JP7171574B2

JP7171574B2 - クエンチ保護システム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アセンブリ

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Publication number: JP7171574B2
Application number: JP2019533210A
Authority: JP
Inventors: ポールヌーナン、; ロバートスレード、
Original assignee: トカマクエナジーリミテッド
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: KR20190094457A; CN110494925B; EP3559955A1; US20200091702A1; RU2019122455A3; CN110494925A; EP3559955B1; JP2020515036A; RU2019122455A; WO2018115818A1; CA3050994A1; US11190006B2; RU2754574C2; KR102378965B1

Description

本発明は超伝導磁石に関する。より詳細には、本発明は、このような磁石、特に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。

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であるため、超伝導磁石はゼロ損失で高電流を流すことができ（非超伝導コンポーネントによるいくらかの損失は存在するが）、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。

超伝導は、特定の材料でのみ、かつ、低温でのみ起こる。超伝導材料は、超伝導体の臨界温度（材料が印加磁場ゼロで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で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、超伝導体が抵抗性（又は「常伝導性」、本明細書では「超伝導ではない」という意味で使用される）になることなく超伝導体により搬送可能な電流を制限する。超伝導材料には２つのタイプが存在する。タイプＩの超伝導体は、磁束侵入を完全に排除しかつ低い臨界磁場を有し、タイプＩＩの超伝導体は、磁束がフラックス渦と呼ばれる局所的な常伝導領域のより低い臨界磁場の上で超伝導体を貫通することを可能にする。それらは上部臨界磁場では超伝導しなくなる。この特徴は、それらを超伝導磁石の構造用のワイヤーに使用することを可能にする。フラックス渦部位を原子格子に固定するために多大な努力が払われており、それにより、より高い磁場及び温度において臨界電流が改善される。

大まかに言って、タイプＩＩの超伝導体には２つのカテゴリーが存在する。低温超伝導体（ＬＴＳ）は一般に（外部磁場なしで）２０Ｋ未満の臨界温度を有し、高温超伝導体（ＨＴＳ）は一般に４０Ｋを超える臨界温度を有する。現在の多くのＨＴＳ材料は、７７Ｋを超える臨界温度を有するので、冷却用の液体窒素の使用が許される。しかしながら、当業者には明らかなように、ＬＴＳ及びＨＴＳは臨界温度以外の基準によって区別され、ＨＴＳ及びＬＴＳは特定のクラスの材料に関する技術用語である。一般的に（排他的ではないが）、ＨＴＳ材料はセラミックであり、ＬＴＳ材料は金属である。

超伝導磁石において起こり得る１つの問題はクエンチである。クエンチは、超伝導線又はコイルの一部が抵抗状態に入ると発生する。これは、温度若しくは磁場の変動、又は（例えば核融合炉で磁石を使用する場合の中性子照射による）超伝導体の物理的損傷若しくは欠陥が原因で起こり得る。磁石に存在する高電流により、超伝導体のごく一部でも抵抗になると、超伝導体は急速に発熱する。すべての超伝導線には、クエンチ保護用の銅安定化材が含まれている。超伝導体が常伝導性になると、銅は電流の代替経路を提供する。存在する銅が多いほど、クエンチした導体の領域の周囲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。

ＬＴＳ磁石では、クエンチが発生すると、「常伝導ゾーン」は急速に、すなわち毎秒数メートルのオーダーで広がる。これは、低温でのすべての材料の低い熱容量と、ＬＴＳ材料が一般にそれらの臨界温度に非常に近いところで操作されることが原因で起こる。これは、クエンチがＬＴＳ磁石内で急速に伝播し、クエンチ内で消散した蓄積磁場エネルギーが磁石全体に広がり、磁石を暖めることを意味する。

高温で操作されるＨＴＳ材料は、より高い比熱容量を有するので、ワイヤーの一部分を常伝導状態にするのに必要とされるエネルギーははるかに大きい。これは、クエンチはＬＴＳ磁石よりＨＴＳ磁石の方がはるかに少ないことを意味する。しかしながら、それは、常伝導ゾーンの伝播速度も、ＬＴＳ磁石の毎秒数メートルに比べてはるかに遅い、すなわち毎秒数ミリメートルのオーダーであることを意味する。クエンチが最初は少量の磁石にしか影響を及ぼさないので、その領域だけが抵抗性になる。したがって、クエンチ中に消散したエネルギーは、その少量に（すなわち、より具体的には、常伝導ゾーンからの電流が迂回する銅に）放出される。このエネルギー集中は、例えば溶融、アーク放電など、ＨＴＳテープへの永久的な損傷を引き起こす可能性がある。ＨＴＳ磁石は一般に、冷却液の槽に浸されるのではなく間接的に冷却されるため、「スポット」冷却力はＬＴＳ磁石に比べて小さくなるので、これはさらに悪化する。

磁場に蓄えられるエネルギーは、以下の式により与えられる。

すなわち、磁束密度が大きいほど、かつ、体積が大きいほど、磁石の蓄積エネルギーは大きくなる。大きな磁石によって放出されるエネルギーは、１本のダイナマイトと同程度のオーダーになり得る。ＬＴＳ磁石の場合、このエネルギーは、磁石全体を温めながら消散し得る。クエンチ保護のないＨＴＳ磁石の場合、このエネルギーは磁石の体積のごく一部で消散する可能性がある。一般に、大きなＨＴＳ磁石は、著しい加熱が起こる前に急冷が検出される検出段階を含み、続いてホットスポット温度が高くなりすぎる前に磁石電流が急激に減少する消散段階がある、能動的クエンチ保護システムを必要とする。

現在までに（ＢＳＣＣＯ及びＲｅＢＣＯ被覆導体を用いて）構築されたほとんどのＨＴＳ磁石は、実際にはクエンチ保護を有していない。これは、それらがほとんど小型で低コストのプロトタイプで、蓄積エネルギーがほとんどないため、また前述のように、適切に設計されたＨＴＳ磁石のクエンチが非常に低い確率であるためである。したがって、ＨＴＳ磁石をクエンチ保護するか否かの決定は、本質的に経済的なものである。小型のプロトタイプ磁石は、まれにクエンチした場合に比較的簡単に修理できる。結果として、ＨＴＳ磁石のクエンチ保護技術は依然として未熟である。

ＨＴＳ磁石の１つの用途はトカマク核融合炉である。トカマクは、核融合が起こり得るように熱安定プラズマを提供するために、強いトロイダル磁場と、高いプラズマ電流と、通常、大きなプラズマ体積とかなりの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の中性ビーム入射による）は、核融合が起こるのに必要な十分に高い値まで温度を上昇させるため及び／又はプラズマ電流を維持するために必要である。

