JPH0121919B2 - - Google Patents
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- JPH0121919B2 JPH0121919B2 JP55166520A JP16652080A JPH0121919B2 JP H0121919 B2 JPH0121919 B2 JP H0121919B2 JP 55166520 A JP55166520 A JP 55166520A JP 16652080 A JP16652080 A JP 16652080A JP H0121919 B2 JPH0121919 B2 JP H0121919B2
- Authority
- JP
- Japan
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- plasma
- superconducting
- coil
- torus
- toroidal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はトーラス型核融合装置に係り、特にそ
の超電導トロイダルコイルの絶縁破壊防止構造に
関する。
の超電導トロイダルコイルの絶縁破壊防止構造に
関する。
通常、磁場を用いて高温高密度プラズマを発生
させるとともに、これを磁場中に閉じ込めるトー
ラス型核融合装置においては、プラズマはプラズ
マ電流の形で磁場内に閉じ込められる。プラズマ
電流はトーラス方向に複数ターン巻かれた変流器
コイルの電流を時間的に変化させることによる変
流器作用により立上げる。このプラズマ電流のジ
ユール損失により高温、高密度のプラズマを発生
させる。なお、プラズマ電流がトーラス方向に安
定して流れる様トーラス方向に複数個に分割され
て配置されたトロイダルコイルによつて強力なト
ロイダル磁場をプラズマ領域に作つてある。トロ
イダルコイルによつて作られるトロイダル磁場は
プラズマの挙動に追従して時間的に変化させる必
要が無いので通常トロイダルコイルは超電導導体
を用いた複数個の超電導トロイダルコイルユニツ
トにより構成されている。従つて、プラズマ状態
の電子やイオンはトロイダル磁場の磁力線のまわ
りを旋回しながらトーラス方向に旋回している。
このトーラス方向の旋回がプラズマ電流を特徴付
け、磁力線のまわりの旋回性が通常はプラズマが
反磁性体として振舞う性質を特徴付けている。
させるとともに、これを磁場中に閉じ込めるトー
ラス型核融合装置においては、プラズマはプラズ
マ電流の形で磁場内に閉じ込められる。プラズマ
電流はトーラス方向に複数ターン巻かれた変流器
コイルの電流を時間的に変化させることによる変
流器作用により立上げる。このプラズマ電流のジ
ユール損失により高温、高密度のプラズマを発生
させる。なお、プラズマ電流がトーラス方向に安
定して流れる様トーラス方向に複数個に分割され
て配置されたトロイダルコイルによつて強力なト
ロイダル磁場をプラズマ領域に作つてある。トロ
イダルコイルによつて作られるトロイダル磁場は
プラズマの挙動に追従して時間的に変化させる必
要が無いので通常トロイダルコイルは超電導導体
を用いた複数個の超電導トロイダルコイルユニツ
トにより構成されている。従つて、プラズマ状態
の電子やイオンはトロイダル磁場の磁力線のまわ
りを旋回しながらトーラス方向に旋回している。
このトーラス方向の旋回がプラズマ電流を特徴付
け、磁力線のまわりの旋回性が通常はプラズマが
反磁性体として振舞う性質を特徴付けている。
また、超電導導体を多数回巻き回した構造の超
電導トロイダルコイルユニツトはトーラス方向に
複数個等間隔で配置され、電気的に直列接続され
て内部電圧降下の非常に少ない直流電源により励
磁されている。超電導導体は超電導状態を保持す
るために絶対温度数度以下に液体ヘリウム等で冷
却されている。この冷却を効果的に行う必要上、
超電導導体の電気絶縁は単に導体間のヘリウム等
の冷媒を充満した空間により行われているのが普
通である。このため絶縁耐力は液体ヘリウム等冷
媒の絶縁耐力で決まつてしまい、その絶縁耐力は
高々数千ボルトである。
電導トロイダルコイルユニツトはトーラス方向に
複数個等間隔で配置され、電気的に直列接続され
て内部電圧降下の非常に少ない直流電源により励
磁されている。超電導導体は超電導状態を保持す
るために絶対温度数度以下に液体ヘリウム等で冷
却されている。この冷却を効果的に行う必要上、
超電導導体の電気絶縁は単に導体間のヘリウム等
の冷媒を充満した空間により行われているのが普
通である。このため絶縁耐力は液体ヘリウム等冷
媒の絶縁耐力で決まつてしまい、その絶縁耐力は
高々数千ボルトである。
以下、図面に基づき従来技術を説明する。第１
