(57)【要約】ここに開示されるのは、中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成するトロイダル磁場コイルであって、当該トロイダル磁場コイルは、当該中心柱を貫通して当該プラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含み、各巻線は、複数の積層ＨＴＳテープを含むケーブルを含み、各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、当該ＨＴＳテープは、当該ケーブルが当該中心柱を貫通するときに当該トロイダル磁場に対して各ＨＴＳテープの面が平行となるように配列される。
2016534327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成する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、前記中心柱を貫通して前記プラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含み、
各巻線は、複数の積層ＨＴＳテープを含むケーブルを含み、
各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、
前記積層ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記中心柱を貫通するときに前記トロイダル磁場に対して各ＨＴＳテープの面が平行となるように配列されるトロイダル磁場コイル。
【請求項２】
前記ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記中心柱を貫通するときに炉運転中の最大中性子束の方向に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に垂直となるように配列される請求項１のトロイダル磁場コイル。
【請求項３】
中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成する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、前記中心柱を貫通して前記プラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含み、
各巻線は、複数の積層ＨＴＳテープを含むケーブルを含み、
各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、
前記ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記中心柱を貫通するときに炉運転中の最大中性子束の方向に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に垂直となるように配列されるトロイダル磁場コイル。
【請求項４】
前記積層ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記プラズマチャンバの外側まわりを通るときにねじり曲げられるように配列される請求項１から３のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項５】
前記中心柱の中心近くを通るケーブルの少なくとも一つは、前記中心から離れて前記中心柱を貫通するケーブルよりも断面積が小さい請求項１から４のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項６】
中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成する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、前記中心柱を貫通して前記プラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含み、
各巻線は、複数のＨＴＳテープを含むケーブルを含み、
各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、
前記中心柱の中心近くを通るケーブルの少なくとも一つは、前記中心から離れて前記中心柱を貫通するケーブルよりも断面積が小さいトロイダル磁場コイル。
【請求項７】
各ケーブルは複数の積層ＨＴＳテープを含む請求項６のトロイダル磁場コイル。
【請求項８】
前記積層ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記中心柱を貫通するときにポロイダル磁場に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に平行となるように配列される請求項１から７のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項９】
各ケーブルは、銅芯まわりに配列された複数のＨＴＳテープを含む請求項６のトロイダル磁場コイル。
【請求項１０】
前記ＨＴＳテープは、当該テープの長手軸に沿って予備圧縮がかけられる請求項１から９のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１１】