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のために、建設費及び維持費が高く、磁石システムとプラズマの両方に存在する大きな蓄積エネルギーに対処するために、エンジニアリングが頑強でなければならないことである。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激しい不安定性において数千分の１秒でゼロまで減少することを起こす性質がある。

この状況は、従来のトカマクのドーナツ型トーラスをその極限まで収縮させ、芯のあるリンゴの外観を有する「球状」トカマク（ＳＴ）とすることによって改善することができる。ＣｕｌｈａｍのＳＴＡＲＴトカマクにおけるこの概念の最初の実現は、効率の大幅な向上、すなわち高温プラズマを閉じ込めるために必要な磁場を１０分の１に減らすことができることを実証した。加えて、プラズマ安定性が改善され、建設コストが削減される。

経済的な発電に必要とされる核融合反応（すなわち、電力入力よりもはるかに多くの電力出力）を得るために、従来のトカマクは、エネルギー閉じ込め時間（プラズマ体積におおよそ比例する）が十分大きくなり、熱溶融が起こるのに十分なほどプラズマが高温になることができるように大きくなければならない。

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ためのコンパクトな球状トカマクの使用を含む代替的なアプローチを記載している。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、はるかに小さい機械での正味の発電を可能にする。しかしながら、小さな直径の中心柱が必要であり、それはプラズマ閉じ込め磁石の設計に対する課題を提示する。

トカマクにとってのＨＴＳの主な魅力は、強磁場において高電流を搬送するＨＴＳの能力である。これは、中心柱の表面の磁束密度が２０Ｔを超えるようなコンパクトな球状トカマク（ＳＴｓ）において特に重要である。副次的な利点は、ＨＴＳがＬＴＳよりも高い温度、例えば約２０Ｋで高磁場において高電流を流すことができることである。これは、より薄い中性子シールドの使用を可能にし、その結果、中心柱のより高い中性子加熱をもたらし、これは液体ヘリウムを使用する（すなわち、４．２Ｋ以下での）操作を排除する。これは次に、約２ｍ未満、例えば約１．４ｍの主プラズマ半径を有する球状トカマクの設計を検討することを可能にする。このような装置は、極低温冷却のためにその電力出力の数パーセントをリサイクルするであろう。

それでもなお、このような磁石は、ＨＴＳ材料を用いて以前に設計されたものよりはるかに大きい。比較的小さいトカマク用でさえもトロイダル磁場（ＴＦ）磁石は、今日までに作られた最大のＨＴＳ磁石であり、ＬＴＳ規格によっても高い蓄積エネルギーを有する大型磁石を示す。導体の臨界電流低下に対処することができる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の主半径で動作する球状トカマク用のＴＦ磁石（約４．５Ｔ）の蓄積エネルギーは１５０～２００ＭＪであり、１４０ｃｍのトカマク用のＴＦ磁石（約３Ｔ）は１２００ＭＪを超えるであろう。

クエンチ保護システムの役割は、超伝導体から銅安定化材への電流の移動を検出することによって、損傷を最小限に抑えるために開始後できるだけ早く又は開始前に、局所的なクエンチ、すなわち「ホットスポット」を検出すること、及び回路遮断器を開いて磁石の蓄積エネルギーを抵抗型負荷に放出することである。エネルギーダンプは、室温で磁石のクライオスタットの外側の抵抗器に電流を通すことによって、又は磁石の「コールドマス」を加熱して抵抗性にすること、任意選択的に磁石自身の蓄積エネルギーを使用して超伝導コイルを通してクエンチをより速く人為的に伝播させる（エネルギーが磁石全体を通して消散し、磁石がホットスポットにおいて急激な温度上昇を引き起こすのではなく、徐々に暖まる）ことによって達成することができる。磁石全体をクエンチするのに必要な熱はＬＴＳにおけるよりもはるかに大きく、実際には実施するのが難しいので、ＨＴＳ磁石では人為的な伝播は困難である。

ＣＥＲＮで開発され、論文「Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯ：高磁場超伝導磁石用のクエンチ保護システム」（ｈｔｔｐｓ：／／ｅｄｍｓ．ｃｅｒｎ．ｃｈ／ｕｉ／＃！ｍａｓｔｅｒ／ｎａｖｉｇａｔｏｒ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ？Ｄ：１０５２０９４０７１：１０５２０９４０７１：ｓｕｂＤｏｃｓ）に詳述されているＥ³ＳＰｒｅＳＳＯシステムは、ＨＴＳコイルと直列に１つ以上の無誘導巻きＬＴＳコイルを提供することによって、ＨＴＳ磁石における人為的なクエンチ伝播に関する問題を回避する。ＨＴＳ部分でクエンチ（ホットスポット）が検出されると、ＬＴＳコイルは、磁石の蓄積エネルギーをＨＴＳではなくＬＴＳに確実に放出するために、（ヒーター又はＣＥＲＮが開発したＣＬＩＱＡＣ損失法などの他の手段を用いて）迅速にクエンチされる。上述のように、ＬＴＳコイルにおけるクエンチは、一般に非破壊的であり、無誘導巻きＬＴＳコイルは、エネルギーダンプによって生じる温度上昇が損傷を引き起こすには小さすぎるように設計することができる。Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯの方法は、ダンプ抵抗器と回路遮断器の機能を冷たいＬＴＳ部分にまとめて、それらを磁石のクライオスタットの内部に又は熱的にリンクされた別のクライオスタットの内部に移動する。

このため、Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯユニットは、磁気共鳴の用途に使用される持続モードＬＴＳ磁石において超伝導磁石回路を閉じるのに通常使用される超伝導スイッチと非常によく似た動作をする。しかしながら、このようなスイッチは、エネルギーダンプとして意図されていないので熱容量が低い。ＨＴＳ磁石のエネルギーを既知のＬＴＳスイッチに放出すると、スイッチが溶けてスイッチと近くのコンポーネントの両方に重大な損傷を与える可能性がある。