図はトーラス型核融合装置の構成を示す平面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ断面図である。超電導ト
ロイダルコイルユニツト１はトーラス方向（）
２に複数個に分割され配置されている。全ユニツ
トが電気的に直列に接続されていて、内部電圧降
下の低い高安定直流電源により励磁されており、
トロイダルコイル３内部に強力なトーラス方向
（）２のトロイダル磁場（Bt）４を発生してい
る。変流器コイル５はトーラス方向２に複数回巻
き回わされていて励磁よりトーラス中心軸（Ｚ
軸）６部に変流器磁場（BF）７を発生している。
この変流器磁場（BF）７を時間的に変化させて
トーラス方向２の電場を生じさせプラズマ容器８
内の燃料ガスを放電電離させてトーラス方向２に
流れるプラズマ電流（IP）９を立上げる。このプ
ラズマ電流（IP）９のジユール損失のためプラズ
マ１０の温度は急速に上昇する。プラズマ１０の
粒子はトロイダル磁場（Bt）４の回わりに旋回
しながらトーラス方向２に移動するため、プラズ
マ１０内部でのトロイダル磁場（BtI）１１は、
プラズマ１０の粒子の旋回による反磁性効果のた
めにプラズマ１０が無い状態でのトロイダル磁場
（Bt）４より小さい値となつている。第３図には
この反磁性効果の様子をトロイダル磁場（Bt）
を主半径方向（Ｒ）１２の分布として図示してあ
る。従つて、プラズマ１０が発生すると、プラズ
マ１０内部のトロイダル磁場（Bt）４がプラズ
マが無い場合の磁場強さBtOからプラズマが有る
場合の磁場強さBtIに減少するため、プラズマ１
０発生に伴つて、トロイダルコイル３の囲むトロ
イダルコイル鎖交磁束（ｔ）も減少する。この磁
束変化量ΔΦtは以下に示す式で近似的に求められ
ることが知られている。
図はトーラス型核融合装置の構成を示す平面図、
第２図は第１図のＡ−Ａ断面図である。超電導ト
ロイダルコイルユニツト１はトーラス方向（）
２に複数個に分割され配置されている。全ユニツ
トが電気的に直列に接続されていて、内部電圧降
下の低い高安定直流電源により励磁されており、
トロイダルコイル３内部に強力なトーラス方向
（）２のトロイダル磁場（Bt）４を発生してい
る。変流器コイル５はトーラス方向２に複数回巻
き回わされていて励磁よりトーラス中心軸（Ｚ
軸）６部に変流器磁場（BF）７を発生している。
この変流器磁場（BF）７を時間的に変化させて
トーラス方向２の電場を生じさせプラズマ容器８
内の燃料ガスを放電電離させてトーラス方向２に
流れるプラズマ電流（IP）９を立上げる。このプ
ラズマ電流（IP）９のジユール損失のためプラズ
マ１０の温度は急速に上昇する。プラズマ１０の
粒子はトロイダル磁場（Bt）４の回わりに旋回
しながらトーラス方向２に移動するため、プラズ
マ１０内部でのトロイダル磁場（BtI）１１は、
プラズマ１０の粒子の旋回による反磁性効果のた
めにプラズマ１０が無い状態でのトロイダル磁場
（Bt）４より小さい値となつている。第３図には
この反磁性効果の様子をトロイダル磁場（Bt）
を主半径方向（Ｒ）１２の分布として図示してあ
る。従つて、プラズマ１０が発生すると、プラズ
マ１０内部のトロイダル磁場（Bt）４がプラズ
マが無い場合の磁場強さBtOからプラズマが有る
場合の磁場強さBtIに減少するため、プラズマ１
０発生に伴つて、トロイダルコイル３の囲むトロ
イダルコイル鎖交磁束（ｔ）も減少する。この磁
束変化量ΔΦtは以下に示す式で近似的に求められ
ることが知られている。
ΔΦt≒πa2B2θ／2BtO・βＰ
βP≡Ｐ／B〓2／2μO
B〓＝μOIP／2πa
ここに、
ΔΦt：トロイダル磁束変化（ボルト・秒）
ａ：プラズマ小半径（メートル）
BtO：プラズマ中心でのトロイダル磁場強さ（テ
スラ） B〓：プラズマ電流によるポロイダル磁場強さ
（テスラ） IP：プラズマ電流（アンペア） μO：真空透磁率（ヘンリー／メートル） Ｐ：プラズマの運動エネルギー密度（ジユー
ル／（メートル）3） βP：ポロイダルベータ値 いま、プラズマ電流（IP）９の維持時間中にプ
ラズマ１０がプラズマ容器８壁にさわる等の原因
によりプラズマ１０の温度が急激に低下する様な
場合には、上式のＰが時間的に急速に低下するた
めΔΦtも時間的に急変する。この場合は、トロイ
ダルコイル３の端子間には次式に示される如き誘
起電圧Viと誘起電流Iiが誘起される。（いずれも
大きさのみ問題とするものとする。） Vi＝Ｎｄ／dt（ΔΦt） IiΔΦt／Lt ここに、 Vi：誘起電圧（ボルト） Ｎ：トロイダルコイル全ターン数（ターン） Ii：誘起電流（アンペア） Lt：トロイダルコイルインダクタンス（ヘンリ
ー） 以上、プラズマ１０の温度変化に伴つてトロイ
ダルコイル３端子間に誘起される電圧Viと誘起電
流Iiの概念図を第４図に示す。また、従来の超電
導トロイダルコイルユニツト１３の断面図を第５
図に示す。超電導トロイダルコイルユニツト１３