中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成する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、前記中心柱を貫通して前記プラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含み、
各巻線は、複数のＨＴＳテープを含むケーブルを含み、
各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、前記ＨＴＳテープは、当該テープの長手軸に沿って予備圧縮がかけられるトロイダル磁場コイル。
【請求項１２】
前記中心柱の中心近くを通るケーブルの少なくとも一つは、前記中心から離れて通るケーブルよりも高電流密度の電流を搬送する請求項１から１１のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１３】
各ＨＴＳテープの頂面及び底面は銅から形成される請求項１から１２のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１４】
各ＨＴＳテープは一以上の銅層を含む請求項１から１３のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１５】
前記ケーブルを７７Ｋ以下、さらに好ましくは３０Ｋ以下、さらに好ましくは４Ｋ以下にまで冷却可能な冷却システムをさらに含む請求項１から１４のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１６】
使用される前記トロイダル磁場は、３Ｔ以上、好ましくは５Ｔ以上、好ましくは１０Ｔ以上、さらに好ましくは１５Ｔ以上である請求項１から１５のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１７】
核融合炉であって、
中心柱を有するプラズマチャンバと、
請求項１から１６のいずれか一項のトロイダル磁場コイルと
を含む核融合炉。
【請求項１８】
前記中心柱は、ソレノイドが配置又は挿入可能な中心コアを含む請求項１７の核融合炉。
【請求項１９】
４以上のトロイダル磁場コイルを含む請求項１７又は１８の核融合炉。
【請求項２０】
前記プラズマチャンバの中にプラズマを閉じ込めるべく構成され、閉じ込められた前記プラズマの大半径は１．５ｍ、好ましくは１．０ｍ未満、さらに好ましくは０．５ｍ未満である請求項１７、１８又は１９の核融合炉。
【請求項２１】
前記炉は、アスペクト比が２．５以下であり、好ましくはアスペクト比が２．０以下の球状トカマク炉である請求項１７から２０のいずれか一項の核融合炉。
【請求項２２】
前記中心柱まわりには、中性子による損傷を低減又はなくす遮蔽が設けられる請求項１７から２１のいずれか一項の核融合炉。
【請求項２３】
前記中心柱の外側部分の少なくとも一部は、中性子から前記ＨＴＳテープへの損傷に対する遮蔽を与える非ＨＴＳ材料から作られる請求項１７から２２のいずれか一項の核融合炉。
【請求項２４】
前記中心柱の外側部分における前記非ＨＴＳ材料は、前記トロイダル磁場を強める電流を搬送するべく構成される請求項２３の核融合炉。
【請求項２５】
前記中心柱の外側部分は、抵抗加熱を低減するべく好ましくは７７Ｋ、さらに好ましくは４０Ｋ未満まで極低温冷却される請求項２４の核融合炉。
【請求項２６】
前記非ＨＴＳ材料はベリリウム及び／又はアルミニウムを含む請求項２４又は２５の核融合炉。
【請求項２７】
トロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉を動作させることによって中性子又はエネルギーを生成する方法であって、
前記プラズマチャンバにおいてプラズマを立ち上げることと、
請求項１から１６のいずれか一項のトロイダル磁場コイルを使用してトロイダル磁場を生成することと、
中性子及び他のエネルギー粒子を放出することと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、高トロイダル磁場で動作するコンパクト核融合炉に関する。詳しくは、ただし排他的ではなく、本発明は、エネルギー源として又は高効率中性子源としての使用に適し、かつ、高温超伝導体（ＨＴＳ）コイルを含むプラズマ閉じ込めシステムを有する球状トカマク炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
核融合パワーを生成するという課題は非常に複雑である。トカマク以外の多くの代替的装置が提案されているが、いずれも依然として、ＪＥＴのような現在動作中の最良のトカマクに匹敵する結果をもたらすまで至っていない。
【０００３】
世界的な核融合研究は、建設史上最大かつ最高価（１５兆ユーロ）のトカマクであるＩＴＥＲの建設開始後、新たなフェーズに入っている。商業核融合炉の成功へのルートには、長パルス、安定動作が、経済的に発電するのに必要な高効率とともに要求される。これら３つの条件は、同時に達成することが特に難しい。計画されるプログラムには、理論的かつ技術的研究のみならず、ＩＴＥＲ及び他の核融合施設での実験的研究の長年の継続が必要となる。広く認識されていることだが、このルートを経て開発される商業核融合炉は２０５０年以前には建設されない。
【０００４】