国際公開第２０１３／０３０５５４号

本発明の一態様によれば、トロイダル磁場コイルが提供される。トロイダル磁場コイルは、中心柱と、複数のリターンリムと、クエンチ保護システムと、冷却システムとを含む。中心柱はＨＴＳ材料を含む。各リターンリムは、クエンチ可能部分と、２つのＨＴＳ部分と、クエンチシステムとを含む。クエンチ可能部分は超伝導材料を含み、トロイダル磁場コイルの磁場に寄与するように構成される。ＨＴＳ部分はＨＴＳ材料を含む。ＨＴＳ部分は、クエンチ可能部分を中心柱に電気的に接続し、中心柱及びクエンチ可能部分と直列である。クエンチシステムは、クエンチ可能部分に関連付けられ、クエンチ可能部分をクエンチするように構成される。クエンチ保護システムは、トロイダル磁場コイルにおけるクエンチを検出し、クエンチの検出に応答して、トロイダル磁場コイルから１つ以上のクエンチ可能部分にエネルギーを放出するために、クエンチシステムに１つ以上のクエンチ可能部分において超伝導材料をクエンチさせるように構成される。冷却システムは、超伝導材料が超伝導である温度まで各クエンチ可能部分を冷却するように構成される。各クエンチ可能部分は、トロイダル磁場コイルからクエンチ可能部分にエネルギーが放出されるときにクエンチ可能部分の温度を第１の所定の温度より低いままにするのに十分な熱容量と、ＨＴＳ部分のクエンチされた部分の温度が第２の所定の温度より低いままであるのに十分な速さで磁石の電流の減衰を引き起こすのに十分な抵抗率とを有する。

本発明のさらなる態様によれば、トロイダル磁場コイルが提供される。トロイダル磁場コイルは、中心柱と、高温超伝導（ＨＴＳ）材料の巻きを含む複数のリターンリムとを含む。中心柱は、ＬＴＳコアとＨＴＳ外層とを含む。ＬＴＳコアは、ＬＴＳ材料を含み、トロイダル磁場コイルの磁場に寄与するように構成される。ＨＴＳ外層は、ＬＴＳコアを囲み、ＨＴＳ材料を含む。ＬＴＳコアは、リターンリムの少なくともいくつかのターン（巻き）と直列であり、ＬＴＳコアにおいてクエンチを引き起こすように構成されたクエンチシステムを含む。トロイダル磁場コイルは、クエンチ保護システムと冷却システムとをさらに含む。クエンチ保護システムは、クエンチを検出し、クエンチの検出に応答して、トロイダル磁場コイルからＬＴＳコアにエネルギーを放出するためにクエンチシステムにＬＴＳコアをクエンチさせるように構成される。冷却システムは、ＬＴＳ材料が超伝導である温度までＬＴＳコアを冷却するように構成される。ＬＴＳコアは、エネルギーがトロイダル磁場コイルからＬＴＳコアに放出されるときにＬＴＳの温度を第１の所定の温度より低いままにするのに十分な熱容量と、ＨＴＳ部分のクエンチされた部分の温度が第２の所定の温度より低いままであるのに十分な速さで磁石の電流の減衰を引き起こすのに十分な抵抗率とを有する。

本発明のさらなる態様によれば、球状トカマクに用いるためのポロイダル磁場コイルアセンブリが提供される。ポロイダル磁場コイルアセンブリは、第１ポロイダル磁場コイルと、第２ポロイダル磁場コイルと、クエンチシステムと、クエンチ保護システムと、冷却システムとを含む。第１ポロイダル磁場コイルは、高温超伝導（ＨＴＳ）材料を含む。第２ポロイダル磁場コイルは低温超伝導（ＬＴＳ）材料を含み、第１ポロイダル磁場コイルと直列に接続される。クエンチシステムは、第２ポロイダル磁場コイルと関連付けられ、第２ポロイダル磁場コイルをクエンチするように構成される。クエンチ保護システムは、第１ポロイダル磁場コイルにおけるクエンチを検出し、クエンチの検出に応答して、蓄積磁気エネルギーを第２ポロイダル磁場コイルに放出するために、クエンチシステムに第２ポロイダル磁場コイルにおいてＬＴＳ材料をクエンチさせるように構成される。冷却システムは、ＬＴＳ材料が超伝導である温度まで第２ポロイダル磁場コイルを冷却するように構成される。第２ポロイダル磁場コイルは、エネルギーが第２ポロイダル磁場コイルに放出されるときにＬＴＳの温度を第１の所定の温度より低いままにするのに十分な熱容量と、第１ポロイダル磁場コイルのクエンチされた部分の温度が第２の所定の温度より低いままであるのに十分な速さで磁石の電流の減衰を引き起こすのに十分な抵抗率とを有する。

本発明のさらなる態様によれば、上記の態様のいずれかによるトロイダル磁場コイル及び／又はポロイダル磁場コイルアセンブリを含む核融合炉が提供される。

本発明のさらなる実施形態は、請求項２以下に記載されている。

一実施形態による例示的なトロイダル磁場コイルの概略図である。クエンチ可能なＨＴＳ部分の概略図である。クエンチ可能なＨＴＳ部分の概略図である。温度に対するステンレス鋼及び銅の熱容量のグラフである。温度に対するステンレス鋼及び銅の抵抗率のグラフである。クエンチ検出後の経時的な温度及び電流のグラフである。一実施形態によるリターンリムの温度のグラフである。一実施形態による接合部の概略図である。一実施形態によるリターンリムの一部の概略図である。

当初提案されたように、Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯコイルは磁石の磁場に寄与せず、非誘導的に巻かれている。加速器磁石において、ＨＴＳコイルは、双極子磁石の磁場を増強するために、より大きなＮｂ３ＳｎＬＴＳコイルの内側に入れ子にされた挿入コイルの形でしばしば使用される。この場合、それらは４．２Ｋ以下のＬＨｅ内で操作されるであろう。Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯコイルは、クライオスタット及び／又は冷却手段をＨＴＳ磁石及びＬＴＳ磁石と共同使用することができる。

トカマクに適用する場合、Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯシステムにいくつかの改善を加えることができる。トカマクのトロイダル磁場コイルは、それらの磁場が重なり合っている中心柱に密集した直線部分と、その磁場が比較的分離されている別々のリターンリムとを有する特徴的な「Ｄ字形」を有する。これにより、中心柱での正味の磁場は、中心柱から離れたリターンリムでの磁場よりもはるかに高くなる。加えて、トカマクの中心柱はできる限り直径を小さくしておくことが不可欠であるため、中心柱内のスペースは非常に重要であるが、リターンリム内のスペースに対する制約はそれほど厳しくない。これにより、リターンリムの一部としてＥ³ＳＰｒｅＳＳＯのようなクエンチ可能部分を含む可能性が広がる。以下に説明するように、このクエンチ可能部分は、ＬＴＳ又はＨＴＳであり得る。

