
第２の解決策は、「カナリアテープ」の使用を含む。二次ＨＴＳテープが、磁石の（「一次」）コイルに近接して設けられる。二次テープは、磁石の動作中に低温において、例えば一次コイルが超伝導を終了する温度よりも低い約５Ｋから約８０Ｋまでの温度において、超伝導を終了させるように構成される。二次ＨＴＳテープは、例えば中性子照射又は化学エッチングにより物理的に弱められてもよく、又は一次コイルのＨＴＳよりも臨界温度が低い代替的なＨＴＳ材料からのものでもよい。
【００２６】
二次ＨＴＳテープは、一次コイルよりも低温において超伝導を終了させるので、一般には一次コイルよりも早く抵抗性となり、又はホットスポットが一次コイルに形成される場合には迅速に抵抗性となる。したがって、二次テープの両端間の電圧は、一次テープにおいてクエンチの可能性があるとの指標とみなすことができる。二次テープは、磁石の機能にとって必要とされるわけではないので、クエンチの検出は、二次ＨＴＳテープの両端間の電圧降下が、電気的ノイズから容易に目立つほど十分に大きくなるまで待つことができる。これにより、誤った警報のリスク、ひいては信号の検出に必要な処理（及び時間）が大幅に低減される。ひとたびクエンチが検出されると、クエンチ検出システムは、磁石におけるエネルギーを外部抵抗性負荷へとダンプさせて、クエンチの効果を軽減する。
【００２７】
一つの実施形態において、二次ＨＴＳテープは、互いに平行かつ隣接するように配置されて対向方向に電流を搬送する一対のテープとして設けられる。これにより、二次テープにより生成される磁場が実質的に相殺されることが保証され、当該二次テープにより囲まれたループのサイズが最小となり誘導性の効果が低減されることが保証される。
【００２８】
二次テープは、当該二次テープがクエンチの事象において当該一次コイルを保護するべく極めて少量の銅で済むように、一次コイルよりもかなりの低電流を搬送してよい。一つの実施形態において、二次テープは、使い捨て可能に取り扱われ、保護がほとんど又は全くなくともよいが、このためには、二次テープにおいてクエンチにより解放されるエネルギーが、磁石の他のコンポーネントへの損傷を引き起こすほど十分とはならないことが必要となる。磁石は、エネルギーが磁石からダンプされた後に二次テープを容易に交換できるように構成してよい。
【００２９】
磁石の異なる領域に多数の二次テープを、特性が当該領域に依存するように設けてよい。例えば、１８Ｔのトロイダル磁場コイルの中心柱において使用されるテープは、遅すぎることとなるまで２Ｔの戻り縁部におけるクエンチを検出できないかもしれないので、より低い磁場において、より敏感なテープを使用するのがよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年5月8日(2018.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
クエンチを管理する従来型のアプローチは、外部抵抗性負荷を与え、局所的なクエンチが検出される場合に、当該外部抵抗性負荷の中に電流を「ダンプ」させることである。これの単純化された回路を、図１に示す。通常動作中において、スイッチ１は閉であり、スイッチ２は開である。これにより、電圧ダンプが短絡される。クエンチが検出されると、スイッチ２が閉とされ、スイッチ１が開とされる。これにより電源４が短絡され、超伝導磁石３からの電流が強制的に、一定電圧ダンプ５（すなわち外部抵抗性負荷）に通される。ＨＴＳ磁石にとって、電流は、当初のホットスポットから離れた磁石のセクションの中にダンプされ得る。その結果、エネルギー付与がコイルの多くの部分にわたって広がるので、任意の一つのスポットにおける温度上昇が制限される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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