従来型トカマクは、経済的な発電（すなわち入力パワーをはるかに超える出力パワー）に必要な核融合反応を得るべく、エネルギー閉じ込め時間（これはプラズマ体積にほぼ比例する）が十分に大きくなり得るように巨大とする必要がある（例えばＩＴＥＲのように）。その結果プラズマは、熱核融合発生に十分な程度ホットとなり得る。
【０００５】
特許文献１は、中性子源又はエネルギー源として使用するコンパクト球状トカマクの使用に係る代替的なアプローチを記載する。球状トカマクの設計における重要な考慮事項は、中心柱を貫通するコイルから発生するトロイダル磁場すなわちＢＴの強度である。この文献において、ＢＴを最大にする一方で小型トカマクが可能となる程度に中心柱を十分小さく維持するという課題は、トロイダル磁場コイルにおいて高温超伝導体材料（ＨＴＳ）を使用することによって対処される。
【０００６】
かかるＨＴＳコイルのために材料及び構成を最適化することは、得られる磁場に、ひいては炉の効率に著しく影響する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０３０５５４号
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一つの側面によれば、中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成するトロイダル磁場コイルであって、中心柱を貫通してプラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含むトロイダル磁場コイルが与えられる。各巻線は、複数の積層ＨＴＳテープを含むケーブルを含み、各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含む。ＨＴＳテープは、ケーブルが中心柱を貫通するときにトロイダル磁場に対して各ＨＴＳテープの面が平行となるように配列される。ＨＴＳテープは、ケーブルがプラズマチャンバの外側まわりを通るときにねじり曲げられる。
【０００９】
本発明の他の側面によれば、中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成するトロイダル磁場コイルであって、中心柱を貫通してプラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含むトロイダル磁場コイルが与えられる。各巻線は、複数の積層ＨＴＳテープを含むケーブルを含み、各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含む。ＨＴＳテープは、ケーブルが中心柱を貫通するときに炉運転中の最大中性子束の方向に対して各ＨＴＳテープの面が垂直となるように配列される。
【００１０】
本発明の他の側面によれば、中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成するトロイダル磁場コイルであって、中心柱を貫通してプラズマチャンバの外側まわりを通る複数の巻線を含むトロイダル磁場コイルが与えられる。各巻線は、複数のＨＴＳテープを含むケーブルを含む。各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含む。中心柱の中心近くを通るケーブルの少なくとも一つは、当該中心から離れて中心柱を貫通するケーブルよりも断面積が小さい。
【００１１】
中心柱の中心近くを通るケーブルの少なくとも一つは、当該中心から離れて中心柱を貫通するケーブルよりも断面積が小さい。
【００１２】
中心柱の中心近くを通るケーブルの当該少なくとも一つは、当該中心から離れて通るケーブルよりも電流密度が高い電流を搬送する。
【００１３】
積層ＨＴＳテープは随意的に、ケーブルが中心柱を貫通するときにトロイダル（及びポロイダル）磁場に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に平行となるように配列される。積層ＨＴＳテープは、ケーブルがプラズマチャンバの外側まわりを通るときにねじり曲げられるように配列される。
【００１４】
各ケーブルは、複数の積層ＨＴＳテープを含み、随意的に、ケーブルが中心柱を貫通するときにトロイダル（及びポロイダル）磁場に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に平行となるように配列される。積層ＨＴＳテープは、ケーブルがプラズマチャンバの外側まわりを通るときにねじり曲げられるように配列される。
【００１５】
代替的に、各ケーブルは、銅芯まわりに配列された複数のＨＴＳテープを含む。
【００１６】
トロイダル磁場コイルはさらに、ケーブルを７７Ｋ以下、さらに好ましくは３０Ｋ以下、さらに好ましくは４Ｋ以下にまで冷却可能な冷却システムを含む。使用されるトロイダル磁場は随意的に３Ｔ以上、好ましくは５Ｔ以上、好ましくは１０Ｔ以上、さらに好ましくは１５Ｔ以上である。
【００１７】
本発明はまた、中心柱を有するプラズマチャンバと上述のトロイダル磁場コイルとを含む核融合炉を与える。中心柱は、ソレノイドが配置又は挿入された中心コアを含む。炉は、４つ以上のトロイダル磁場コイルを含む。
【００１８】
核融合炉は、プラズマチャンバの中にプラズマを閉じ込めるべく構成される。閉じ込められたプラズマの大半径は１．５ｍ、好ましくは１．０ｍ未満、さらに好ましくは０．５ｍ未満である。炉は、アスペクト比が２．５以下であり、好ましくはアスペクト比が２．０以下の球状トカマク炉である。