意図的にクエンチ可能なＨＴＳの使用は、ＨＴＳがＬＴＳよりも桁違いに高い最小クエンチエネルギーを有するので、これまで当業者によって実行可能であるとは考えられていなかった。このため、ＨＴＳコイルの大部分を意図的にクエンチすることは、コイル内のＨＴＳテープに熱的に結合されているヒーターから大きなエネルギーパルスを注入することを必要とし、それによって温度は約数ミリ秒でコイルの大部分にわたって上昇し得る。コイル巻線内にヒーターが存在すると、工学的電流密度が減少する。これらのコイルが磁場に寄与する場合、磁石のテスラ／アンペア効率は著しく低下するであろう。しかしながら、トロイダル磁場コイルのリターンリムでは、リターンリムは効率的に中心柱のリターン電流経路を提供することのみを必要とし、主プラズマ半径における磁束密度に大きく寄与しないので、ＨＴＳの工学的電流密度はそれほど重要ではない。したがって、ＨＴＳテープをコイル内で離間させて、テープと密接に熱的に結合されているヒーター用のスペースをテープ間に挿入可能にすることが容認される。実のところ、リターンリムのピークＢ磁場を減少させるためにリムのＨＴＳテープをある程度広げることが実際には有利である。

代わりに、リターンリムの低磁場は、ＨＴＳを中心柱及びリターンリムの最も高い磁束密度を経験する部分に保持しながら、６Ｋ以下の安価なＮｂＴｉ（又は適切な温度の他のＬＴＳ導体）をリターンリムの低磁場部分に使用することを可能にする。開示されたＥ³ＳＰｒｅＳＳＯ概念とは対照的に、リターンリムのＬＴＳ部分は磁石の磁場に寄与する。したがって、ＬＴＳ部分はインダクタンスを有する。より大きな主半径（＞約２～３ｍ）を有するＳＴ装置では、同じ温度（ＮｂＴｉでは６Ｋ以下）で磁石全体（ＨＴＳ部分とＬＴＳ部分の両方）の動作を可能にするのに十分な厚さの中性子シールドのために超伝導中心柱とプラズマとの間に十分な半径方向空間がある。しかしながら、約１．４～２ｍのプラズマ半径を有するより小さな装置が最適なコスト／性能を提供すると考えられる。この場合、中性子シールドは薄すぎて、ＬＴＳリターンリムと同じ６Ｋ以下の温度でＨＴＳ中心柱を費用効果的に冷却することができない。したがって、ＨＴＳ中心柱は、６Ｋから２０Ｋの範囲内で、ＬＴＳ部分よりも高い温度で作動することが好ましい。これは、今度は、リターンリムの水平ＨＴＳ部分がそれらに沿って温度勾配を有し、電流リードとして動作することを必要とする。中心柱からリターンリム内のＬＴＳ部分への正味の熱流があり、これは、全体の極低温冷却力を生成される核融合電力の数パーセント未満に保つために最小化しなければならない。

Ｅ³ＳＰｒｅＳＳＯで使用されるＣＬＩＱヒーターなどの高速クエンチ保護方法は、リターンリムのＬＴＳ部分に直接統合され、ＨＴＳ部分のいずれかでクエンチが検出された場合は同時にそれらをクエンチする。これから分かるように、この技術革新は他のいくつかの利点をもたらす。

いずれの場合も、基本的な概念は同じである。リターンリムは超伝導材料を含み、磁石の蓄積エネルギーを吸収するのに十分な熱容量を有し、トロイダル磁場コイルにホットスポットが検出された場合に「要求に応じて」それらのリターンリムの超伝導材料をクエンチする手段を提供するように構成されることができる。

２つのアプローチの主な違いは、ホットスポットが磁石のどこかで検出されたときにリターンリムを迅速にクエンチするのに必要な熱量である。ＨＴＳの最小クエンチエネルギーがＬＴＳよりも桁違いに高いことは、ＨＴＳコイルがＬＴＳコイルに比べて本質的に安定していることを意味する。確かに、ＬＴＳコイルは、特に磁石のランピング中に自発的なクエンチを起こしやすいことがよく知られている。これはＨＴＳ磁石では観察されない。クエンチ可能部分へのＨＴＳの使用はこの理由で好ましいが、これはＨＴＳの追加費用とクエンチ可能部分を要求に応じてクエンチするのに必要とされる実質的により高いヒーター電力と比較考量しなければならない。

図１Ａは、コンパクトな球状トカマクを通る断面の概略図（立面図、半断面）である。トカマクは、１．４ｍの範囲内で、主半径Ｒ_Pにおいて３～４テスラの静的トロイダル磁束密度Ｂ_Tを発生させることができるプラズマ閉じ込め磁石を含む。この磁界を発生させるためには、約２０～３０ＭＡの電流がトロイダル磁場（ＴＦ）磁石１００の中心柱１０１内で軸方向に流れなければならない。図１Ａは、ＴＦ磁石１０１の１つのコイルを示す。トカマクの周りに方位角方向に配置された多くのそのようなコイルがあることが理解されるであろう。図１はまた、プラズマ電流の位置及び安定性を制御するのに使用される軸方向磁場を生成するＴＦコイルのリターンリム１０２及びポロイダル磁場コイル１０７を示す。

パイロット磁石用の超伝導コア１０２の最小半径は、ピーク磁気応力及びＨＴＳのクエンチ中のホットスポット温度の上昇速度を制限するのに十分な銅安定化材の提供によって約２０～２５ｃｍに制限される。これにより、プラズマチャンバー１０４の断熱材１０３及び磁石クライオスタットに加えて中性子シールド１０５のために約４０ｃｍの半径方向空間が残る。この半径において、コアに要求される工学的電流密度Ｊ_eは約１５０～２００Ａ／ｍｍ²であり、コア表面のピーク磁束密度は２０～２５Ｔである。

図１Ｂは、トロイダル磁場磁石のより概略的な断面図であり、２つのリターンリム１０２をより詳細に示している。リターンリムは図１Ｂに実質的に矩形断面で示されているが、図１ＡのＤ字形断面を含む他の多くの断面が可能であることが当業者には理解されるであろう。トロイダル磁場磁石は、中心柱１０１と複数のリターンリム１０２とを含む。リターンリムはそれぞれ、１つ以上のＨＴＳ部分１１２と「クエンチ可能」部分１２２とを含む（本明細書では「クエンチ可能」は「要求に応じてクエンチ可能」として理解されるべきである）。ＨＴＳ部分とクエンチ可能部分とを接続するために接合部１３２が設けられている。クエンチ可能部分は、ＨＴＳ部分と直列に設けられ、要求に応じて（例えば、当技術分野で知られているようなヒーター又は他の電磁／ＡＣ損失手段を用いて）クエンチされることができるように構成される。