は、超電導導体１４をプラズマ１０を囲む様に多
数回巻き回し、この超電導導体１４部を超電導状
態を実現する絶対零度付近まで冷却している液体
ヘリウム等の冷媒１５に漬けている。この冷媒１
５は、充分な強度を有する冷媒容器１６内に充満
されている。超電導導体１４間や、超電導導体１
４と冷媒容器１６間の電気絶縁は通常特別な絶縁
を施すことなく冷媒１５で満された空間で確保さ
れている。従つて、電気絶縁耐力は高々数千ボル
トである。このため、従来の超電導トロイダルコ
イル３においては、上記の如きプラズマ１０の急
変時にトロイダル磁束（Φt）の変化によりトロ
イダルコイル３に大きな誘起電圧Viが発生し、電
気絶縁が破壊する欠点があつた。
スラ） B〓：プラズマ電流によるポロイダル磁場強さ
（テスラ） IP：プラズマ電流（アンペア） μO：真空透磁率（ヘンリー／メートル） Ｐ：プラズマの運動エネルギー密度（ジユー
ル／（メートル）3） βP：ポロイダルベータ値 いま、プラズマ電流（IP）９の維持時間中にプ
ラズマ１０がプラズマ容器８壁にさわる等の原因
によりプラズマ１０の温度が急激に低下する様な
場合には、上式のＰが時間的に急速に低下するた
めΔΦtも時間的に急変する。この場合は、トロイ
ダルコイル３の端子間には次式に示される如き誘
起電圧Viと誘起電流Iiが誘起される。（いずれも
大きさのみ問題とするものとする。） Vi＝Ｎｄ／dt（ΔΦt） IiΔΦt／Lt ここに、 Vi：誘起電圧（ボルト） Ｎ：トロイダルコイル全ターン数（ターン） Ii：誘起電流（アンペア） Lt：トロイダルコイルインダクタンス（ヘンリ
ー） 以上、プラズマ１０の温度変化に伴つてトロイ
ダルコイル３端子間に誘起される電圧Viと誘起電
流Iiの概念図を第４図に示す。また、従来の超電
導トロイダルコイルユニツト１３の断面図を第５
図に示す。超電導トロイダルコイルユニツト１３
は、超電導導体１４をプラズマ１０を囲む様に多
数回巻き回し、この超電導導体１４部を超電導状
態を実現する絶対零度付近まで冷却している液体
ヘリウム等の冷媒１５に漬けている。この冷媒１
５は、充分な強度を有する冷媒容器１６内に充満
されている。超電導導体１４間や、超電導導体１
４と冷媒容器１６間の電気絶縁は通常特別な絶縁
を施すことなく冷媒１５で満された空間で確保さ
れている。従つて、電気絶縁耐力は高々数千ボル
トである。このため、従来の超電導トロイダルコ
イル３においては、上記の如きプラズマ１０の急
変時にトロイダル磁束（Φt）の変化によりトロ
イダルコイル３に大きな誘起電圧Viが発生し、電
気絶縁が破壊する欠点があつた。
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、プラズマ急変時における超電導トロイダル
コイルの絶縁破壊を防止することのできるトーラ
ス型核融合装置を提供するにある。
くし、プラズマ急変時における超電導トロイダル
コイルの絶縁破壊を防止することのできるトーラ
ス型核融合装置を提供するにある。
この目的を達成するため、本発明は、超電導ト
ロイダルコイルに近接してそのプラズマ側に超電
導保護コイルを設け、プラズマ急変時にこの超電
導保護コイルに流れる誘起電流によつてトロイダ
ル磁束の変化を打ち消し、超電導トロイダルコイ
ルに誘起される誘導電圧を低くしたことを特徴と
する。
ロイダルコイルに近接してそのプラズマ側に超電
導保護コイルを設け、プラズマ急変時にこの超電
導保護コイルに流れる誘起電流によつてトロイダ
ル磁束の変化を打ち消し、超電導トロイダルコイ
ルに誘起される誘導電圧を低くしたことを特徴と
する。
以下、図示した実施例に基づき本発明を詳細に
説明する。第６図は本発明の一実施例を示す断面
図である。超電導トロイダルコイルユニツト１３
の内側にプラズマ１０を囲む様に超電導導体１４
を用いた超電導保護コイル１７が設置されてい
る。超電導保護コイル１７も冷媒容器１６内に納
められていて、特別に冷却されて充満された超流
動ヘリウム１８により冷却されている。さらに、
超電導保護コイル１７の端子間には、永久電流ス
イツチ１９とインバータ電源回路２０がそれぞれ
並列に設置されている。永久電流スイツチ１９の
機能は超電導保護コイル１７の端子間短絡であ
り、インバータ電源回路の設置目的は超電導保護
コイル１７に誘起された誘起電流を減衰させるた
めである。即ち、トロイダルコイル３の励磁前に
おいては、永久電流スイツチ１９はオフ状態と
し、インバータ電源回路２０もオフ状態として超
電導保護コイル１７の端子間は開放としておく。
その後トロイダルコイル３を励磁し、変流器コイ
ル５の電流（IF）を急変させてプラズマ電流
（IP）９を立上げる。その後すみやかに永久電流
スイツチ１９をオンして超電導保護コイル１７の
端子間を短絡する。この状態で何らかの原因によ
りプラズマ電流（IP）９が急速に減衰した場合