【００１９】
中性子による損傷を低減又はなくすべく中心柱のまわりには遮蔽が設けられる。中心柱の外側部分の少なくとも一部は、中性子からＨＴＳテープへの損傷に対する遮蔽を与える非ＨＴＳ材料から作られる。この非ＨＴＳ材料は、トロイダル磁場を強める電流を搬送するべく構成される。中心柱の外側部分は、抵抗加熱を低減するべく好ましくは７７Ｋ、さらに好ましくは４０Ｋ未満まで極低温冷却される。非ＨＴＳ材料はベリリウム及び／又はアルミニウムを含む。
【００２０】
本発明の他の側面によれば、トロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉を動作させることによって中性子又はエネルギーを生成する方法が与えられる。方法は、プラズマチャンバにおいてプラズマを立ち上げることと、上述のトロイダル磁場コイルを使用してトロイダル磁場を生成することと、中性子及び他のエネルギー粒子を放出することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明のいくつかの好ましい実施形態が、例示のみによって及び添付図面を参照して以下に記載される。
【００２２】
【図１】図１Ａは、プラズマ容器及びトロイダル磁場コイルの構造物の断面であり、図１Ｂは、図１Ａのプラズマ容器の中心柱の断面である。
【図２】ＨＴＳテープの一例の構造を示す。
【図３】積層テープによって形成されたケーブルの一セクションの模式的な例示である。
【図４】２０Ｋにおけるリフトファクターを、ＹＢＣＯテープの磁場の、当該テープに垂直又は平行な磁場に対する関数として例示する。
【図５】トカマクにおける（支配的）トロイダル磁場の径方向分布を示す。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、ケーブル巻線のウェッジの例を示す。
【図７】中性子ボンバードメントに対して弾力性を与えるための中心柱の限られた中性子遮蔽及び異なる構成のＨＴＳトロイダル磁場磁石を有する球状トカマクの１／４断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本願は、トカマクの非常にコンパクトな形態に基づき、かつ、革新的な特徴の範囲を用いる。これは、高温超伝導磁石の使用を含む。「高効率コンパクト核融合炉」（ＥＣＦＲ）は、コンパクトな核融合発電プラントを与えることを意図する。
【００２４】
核融合中性子は、ジュウテリウム・トリチウム（Ｄ−Ｔ）又はジュウテリウム・ジュウテリウム（Ｄ−Ｄ）プラズマが、当該原子核がともに融合する程度まで非常にホットとなって高エネルギー中性子を放出する場合に生成される。現在のところ、これを達成する最も有望な方法は、トカマクを使用することである。従来型トカマクの核融合へのアプローチ（ＩＴＥＲにより実施されている）において、プラズマは、このプロセスを最適化するべく長い閉じ込め時間、高温及び高密度を有する必要がある。
【００２５】
トカマクは、核融合が生じ得るホットな安定プラズマを生成するべく、強いトロイダル磁場ＢＴ、高いプラズマ電流Ｉｐ、並びに通常は大きなプラズマ体積及び著しい補助加熱を特徴とする。補助加熱（例えば高エネルギーのＨ、Ｄ又はＴの数十メガワットの中性ビーム入射による）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にまで温度を増加させる必要がある。
【００２６】
問題なのは、一般に必要とされる大型サイズ、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維持コストが非常に高くなり、磁石システム及びプラズマ双方に存在する当該大きな貯蔵エネルギーに対処するべく、工学技術に非常な忍耐力が必要となることである。プラズマは、「ディスラプション」、すなわちメガアンペア電流が猛烈な不安定性において数千分の１秒でゼロまで低減すること、を引き起こす傾向がある。
【００２７】
この状況は、従来型トカマクのドーナツ状トーラスをその限界にまで収縮させ、芯のあるリンゴの外観を有する「球状」トカマク（‘ｓｐｈｅｒｉｃａｌ’ｔｏｋａｍａｋ（ＳＴ））とすることによって改善することができる。ＣｕｌｈａｍのＳＴＡＲＴトカマクにおける当該概念の最初の実現が、膨大な効率増加を実証した。ホットなプラズマを包含するのに必要な磁場を１０分の１まで低減することができる。加えて、プラズマ安定性が改善され、建設コストも低減される。
【００２８】
ＳＴの欠点は、中心柱の限られた空間により、中性子環境にある中心巻線を保護するべく必要な実質的遮蔽の設置が禁じられることにある。これにより、従来型トロイダル磁場巻線及び従来型中心ソレノイド（プラズマ電流を誘導かつ維持するべく使用される）が実用的でなくなる。ＳＴに基づく発電プラントが（限られた遮蔽を伴う中実の銅中心柱であって毎年又は中性子による損傷時に変更される中心柱を使用して）設計されているが、当該プラントは、暖められた銅の相対的に高い抵抗に起因する中心柱での高エネルギー散逸を有するので、発電を経済的にするべく大きな装置が要求される。
【００２９】
重要な因子は、トロイダル磁場ＢＴの強度である。トカマクにおける熱核融合による核融合パワーはＢＴの４乗に比例するので、トカマクは、これが課す著しい応力及び当該磁石に必要な著しい電気コストに整合する最大限に可能なＢＴを使用するべく設計される。こうしたコストを最小限にするべく、ＩＴＥＲのような長パルスの現代的な装置は、液体ヘリウムによって冷却されるＬＴＳ磁石を特徴とする。