クエンチ可能部分１２２は、ＬＴＳ材料を含むことができる。これにより、磁石のＨＴＳの一部をＬＴＳに置き換えることが可能になり、システムの線材コストが削減されるが、極低温冷却のコストが増加する。ＬＴＳ材料は好ましくはＮｂＴｉであり、これは６Ｋ以下への冷却を必要とする。（図１Ａに示されるように）中性子シールドのための限られた半径方向空間を有するより小さなＳＴにおいて、ＨＴＳの中心柱は、ＬＴＳ部分よりも高い温度で操作されるであろう。

代わりに、クエンチ可能部分１２２は、ＨＴＳ材料を含むことができる。これにより、ＬＴＳ部分で望ましくないクエンチが発生する可能性が高まり、ＬＴＳの冷却力要求が高まる。ＨＴＳクエンチ可能部分は、トロイダル磁場コイルのより高い磁場部分（例えば、中心柱、及びリターンリムの他の部分）と同じ温度で動作させることができる。

次に、ＬＴＳクエンチ可能部分を含む例示的なトロイダル磁場コイルについて説明する。トロイダル磁場コイルは、図１Ｂに示される構造、すなわちリターンリムの垂直部分に設けられたＬＴＳクエンチ可能部分１２２を有する矩形断面を有するが、同様の考察が任意の幾何学形状に当てはまることが理解されるであろう。このモデルのために、接合部１３２の影響は無視される。

ＬＴＳ部分は６Ｋ以下に冷却される。この実施例では、ＬＴＳを４．２Ｋに冷却することを想定しているが、大気圧で沸騰する液体ヘリウム槽への浸漬（４．２Ｋ）、直接的又は間接的なヘリウム蒸気冷却（＞４．２Ｋ）、又はケーブルインコンジット法を用いた過冷却ＬＨｅ（＜＝４．２Ｋ）などの様々な選択肢が可能である。クライオプラントによってヘリウム冷却剤から熱が除去される。ＨＴＳの中心柱の冷却が必要とされる場合、ＬＴＳと中心柱の両方を、より大きなトロイダル磁場コイルでは同じ温度まで、又はより小さなトロイダル磁場コイル、例えば球状トカマクでは好ましくは１０～２０Ｋなどのより高い温度まで冷却するように、同じクライオプラントを適合させることができる（すなわち、クライオプラントは、複数の温度への冷却を提供するように適合され得る）。リターンリムの水平コンポーネント１１２は、クエンチ安定化に必要な銅マトリックス内のＨＴＳであり、ＨＴＳの中心柱とＬＴＳとの間の熱電流リードとして働く。水平コンポーネントの温度は、ＬＴＳに接触する４．２Ｋから中心柱に接触する１０～２０Ｋまで様々である。４．２ＫでのＨＴＳの中心柱からＬＴＳ部分への全熱漏洩は、電流リード部分の長さ、使用される銅及び他の安定化材の量に応じて１００Ｗから数ｋＷの間であろう。ＬＴＳを４．２Ｋに維持するのに必要とされるクライオプラント電力は、０．５ＭＷ未満から数ＭＷまで様々であり、これは小さいＳＴの予測される核融合出力の５％未満である。

ここで、ＨＴＳクエンチ可能部分を含む例示的なトロイダル磁場コイルについて説明する。トロイダル磁場コイルは、図１Ｂに示される構造、すなわちリターンリムの垂直部分に設けられたＨＴＳクエンチ可能部分１２２を有する矩形断面を有するが、同様の考察が任意の幾何学形状に当てはまることが理解されるであろう。このモデルのために、接合部１３２の影響は無視される。

ＨＴＳクエンチ可能部分は、それらの部分のＨＴＳ材料を超伝導にするのに十分な温度でなければならない。各ＨＴＳのクエンチ可能部分は、すべてのＨＴＳを一度にクエンチすることができるように、その部分の各ＨＴＳテープと並んで配置されたヒーターストリップを有する。任意選択的に、ヒーターが設けられていないＨＴＳクエンチ可能部分の両端にいくらかのマージンが存在してもよい。ヒーターは、（所望のケーブル形状に従って配向された）一対のＨＴＳテープの間に配置されたヒーターストリップ（例えば、カプトン被覆又は他の方法で絶縁されたステンレス鋼テープ）の形態であることができる。この実施例が図２Ａ及び図２Ｂに示されており、ここで、基板２０２ａとＨＴＳ層２０２ｂと含むＨＴＳテープ２０２がタイプ０対２００に置かれ、すなわち、隣接するストリップのＨＴＳ層２０２ｂは互いに面して置かれ、それらの間にある銅の厚い層２０４と両側への銅の張り出し部２０５（これは隣接するタイプ０対への電流経路を提供する）とを有する。絶縁コーティング２０３を有するヒーターストリップ２０１が、各タイプ０対のＨＴＳテープ２０２間に配置され、厚い銅層に埋め込まれている。図２Ａは、その中にヒーター２０１が埋め込まれた単一のタイプ０対を示し、図２Ｂは、このような層のスタックを示す。

ヒーターストリップ２０１は、大きな電流パルスが短時間にそれらを通って駆動され得るように、非誘導的に接続されるべきである。図３はこれを達成する配置を示す。各タイプ０対２００は、（トロイダル磁場コイルの他の部分に接続するのに使用される）各端部に銅コネクタ３０１を有する。ヒーターストリップ２０１は、電流の方向が１つのヒーターストリップから次のヒーターストリップに互い違いになる（例えば、電流が第１及び第３のヒーターストリップでは上向きに、第２及び第４のヒーターストリップでは下向きに流れる）ように、銅から絶縁されたワイヤー３０２を介して接続される。第１及び最後のヒーターストリップは、必要な電流パルスを供給するコンデンサーバンク３０４にスイッチ３０３を介して接続される。

ＨＴＳテープの各対の間にヒーターストリップを追加すると、各対のテープ間の抵抗率が増加し、これにより、クエンチ中又は磁石のランピング中にＨＴＳテープ間で電流が移動するときの損失が増加する。これは、テープスタックの端における銅張り出し部２０５の厚さ（すなわち、テープに対して垂直な厚さ）を増大させることによって補償することができる。

（例えば、ＮＭＲ磁石インサートにおける）ＨＴＳコイルをクエンチするためのヒーターの既知の使用法では、工学的（正味）電流密度を著しく薄めることはできないので、ＨＴＳを加熱する能力と正味電流密度との間で妥協が必要である。トカマクの場合、工学的電流密度はリターンリムの重要な考慮事項ではないので、ＨＴＳクエンチ可能部分の各テープと近接して熱的に接触するヒーターが存在する最適なヒーター配置を使用することができる。