は、前述の如くトロイダル磁束（Φt）が急速に
変化するが、この磁束変化を打ち消す様に永久電
流スイツチ１９を介して誘導電流が超電導保護コ
イル１７に流れる。この結果、トロイダルコイル
３には高い誘起電圧が発生することが無くなり、
トロイダルコイル３の絶縁破壊を防ぐことができ
る。この様に超電導保護コイル１７には大きな誘
起電流Ieが流れるので、大電流下でも超電導状態
が保てる様に超電導保護コイル１７は極低温の超
流動ヘリウム１８により冷却する。次に、インバ
ータ電源回路２０をオン状態として導通させ、誘
導電流を外部の抵抗で減衰させると同時に、永久
電流スイツチ１９をオフ状態とし、誘起電流が充
分減衰した段階でインバータ電源回路２０もオフ
状態とし、超電導保護コイル１７の端子間を開放
にして、次のプラズマ電流９の立上げを行う。以
下この動作を繰り返す。上記動作のタイムチヤー
トを第７図に示す。
説明する。第６図は本発明の一実施例を示す断面
図である。超電導トロイダルコイルユニツト１３
の内側にプラズマ１０を囲む様に超電導導体１４
を用いた超電導保護コイル１７が設置されてい
る。超電導保護コイル１７も冷媒容器１６内に納
められていて、特別に冷却されて充満された超流
動ヘリウム１８により冷却されている。さらに、
超電導保護コイル１７の端子間には、永久電流ス
イツチ１９とインバータ電源回路２０がそれぞれ
並列に設置されている。永久電流スイツチ１９の
機能は超電導保護コイル１７の端子間短絡であ
り、インバータ電源回路の設置目的は超電導保護
コイル１７に誘起された誘起電流を減衰させるた
めである。即ち、トロイダルコイル３の励磁前に
おいては、永久電流スイツチ１９はオフ状態と
し、インバータ電源回路２０もオフ状態として超
電導保護コイル１７の端子間は開放としておく。
その後トロイダルコイル３を励磁し、変流器コイ
ル５の電流（IF）を急変させてプラズマ電流
（IP）９を立上げる。その後すみやかに永久電流
スイツチ１９をオンして超電導保護コイル１７の
端子間を短絡する。この状態で何らかの原因によ
りプラズマ電流（IP）９が急速に減衰した場合
は、前述の如くトロイダル磁束（Φt）が急速に
変化するが、この磁束変化を打ち消す様に永久電
流スイツチ１９を介して誘導電流が超電導保護コ
イル１７に流れる。この結果、トロイダルコイル
３には高い誘起電圧が発生することが無くなり、
トロイダルコイル３の絶縁破壊を防ぐことができ
る。この様に超電導保護コイル１７には大きな誘
起電流Ieが流れるので、大電流下でも超電導状態
が保てる様に超電導保護コイル１７は極低温の超
流動ヘリウム１８により冷却する。次に、インバ
ータ電源回路２０をオン状態として導通させ、誘
導電流を外部の抵抗で減衰させると同時に、永久
電流スイツチ１９をオフ状態とし、誘起電流が充
分減衰した段階でインバータ電源回路２０もオフ
状態とし、超電導保護コイル１７の端子間を開放
にして、次のプラズマ電流９の立上げを行う。以
下この動作を繰り返す。上記動作のタイムチヤー
トを第７図に示す。
なお、超電導保護コイル１７と超電導トロイダ
ルコイル１３は必ずしも前記実施例の様に一体化
する必要はなく、別体に構成してもよい。
ルコイル１３は必ずしも前記実施例の様に一体化
する必要はなく、別体に構成してもよい。
以上説明したように、本発明によれば、プラズ
マの急変時において、超電導トロイダルコイルに
過大な誘起電圧が発生するのを防いで、超電導ト
ロイダルコイルを絶縁破壊より保護することがで
きる。
マの急変時において、超電導トロイダルコイルに
過大な誘起電圧が発生するのを防いで、超電導ト
ロイダルコイルを絶縁破壊より保護することがで
きる。
第１図はトーラス型核融合装置の平面図、第２
図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図はプラズマの
反磁性効果を説明するためのトロイダル磁場分布
図、第４図はプラズマ消滅時の誘起電圧発生作用
を説明するための概念図、第５図は従来における
トロイダルコイルユニツトの断面図、第６図は本
発明の一実施例に係るトーラス型核融合装置のト
ロイダルコイルユニツトの断面図、第７図は本発
明の一実施例の動作を示すタイムチヤートであ
る。 ８……プラズマ容器、１０……プラズマ、１３
……超電導トロイダルコイルユニツト、１４……
超電導導体、１６……冷媒容器、１７……超電導
保護コイル、１８……超流動ヘリウム、１９……
永久電流スイツチ、２０……インバータ電源回
路。
図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図はプラズマの
反磁性効果を説明するためのトロイダル磁場分布
図、第４図はプラズマ消滅時の誘起電圧発生作用
を説明するための概念図、第５図は従来における
トロイダルコイルユニツトの断面図、第６図は本
発明の一実施例に係るトーラス型核融合装置のト