【００３０】
高磁場アプローチの現行の制限は、現在はロシア・イタリア合同プロジェクトとして開発されている中型サイズのＩＧＮＩＴＯＲプロジェクトによって例示されている。ＩＧＮＩＴＯＲは、鋼支持構造物による従来型銅磁石によって得られるプラズマ大半径（１．４３ｍ）で〜１３テスラかつ中心スタック周縁で〜２０Ｔという、その非常に高い磁場ＢＴゆえに、大規模な補助加熱を必要とせずに短パルス点火を達成すると予測されている。
【００３１】
ＳＴアプローチの欠点は、中心柱における低減された空間ゆえに、その中のトロイダル磁場磁石が限られたサイズとなり、その結果、現在のところ、１テスラ未満という相対的に低いトロイダル磁場のみがＳＴにおいて達成されているにすぎない。この問題は、ＥＣＦＲにおいて高温超伝導磁石の使用により克服される。
【００３２】
これまでずっと、この小型スケールアプローチは、経済的な核融合エネルギー発電プラントをもたらし得ないと考えられてきた。これは、入力中性ビーム入射（ＮＢＩ）パワーが相対的に大きく、かつ、磁場が、プラズマ内の核融合反応により生成されたホットな荷電アルファ粒子を包含するには十分ではなく、ひいては得られる自己加熱を失うからである。これは、核融合パワー生成を目標とする従来型トカマク設計の鍵となる特徴である。しかしながら、最近の技術進歩により、このような小型ＳＴも、以下に述べるように高磁場を達成することができる。
【００３３】
最近の高温超伝導体（ＨＴＳ）の進歩は、核融合に対して幅広い影響を与えている。従来型低温超伝導体（ＬＴＳ）磁石が液体ヘリウム範囲（〜４Ｋ）の温度を使用する一方、ＨＴＳは、便宜かつ容易に類似の結果を与え、７７Ｋ又はこれよりさらに高い液体窒素温度を達成することができる。
【００３４】
それでも、ＨＴＳの利点は、コスト及び利便性をはるかに超えている。ＨＴＳが７７Ｋ未満の低温で現実に動作される場合、電流搬送能力が大きく増加し、はるかに高い磁場において伝導体が動作し得る。高い最大磁場、増加した電流搬送能力、及び低減された冷却複雑性を組み合わせることが意味するのは、非常に高いトロイダル磁場のＨＴＳ磁石が、低アスペクト比トカマクコアの限られた空間において可能になるということである。
【００３５】
高温超伝導技術は急速に進歩を続けている。第１世代のＨＴＳ材料すなわちＢＳＣＣＯは、急速にＹＢＣＯに取って代わられている。基本的に高い臨界磁場及び臨界電流を有する新しいＨＴＳ材料の発見と同様に、ＹＢＣＯ（又はより一般には（Ｒｅ）ＢＣＯ（ここでＲｅは希土類原子））のような既存の材料の工学技術的性能も急速に改善されている。その結果、ＨＴＳ製磁石は、ますます小さな伝導体によってますます高磁場を達成できるようになっている。本明細書では、ＨＴＳ材料が、低磁場における約３０Ｋを超える温度で超伝導特性を有する任意の材料を含むものと理解される。
【００３６】
強力な高エネルギー中性子ボンバードメントのもとでのＨＴＳの性能はまだ知られてないが、数か月又は数年の運転を有効に維持するべく１０ｃｍを超える遮蔽が必要になるという懸念が存在する。かかる量の遮蔽は大きすぎるので、小型球状トカマクの中心柱まわりに収容することができない。高電流が中心柱を貫通できるようにするべく、いくつかの代替手段が利用される。
【００３７】
図１Ａは、プラズマ容器１０７において使用される６コイルトロイダル磁場コイル構造物１００の、２つのコイル１０１、１０４の模式的な断面である。図１Ｂは、容器１０７の中心柱１０８の、６つのコイル１０１〜１０６すべてを示す断面図である。各コイルが、中心柱１０８の一ウェッジを占める。各コイル１０１、１０２は、ＨＴＳ材料を含む一連のケーブル１０９の巻線を含む。以下に詳述されるように、一例においてケーブル１０９は、ＨＴＳテープの複数層又は他の構成によって形成される。巻線は、中心柱１０８を貫通して容器１０７の外側まわりを通る。磁場コイルの幾何学的因子はＢ／Ａとして定義される。ここで、Ａは、コイルによって閉じ込められるプラズマの大半径であり、Ｂは中心柱１０８の半径である。中心柱１０８の中ではコイルは、ベリリウム、銅又はアルミニウムのような非ＨＴＳ材料１１０によって互いから分離される。ベリリウム、銅又はアルミニウムのような非ＨＴＳ材料の層１１１もまた、ＨＴＳ巻線の外側まわりに配列される。これにより、中性子からの遮蔽が得られ、一定の電流も搬送できる。コイルは、クライオスタット（図示せず）により、低温、随意的に７７Ｋ又は好ましくは３０Ｋ以下、さらに好ましくは４Ｋまで冷却される。遮蔽層１１１もまた、同じ温度まで冷却される。
【００３８】
図２は、標準のＨＴＳテープ２００のコンポーネントの模式的な例示である。かかるテープ２００は一般に、近似的に厚さ１００ミクロンであり、近似的に厚さ５０ミクロンの電解研磨ハステロイ基板２０１を含む。ハステロイ基板２０１の上には、ＩＢＡＤ又はマグネトロンスパッタリングによって、それぞれが近似的に厚さ０．２ミクロンである一連のバッファスタック層１０２が堆積される。エピタキシャル（ＲＥ）ＢＣＯ−ＨＴＳ層３０３（ＭＯＣＶＤによって堆積される）がバッファ層を覆う。これは、典型的に厚さ１ミクロンである。ＨＴＳ層上には２ミクロンの銀層２０４がスパッタリングにより堆積され、当該テープの両側面に２０ミクロンの銅スタビライザ層２０５が電気めっきされる。テープにおける電流を増加させるべく、ＨＴＳ層の厚さは、１ミクロン付近から４ミクロンと２０ミクロンとの間まで増加される。これにより、搬送可能な電流が２〜５倍増加し、かつ、中性子への耐性が４〜２０倍増加する。上述のように、全体的なテープ厚は通常２００ミクロンなので、これが唯一の変化であれば、テープ厚の増加は２０％未満となる。