クエンチ可能部分にあるＨＴＳ材料をクエンチするのに必要な熱はかなりのものになるであろう。トロイダル磁場コイルのどこかでクエンチが検出されると、エネルギーはコンデンサーバンク及び高速作動スイッチによって提供され、ヒータースイッチを通して大きな電流パルスを駆動することができる。

この技術は、トロイダル磁場コイルのどこでクエンチが検出されてもクエンチ可能部分にあるＨＴＳ材料がクエンチされるという点でクエンチ伝播とは異なる。例えば、小さな局所的なホットスポットの形で中心柱において検出されたクエンチは、この最初に検出されたクエンチを伝播させようとするのではなく、クエンチ可能部分にあるＨＴＳ材料をクエンチすることによって応答される。

磁石からエネルギーを効率的に放出するために、クエンチ可能部分１２２は、磁石内の電流を急速に減少させるために十分に高い超伝導でないときの抵抗（「常抵抗」）と、確実に溶融することなく、好ましくは室温をはるかに超えて上昇することなく、磁石の蓄積エネルギーを吸収するために十分に高い熱容量とを有さなければならない。ＨＴＳクエンチにおけるホットスポット温度は、（選択された材料の抵抗率によってある程度決まる）クエンチ可能部分の常抵抗によって決まり、クエンチ可能部分における超伝導体の最高温度は主にクエンチ可能部分の熱容量によって決まる。クエンチ可能部分の長さがこの実施例では制限されている（そして一般に、ＬＴＳを高磁場領域に配置するのを避けるため、又はスペースが限られた領域でヒーターを使用するのを避けるために幾分制限されている）ので、これらは相反する要求である。熱容量は、クエンチ可能部分の断面積を大きくすることによって（例えば、クエンチ可能部分にある非超伝導安定化材の断面積を大きくすることによって）増加させることができるが、これはまた常抵抗を低下させるであろう。非超伝導安定化材として銅以外の材料を使用すると、常抵抗を低くし過ぎずに熱容量を増加させることができる。例えば、図４及び図５に示されるように、ステンレス鋼の熱容量（４０１）は銅の熱容量（４０２）と同様であるが、ステンレス鋼の電気抵抗率（５０１）は銅の電気抵抗率（５０２）よりも高い。一般に、体積熱容量に対する抵抗率の比が銅のそれよりも大きい金属が適している。

非銅安定化材は、銅安定化材に加えて、例えば、ステンレス鋼マトリックス内に１：１の比のＣｕ：超伝導体、又は他の市販の銅安定化超伝導体を提供することによって組み込むことができる。コイルの全エネルギーがクエンチ可能部分に放出される場合、超伝導体の温度を特定の値、例えば３００Ｋに制限するのに十分なステンレス鋼を加えるべきである。電流減衰は、クエンチ可能部分のインダクタンスと温度依存抵抗に依存する。１：１のＣｕ：ＮｂＴｉ超伝導体（ＮｂＴｉは一般的なＬＴＳ材料である）を使用するこのような構成は、模擬クエンチの電流（６０１）、ピークＨＴＳホットスポット温度（６０２）及びピークＮｂＴｉ温度（６０３）を示す図６のシミュレーションに示されるように、クエンチ中のＨＴＳホットスポット温度を約１００Ｋに制限する可能性が高い。より低いＣｕ：超伝導体超伝導体を使用する構造は、ピークＨＴＳホットスポット温度をさらに、例えば０．１：１のＣｕ：超伝導体で約５０Ｋまで低下させることができるが、これはクエンチ可能部分の安定性を維持する必要性と比較考量しなければならない。

従来のＨＴＳコイルを使用するトロイダル磁場磁石は、それぞれが高電流を搬送する少ない巻き数で設計される（例えば、主半径１．４ｍの約３Ｔの磁場に対して、それぞれ約１００ｋＡを搬送する２０ターン（巻き）の１２個のコイル）。この方法はインダクタンスを最小にし、従って磁石電流が急速に消勢されるときに外部ダンプ抵抗器に発生する電圧を最小にする。ホットスポット温度を制限するためには急速なダンプが必要であるが、結果として高いｄＩ／ｄｔ、従って高い電圧（＝Ｌ．ｄＩ／ｄｔ）になる。１００ｋＡの動作電流でも、主半径１．４ｍのＴＦ磁石のインダクタンスは約２４０ｍＨであり、ダンプ抵抗器の両端のピーク電圧は約１秒のダンプ時間で約２４ｋＶになる。これは、単一のダンプ抵抗器をコイル部分間に分散されたいくつか（例えばＴＦコイルごとに１つ）の個別のより低い値の抵抗器に分割することによって低下させることができる。１２個のコイルのＴＦ磁石の場合、これにより、ピーク電圧は上記例から２ｋＶに低下し、これは高いが許容できる。しかしながら、その場合、各個別のＴＦコイルは、一端が磁石の温度であり、他端が室温である、クライオスタットを貫通する一対の１００ｋＡの電流リードを必要とする。このようなリード線は非常にかさばって高価であり、中性ビーム加熱などに必要なトカマクの周りの貴重なスペースを占める。また、通常動作中、全磁石電流が非超伝導回路遮断器を通ってダンプ抵抗器を迂回しなければならない。これらの回路遮断器はかなりの電力損失を招く。それらはまた非常に信頼できるものでなければならない。

提案された設計では、外部ダンプ抵抗器と回路遮断器はクエンチ可能な超伝導コイル部分によって置き換えられている。また、トロイダル磁場コイルと一体化されたクエンチ可能部分の使用は、必要に応じて各コイルの各ターンに切換可能なダンプ抵抗を提供することを可能にし、電流ダンピング中に発生する電圧をクエンチ可能部分に分散させることができる。これにより、「ダンプ抵抗」を提供する一体化されたクエンチ可能部分を有するＨＴＳトロイダル磁場コイルが、より多くの巻き数で構成され、従来の外部ダンプクエンチ保護を有するＨＴＳトロイダル磁場コイルに比べてより低い電流で動作することができる。最大巻き数の制限は、１ターン当たりに２つある、クエンチ可能部分と磁石の残りの部分との間の接合部の数になる。これらは本質的に損失が多く（実際にはＨＴＳ－銅－（ＨＴＳ又はＬＴＳ））、そのため全体の極低温熱負荷が増加する。より低い輸送電流のコスト削減と追加の接合部及び接合部冷却のコストとのバランスをとる最適な巻き数を選択することで、最小のシステムコストが達成される。