ロイダルコイルユニツトの断面図、第７図は本発
明の一実施例の動作を示すタイムチヤートであ
る。 ８……プラズマ容器、１０……プラズマ、１３
……超電導トロイダルコイルユニツト、１４……
超電導導体、１６……冷媒容器、１７……超電導
保護コイル、１８……超流動ヘリウム、１９……
永久電流スイツチ、２０……インバータ電源回
路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ プラズマ容器と、このプラズマ容器内にプラ
ズマ電流を発生させる変流器コイルと、前記プラ
ズマ容器内にプラズマを閉じ込める超電導導体か
らなる超電導トロイダルコイルとを備えたものに
おいて、前記超電導トロイダルコイルに近接して
そのプラズマ側に、超電導トロイダルコイルの巻
回方向と同一の巻回方向にプラズマを囲むように
巻回された超電導導体からなる超電導保護コイル
を設け、その両端をスイツチング手段を介して電
気的に接続したことを特徴とするトーラス型核融
合装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記スイツ
チング手段は永久電流スイツチからなることを特
徴とするトーラス型核融合装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記スイツ
チング手段と並列にインバータ電源回路を接続し
たことを特徴とするトーラス型核融合装置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記超電導
保護コイルを超流動ヘリウム雰囲気内に設置した
ことを特徴とするトーラス型核融合装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55166520A JPS5791486A (en) | 1980-11-28 | 1980-11-28 | Toroidal nuclear fusion equipment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55166520A JPS5791486A (en) | 1980-11-28 | 1980-11-28 | Toroidal nuclear fusion equipment |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5791486A JPS5791486A (en) | 1982-06-07 |
| JPH0121919B2 true JPH0121919B2 (ja) | 1989-04-24 |
Family
ID=15832836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP55166520A Granted JPS5791486A (en) | 1980-11-28 | 1980-11-28 | Toroidal nuclear fusion equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5791486A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10784001B2 (en) | 2018-01-17 | 2020-09-22 | Lockheed Martin Corporation | Passive magnetic shielding of structures immersed in plasma using superconductors |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2262267B1 (ja) * | 1974-02-22 | 1976-12-03 | Commissariat Energie Atomique | |
| JPS5399794A (en) * | 1977-02-10 | 1978-08-31 | Toshiba Corp | Thermal permanent current switch |
| JPS55107209A (en) * | 1979-02-13 | 1980-08-16 | Toshiba Corp | Strong magnetic field generator |
-
1980
- 1980-11-28 JP JP55166520A patent/JPS5791486A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5791486A (en) | 1982-06-07 |
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