【００３９】
他のアプローチは、銅２０５及びハステロイ２０１層（又はテープにおける他の伝導／支持非ＨＴＳ層）の厚さを低減することである。こうした非ＨＴＳ層の厚さを有することで、テープにおける電流密度が近似的に倍増するので、遮蔽のための空間を大きくすることができる。しかしながら、銅は、超伝導材料における電流が当該材料の臨界電流を一時的にでも超過する場合に代替の電流経路を与えるという有利な効果を有する。
【００４０】
内側部分とともに、外側の極低温まで冷却されたベリリウム、銅又はアルミニウムの中心柱を使用することも有利である。ベリリウム又はアルミニウムには望ましくない抵抗損失が存在するだろうが、それは、理想的には３０Ｋ以下まで冷却することによって、及びベリリウム又はアルミニウム／ＨＴＳ中心柱をトロイダル磁場コイルのＨＴＳ外側アームに接続することによって、最小化し得る。ベリリウム又はアルミニウムが選択されるのは、温度３０Ｋにおいて低抵抗性だからであり、かつ、高エネルギー中性子による損傷に耐性があるからである。これらの特性又は類似の特性を有する他の元素又は材料もまた使用可能である。
【００４１】
テープは様々な方法によってケーブルへと形成することができる。一つのオプションは、銅芯まわりに複数セクションのテープを巻き付けることである。その結果、超伝導材料における電流が当該材料の臨界電流を一時的にでも超過する場合に、銅が代替の電流経路を与えることができる。
【００４２】
代替例は、テープを複数層に積層することである。その結果、一つのテープの底面が、次のテープの頂面の頂部に直接載置される。これにより、テープを極めて緊密に詰めることができるので、最大限に可能な量のＨＴＳ材料がケーブルに押し込まれる。この配列を図３に示す。これは、ケーブル３０２を形成するべく一方が他方の頂部に積層された複数のＨＴＳテープ３０１の、短いセクションの模式的な図である。一般に、ケーブルにおけるすべてのテープに電流が等しく共有されるようにするには、ケーブルがその長さに沿ってねじられることが望ましい。
【００４３】
しかしながら、ＲｅＢＣＯのＨＴＳテープの重要かつ貴重な特徴は、垂直磁場が臨界電流の低減に大きく影響する一方で平行磁場が、図４からわかるように、それほどの悪影響を及ぼすことがない点にある。図４は、２０Ｋにおけるリフトファクターを、ＹＢＣＯテープの磁場の、当該テープに垂直又は平行な磁場の関数として示す。リフトファクターとは、７７Ｋかつ適用磁場ゼロにおける臨界電流に対する臨界電流の比である。
【００４４】
トカマクにおいて、中心柱１０８（最高の磁場かつ最小の利用可能空間の位置）にＨＴＳテープは、トロイダル磁場及びポロイダル磁場に対して平行に又はほぼ平行にされるように配列することができる。これにより、最高磁場を有する領域にある材料の臨界電流を、可能な限り高くすることができる。ケーブルにおけるテープ同士間で電流を共有するべく必要とされるねじりは、低磁場にある外側アームに生じ得る。
【００４５】
このような中心柱における平行配列テープによっても、依然として、最高磁場にある位置で臨界電流を低減させる効果が存在する。図５は、トカマクにおける（支配的な）トロイダル磁場の径方向分布を示す。これは、伝導体の周縁で最大となり、中心柱の中心近くで低減する磁場を示す。このことから明らかなように、柱の中心近くの磁場は、周縁よりも著しく低い。したがって、これは、中心近くのＨＴＳ材料のための臨界電流が、周縁近くのＨＴＳ材料のためのものよりも高いことを意味する。したがって、中心近くのＨＴＳ材料を、周縁近くのものよりも高い電流密度で動作させることができる。
【００４６】
ケーブルは、最低磁場の位置において、特に中心柱の真ん中に向かって、電流密度が増加するように配列することができる。この電流密度の増加は、以下を含む様々な方法によって達成することができる。
ｉ）低磁場領域において小さいが、高磁場領域におけるケーブル６０２と同じ電流を搬送するケーブル６０１を有すること（図６Ａ）。これにより、多くのケーブルを同じ空間の中に嵌め込むことができる。
ｉｉ）すべてが同じサイズであるが、低磁場領域において高電流を搬送するケーブル６０３を有すること（図６Ｂ）。
ｉｉｉ）上述の双方の組み合わせ。
【００４７】
いずれの場合も、異なるケーブルサイズ又は電流の２以上の領域が存在し、又は、中心柱の真ん中にある小さなケーブルから中心柱の外側に向かって大きなケーブルとなり、かつ、中心柱の真ん中にある高電流から中心柱の外側に向かって低電流となる一定のグラデーションが存在し得る。
【００４８】
磁石は、低磁場領域にある小さなケーブルが、高磁場領域にある大きなケーブルと同じ電流を搬送するような一連の層となるように巻き付けられる。
【００４９】