接合部は、例えば図８に示されるように、銅ターミネータ８０３を有するＨＴＳ部分８０１を、銅ターミネータ８０３を有するＨＴＳ又はＬＴＳクエンチ可能部分８０２に接合することによって、ＨＴＳ－Ｃｕ－Ｃｕ－（ＨＴＳ又はＬＴＳ）接合部として構成されることができる。断面は銅芯上のＨＴＳ／ＬＴＳテープの層として示されているが、他の構成も可能である。Ｃｕ－Ｃｕ接合部ははんだ付けされてもよく、又は（例えば、コイル内のコンポーネントにアクセスするためにトロイダル磁場コイルに対して取り外すため）クエンチ可能部分を容易に取り外すことができるように押し込まれてもよい。最適には、接合部は、個々のＨＴＳテープと安定化材のスタックからターン導体を組み立てるのに使用されるものより低い融点のはんだを用いてはんだ付けされる。

クエンチ可能部分にＬＴＳが使用される場合、リターンリムのＨＴＳ素子は、ＬＴＳ部分への熱負荷を低下させるように、及び／又はコストをさらに削減するように構成されることができる。例えば、ＨＴＳ部分１２２のマトリックスとして銅の代わりに真鍮を使用することができる。真鍮は銅と同様の電気特性を有するが、より低い熱伝導率を有し、これにより中心柱からＬＴＳ部分へ伝導される熱が少なくなる。代わりに又は加えて、図９に概略的に示されるように、温度勾配をうまく利用するために、ＨＴＳ導体比率はＨＴＳ部分に沿って減らすことができる。使用されるＨＴＳテープの数は、（２０Ｋの）中心柱７０１に向かってより多く、（４．２Ｋの）ＬＴＳ部分７０２に向かって減らされる。従来の銅マトリックスを用いたＨＴＳリターンリムの温度勾配を図７に示す。温度が下がるとＨＴＳの臨界電流が増加するので、ＬＴＳ部分に近いほど必要なＨＴＳが少なくなり、中心柱に近いほど必要なＨＴＳが多くなる。この減少は、中心柱から離れている減少した磁場強度をうまく利用するためのＨＴＳ導体比率の任意の減少に加えることができる。

クエンチ可能部分をリターンリムと一体化することの代替案として又はそれに加えて、クエンチ可能なＬＴＳを中心柱と一体化することができる。これは、中心柱の外側に比べて磁場が減少する中心柱の中心に（すなわち中心柱の軸に沿って）ＬＴＳを設けることによって行うことができる。クエンチのエネルギーを吸収するのに十分な熱容量を有することを確実にするために、十分なマトリックス材料をＬＴＳに提供する必要があり、どのＨＴＳもＬＴＳに直列に接続されるように（ただし、必ずしも同じターンにではない）、トロイダル磁場コイルを巻く必要がある。

ＬＴＳは、ＨＴＳを含むポロイダル磁場コイルと一体化されることもできる。しかしながら、ポロイダル磁場コイルは一般に（例えば高磁場が原因で）ＬＴＳが不適当である領域での使用のためにＨＴＳで作られるだけなので、トロイダル磁場について上述した方法でコイルのＬＴＳ部分を設けることができる可能性は低い。代わりに、高磁場位置にあるポロイダル磁場コイルを低磁場位置にあるポロイダル磁場コイルと対にすることができる。高磁場位置のポロイダル磁場コイルはＨＴＳを含み、低磁場位置のポロイダル磁場コイルはＬＴＳを含む。高磁場及び低磁場のポロイダル磁場コイルは互いに直列である。ＨＴＳポロイダル磁場コイルにおいてクエンチが検出されると、ＬＴＳポロイダル磁場コイルが（上述のトロイダル磁場コイルのＬＴＳ部分をクエンチするのと同じ方法で）クエンチされる。事実上、ＬＴＳポロイダル磁場コイルは、ＨＴＳポロイダル磁場コイルに対する抵抗型負荷として作用する。

一般に、トロイダル磁場コイルのＬＴＳクエンチ可能部分に関して上述したのと同じ設計上の考慮事項、特に、冷却の必要性、及び、ＬＴＳの温度を所定の値より低く保つのに十分なＬＴＳコイルの熱容量と、ＨＴＳ部分のクエンチされた部分の温度が所定の値より低いままであるのに十分な速さで磁石の電流を減衰させるのに十分な抵抗率とがあることを確実にするための非超伝導安定剤のための材料の選択は、ＬＴＳポロイダル磁場コイルにも当てはまる。ＬＴＳポロイダル磁場コイルはほとんどの場合ＨＴＳコイルよりも大きいので、ポロイダル磁場コイルに対するこれらの相反する要求に対処することはトロイダル磁場コイルよりも容易である可能性が高い。