ＨＴＳテープへの中性子束の損傷効果を低減するべく、ＨＴＳテープは、帯片が最大中性子束に対して垂直となるように（すなわち中心柱から径方向外側に向かうように）配列される。これにより、中性子の相互作用が一般に、単一片のテープの大きな帯片よりもむしろ、多数片のテープの小さなパッチに損傷を与える結果となる。これは有利である。単一片のＨＴＳテープへの大量の損傷、特にテープの幅方向の直線状の「軌跡」によって超伝導体が、残りのテープの冷却を中断させる過剰な発熱をもたらす抵抗を得る可能性が高まるからである。多大な損傷は、コイルに著しい損傷をもたらす磁石の急冷さえも引き起こし得る。対照的に、損傷が多数のテープ全体に又は同じテープの多数の別個領域に広がる場合、一つのテープにおける損傷が、当該テープがもはや使用不能となる点まで蓄積するには長い時間がかかる。したがって、ＨＴＳコイルの利用可能な寿命が増加する。
【００５０】
ＨＴＳテープの臨界磁場は、当該テープにおけるひずみの影響を受ける。いずれのひずみも、臨界磁場を低減するように作用する。テープを巻き付けてコイルにすることと炉の動作中に受ける力とが、当該テープにひずみを引き起こすことになる。これは、ＨＴＳの臨界磁場強度を低減して超伝導性の損失を引き起こしかねない。したがって、使用中の結果的なひずみが低減され又はなくなるように製造中に一定の圧縮をテープに導入することが有利となる。この圧縮は、コイルが巻かれるときに又は工程の初期段階において導入することができる。ひずみは主に、テープの長手軸に沿って（すなわちＨＴＳ層に平行なテープの長さに沿って）存在する。したがって、導入される圧縮もまた、この軸に沿って存在させる必要がある。−０．２％のひずみを引き起こす圧縮が、潜在的に極めて有用であり、材料に対して、予備圧縮なしで２倍の磁場までの動作を許容させることができる。１０〜２０％の臨界磁場増加でさえも、極めて有利となる。
【００５１】
エネルギー源又は中性子源としての使用に適したＨＴＳ磁石付き球状トカマクの１／４断面が図７Ａに示される。このトカマクの重要な特徴は、ＨＴＳ又はベリリウム若しくはアルミニウムのいずれかであり得る中心柱６１、中心柱の冷却を可能とする熱絶縁及び冷却チャネル６２、ＨＴＳ製外側取り付けコイル６４への中性子損傷を防止する遮蔽６３、ＨＴＳを冷却するクライオスタット６５、並びに、遮蔽６３の内側又は外側に存在し得る真空容器６６である。
【００５２】
中心柱６１に対してはいくつかのオプションが存在する。一つのオプションは、中性子遮蔽あり又はなしのＨＴＳを含む。
【００５３】
図７Ｂに示される他のオプションは、ベリリウム、銅、アルミニウム又は他の非ＨＴＳ材料の内側部分６１、冷却材チャネル６２ａ、真空絶縁体６２ｂ及び熱絶縁体６２ｃである。ベリリウム、銅又はアルミニウムには望ましくない抵抗損失が存在するが、当該損失は、理想的には３０Ｋ以下まで冷却することにより、かつ、ベリリウム又はアルミニウムの中心柱をトロイダル磁場コイルのＨＴＳ外側アームに接続することにより最小限にすることができる。ベリリウム、銅又はアルミニウムが選択されるのは、温度３０Ｋにおいて低抵抗性だからであり、かつ、高エネルギー中性子による損傷に耐性があるからである。このような特性又は類似の特性を有する他の元素又は材料も使用することができる。
【００５４】
さらなるオプションは図７Ｃに示されており、内側部分６１ｂがＨＴＳ製であり、かつ、外側部分６１ｃが、中性子からのＨＴＳへの損傷に対する所定の遮蔽を与えるベリリウム、銅、アルミニウム又は他の非ＨＴＳ材料製である組み合わせによって形成される。球状トカマクにおける空間上の制約に応じて、付加的な中性子遮蔽を各オプションに加えることができる。双方とも極低温に冷却される。ベリリウム、銅又はアルミニウムの外側材により、ＨＴＳの所定の遮蔽が与えられる。理想的には３０Ｋ以下まで冷却すること、及びベリリウム、銅又はアルミニウム／ＨＴＳの中心柱をトロイダル磁場コイルのＨＴＳ外側アームに接続することは、抵抗損失を最小限にするべく依然として必要である。
【００５５】
これらの技術の組み合わせが使用され得る。
【００５６】
わかることだが、ここに記載されたコンパクト核融合炉は、大型トカマクよりもはるかに大きな単位プラズマ体積当たりの表面積を有する。一般に、コスト及び実装困難性がプラズマ体積に対して少なくとも直線的に比例する一方、エネルギー出力（これは受容可能な損傷レベルによって制限されるとみなし得る）は表面積に対して直線的に比例する。加えて、「一つ（又はいくつか）しかない」装置のコストが、「たくさんある」装置のコストよりも高くなることは周知である。したがって、多くの小型核融合炉が、一つの大型核融合炉よりも単位正味パワー出力当たり安価となる可能性は高いと思われる。
【００５７】
上記実施形態からの変形も依然として本発明の範囲内にあることがわかる。
【図１Ａ−１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年4月5日(2016.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成するトロイダル磁場コイル（１０１）であって、
前記トロイダル磁場コイルは、前記中心柱を貫通して前記プラズマチャンバの外側まわりを通るべく構成された複数の巻線（１０９）を含み、
各巻線（１０９）は、複数の積層ＨＴＳテープ（３０１）を含むケーブル（３０２）を含み、
各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、
前記ＨＴＳテープは、前記トロイダル磁場コイルが前記炉に配置された場合において、前記ケーブルが前記中心柱を貫通するときに炉運転中の最大中性子束の方向に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に垂直となるように配列されるトロイダル磁場コイル。