Claims

高温超伝導（ＨＴＳ）材料を含む中心柱と、複数のリターンリムとを含むトロイダル磁場コイルであって、
各リターンリムは、
超伝導材料を含むクエンチ可能部分であって、前記トロイダル磁場コイルの磁場に寄与するように構成されるクエンチ可能部分と、
ＨＴＳ材料を含む２つの高温超伝導（ＨＴＳ）部分であって、前記クエンチ可能部分を前記中心柱に電気的に接続し、かつ前記中心柱及び前記クエンチ可能部分と直列であるＨＴＳ部分と、
前記クエンチ可能部分に関連付けられ、前記クエンチ可能部分をクエンチするように構成されるクエンチシステムと
を含み、
前記トロイダル磁場コイルは、
前記トロイダル磁場コイルにおけるクエンチを検出し、前記クエンチの検出に応答して、前記トロイダル磁場コイルから１つ以上のクエンチ可能部分にエネルギーを放出するために、前記クエンチシステムに前記１つ以上のクエンチ可能部分の超伝導材料をクエンチさせるように構成されるクエンチ保護システムと、
各クエンチ可能部分を前記超伝導材料が超伝導である温度まで冷却するように構成される冷却システムと
をさらに含み、
各クエンチ可能部分は、前記トロイダル磁場コイルから前記クエンチ可能部分にエネルギーが放出されるときに前記クエンチ可能部分の温度を７００Ｋ未満に保つのに十分な熱容量と、前記ＨＴＳ部分のクエンチされた部分の温度が３００Ｋ未満に留まるのに十分な速さで前記トロイダル磁場コイルの電流の減衰を引き起こすのに十分な抵抗率とを有する、トロイダル磁場コイル。
各クエンチ可能部分の熱容量は、前記トロイダル磁場コイルから前記クエンチ可能部分にエネルギーが放出されるときに前記クエンチ可能部分の温度を３００Ｋ未満に保つのに十分である、請求項１に記載のトロイダル磁場コイル。
各クエンチ可能部分の抵抗率は、前記ＨＴＳ部分のクエンチされた部分の温度が１００Ｋ未満に留まるのに十分な速さで前記トロイダル磁場コイルの電流の減衰を引き起こすのに十分である、請求項１又は２に記載のトロイダル磁場コイル。
各クエンチ可能部分が、非超伝導安定化材をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル。
前記非超伝導安定化材は、体積熱容量に対する抵抗率の比が銅よりも大きい金属を含む、請求項４に記載のトロイダル磁場コイル。
前記冷却システムは、前記ＨＴＳ材料が超伝導性である温度まで前記中心柱を冷却するようにさらに構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル。
前記ＨＴＳ部分及び前記クエンチ可能部分のそれぞれが、前記ＨＴＳ材料又は前記超伝導材料に電気的に接続された銅素子を有する接合部を含み、前記ＨＴＳ部分及び前記クエンチ可能部分は前記銅素子を介して接続される、請求項１から６のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル。
前記クエンチ可能部分は低温超伝導（ＬＴＳ）材料を含む、請求項１から７のいずれか一項記載のトロイダル磁場コイル。
前記冷却システムは、前記クエンチ可能部分を４．２Ｋまで冷却するように構成される、請求項８に記載のトロイダル磁場コイル。
前記冷却システムは、前記２つのＨＴＳ部分がそれらに沿って温度勾配を有する電流リードとして働くように、前記トロイダル磁場コイルの動作中に前記クエンチ可能部分を前記中心柱の温度より低い温度まで冷却するように構成される、請求項８又は９に記載のトロイダル磁場コイル。
各クエンチシステムは、前記ＬＴＳ材料を加熱すること又は前記ＬＴＳ材料内に交流損失を引き起こすことの一方によってクエンチを引き起こすように構成される、請求項８から１０のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル。
前記クエンチ可能部分は、ＨＴＳ材料と、前記ＨＴＳ材料に隣接して置かれたヒーターとを含み、前記クエンチ保護システムは、前記ヒーターに前記ＨＴＳ材料を加熱させることによって前記クエンチ可能部分内の前記超伝導材料をクエンチするように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル。
前記クエンチ可能部分は、ＨＴＳテープのタイプ０対のスタックとして構成され、各タイプ０対は２つのＨＴＳテープを含み、前記２つのＨＴＳテープは銅で分離されかつ前記２つのＨＴＳテープのＨＴＳ層が前記２つのＨＴＳテープの基板の間にあるように配置され、各タイプ０対は、前記ＨＴＳテープの間で前記銅に埋め込まれたヒーターストリップを有する、請求項１２に記載のトロイダル磁場コイル。
前記ヒーターストリップは、隣接するヒーターストリップに沿って流れる電流が反対方向になるように接続される、請求項１３に記載のトロイダル磁場コイル。
前記クエンチ保護システムは、前記中心柱及び／又は前記ＨＴＳ部分におけるクエンチを検出するように構成される、請求項１から１４のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル。
中心柱と、高温超伝導（ＨＴＳ）材料のターンを含む複数のリターンリムとを含むトロイダル磁場コイルであって、
前記中心柱は、
ＬＴＳ材料を含む低温超伝導（ＬＴＳ）コアであって、前記中心柱の軸に沿って配置され、前記トロイダル磁場コイルの磁場に寄与するように構成されるＬＴＳコアと、
前記ＬＴＳコアを囲み、ＨＴＳ材料を含む高温超伝導（ＨＴＳ）外層と
を含み、
前記ＬＴＳコアは、前記リターンリムの少なくともいくつかのターンと直列であり、前記ＬＴＳコアにクエンチを引き起こすように構成されたクエンチシステムを含み、
前記トロイダル磁場コイルは、
前記リターンリム又は前記ＨＴＳ外層におけるクエンチを検出し、前記クエンチの検出に応答して、前記トロイダル磁場コイルから前記ＬＴＳコアにエネルギーを放出するために、前記クエンチシステムに前記ＬＴＳコア内のＬＴＳ材料をクエンチさせるように構成されるクエンチ保護システムと、
前記ＬＴＳ材料が超伝導である温度まで前記ＬＴＳコアを冷却するように構成される冷却システムと
をさらに含み、
前記ＬＴＳコアは、前記トロイダル磁場コイルから前記ＬＴＳコアにエネルギーが放出されるときに前記ＬＴＳの温度を７００Ｋ未満に保つのに十分な熱容量と、前記リターンリム又は前記ＨＴＳ外層のクエンチされた部分の温度が３００Ｋ未満に留まるのに十分な速さで磁石の電流を減衰させるのに十分な抵抗率とを有する、トロイダル磁場コイル。
球状トカマクに使用するためのポロイダル磁場コイルアセンブリであって、
高温超伝導（ＨＴＳ）材料を含む第１ポロイダル磁場コイルと、
低温超伝導（ＬＴＳ）材料を含み、前記第１ポロイダル磁場コイルと直列に接続された第２ポロイダル磁場コイルと、
前記第２ポロイダル磁場コイルに関連付けられ、前記第２ポロイダル磁場コイルをクエンチするように構成されるクエンチシステムと、
前記第１ポロイダル磁場コイルにおけるクエンチを検出し、前記クエンチの検出に応答して、前記第２ポロイダル磁場コイルに蓄積された磁気エネルギーを放出するために前記クエンチシステムに前記第２ポロイダル磁場コイルをクエンチさせるように構成されるクエンチ保護システムと、
前記第２ポロイダル磁場コイルを前記ＬＴＳ材料が超伝導である温度まで冷却するための冷却システムと
を含み、
前記第２ポロイダル磁場コイルは、前記第２ポロイダル磁場コイルにエネルギーが放出されるときに前記ＬＴＳの温度を７００Ｋ未満に保つのに十分な熱容量と、前記第１ポロイダル磁場コイルのクエンチされた部分の温度が３００Ｋ未満に留まるのに十分な速さで磁石の電流の減衰を引き起こすのに十分な抵抗率とを有する、ポロイダル磁場コイルアセンブリ。
請求項１から１７のいずれか一項に記載のトロイダル磁場コイル及び／又はポロイダル磁場コイルアセンブリを含む核融合炉。
前記核融合炉は球状トカマク核融合炉である、請求項１８に記載の核融合炉。