【請求項２】
前記積層ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記プラズマチャンバの外側まわりを通るときにねじり曲げられるように配列される請求項１のトロイダル磁場コイル。
【請求項３】
前記中心柱の中心近くを通るケーブルの少なくとも一つは、前記中心から離れて前記中心柱を貫通するべく構成されたケーブルよりも断面積が小さい請求項１又は２のトロイダル磁場コイル。
【請求項４】
中心柱を有するトロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉においてトロイダル磁場を生成するトロイダル磁場コイル（１０１）であって、
前記トロイダル磁場コイルは、前記中心柱を貫通して前記プラズマチャンバの外側まわりを通るべく構成された複数の巻線（１０９）を含み、
各巻線（１０９）は、複数のＨＴＳテープ（３０１）を含むケーブル（３０２）を含み、
各ＨＴＳテープは、高温超伝導体材料の一以上の層を含み、
前記中心柱の中心近くを通るべく構成されたケーブル（６０１）の少なくとも一つは、前記中心から離れて前記中心柱を貫通するべく構成されたケーブルよりも断面積が小さいトロイダル磁場コイル。
【請求項５】
各ケーブルは複数の積層ＨＴＳテープを含む請求項４のトロイダル磁場コイル。
【請求項６】
前記積層ＨＴＳテープは、前記ケーブルが前記中心柱を貫通するときにポロイダル磁場に対して各ＨＴＳテープの面が実質的に平行となるように配列される請求項１から５のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項７】
各ケーブルは、銅芯まわりに配列された複数のＨＴＳテープを含む請求項４のトロイダル磁場コイル。
【請求項８】
前記ＨＴＳテープは、当該テープの長手軸に沿って予備圧縮がかけられる請求項１から７のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項９】
前記中心柱の中心近くを通るべく構成されたケーブルの少なくとも一つは、前記中心から離れて通るべく構成されたケーブルよりも高電流密度の電流を搬送する請求項１から８のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１０】
各ＨＴＳテープの頂面及び底面は銅から形成される請求項１から９のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１１】
各ＨＴＳテープは一以上の銅層を含む請求項１から１０のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１２】
前記ケーブルを７７Ｋ以下、さらに好ましくは３０Ｋ以下、さらに好ましくは４Ｋ以下にまで冷却可能な冷却システムをさらに含む請求項１から１１のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１３】
使用される前記トロイダル磁場は、３Ｔ以上、好ましくは５Ｔ以上、好ましくは１０Ｔ以上、さらに好ましくは１５Ｔ以上である請求項１から１２のいずれか一項のトロイダル磁場コイル。
【請求項１４】
核融合炉（１００）であって、
中心柱（１０８）を有するプラズマチャンバを含み、
前記核融合炉は、請求項１から１３のいずれか一項のトロイダル磁場コイル（１０１）を含む核融合炉。
【請求項１５】
前記中心柱は、ソレノイドが配置又は挿入可能な中心コアを含む請求項１４の核融合炉。
【請求項１６】
４以上のトロイダル磁場コイルを含む請求項１４又は１５の核融合炉。
【請求項１７】
前記プラズマチャンバの中にプラズマを閉じ込めるべく構成され、閉じ込められた前記プラズマの大半径は１．５ｍ、好ましくは１．０ｍ未満、さらに好ましくは０．５ｍ未満である請求項１４、１５又は１６の核融合炉。
【請求項１８】
前記炉は、アスペクト比が２．５以下であり、好ましくはアスペクト比が２．０以下の球状トカマク炉である請求項１４から１７のいずれか一項の核融合炉。
【請求項１９】
前記中心柱まわりには、中性子による損傷を低減又はなくす遮蔽が設けられる請求項１４から１８のいずれか一項の核融合炉。
【請求項２０】
前記中心柱の外側部分の少なくとも一部は、中性子から前記ＨＴＳテープへの損傷に対する遮蔽を与える非ＨＴＳ材料から作られる請求項１４から１９のいずれか一項の核融合炉。
【請求項２１】
前記中心柱の外側部分における前記非ＨＴＳ材料は、前記トロイダル磁場を強める電流を搬送するべく構成される請求項２０の核融合炉。
【請求項２２】
前記中心柱の外側部分は、抵抗加熱を低減するべく好ましくは７７Ｋ、さらに好ましくは４０Ｋ未満まで極低温冷却される請求項２１の核融合炉。
【請求項２３】
前記非ＨＴＳ材料はベリリウム及び／又はアルミニウムを含む請求項２１又は２２の核融合炉。
【請求項２４】
トロイダルプラズマチャンバを含む核融合炉を動作させることによって中性子又はエネルギーを生成する方法であって、
前記プラズマチャンバにおいてプラズマを立ち上げることと、
請求項１から１３のいずれか一項のトロイダル磁場コイルを使用してトロイダル磁場を生成することと、
中性子及び他のエネルギー粒子を放出することと
を含む方法。
【国際調査報告】
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