JP-2026514894-A - 取り外し可能な磁場成形ユニットを含む平面コイルステラレータ

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Abstract

本開示は、取り外し可能な磁場成形ユニットおよび／または取り外し可能な成形コイルなどの取り外し可能および／または交換可能な構成要素を含むステラレータまたはステラレータを含むアセンブリを対象とする。いくつかの実施形態において、本開示のステラレータは、トロイダルセクタを含み、トロイダルセクタは、１つ以上の取り外し可能な磁場成形ユニットを含む。【選択図】図９

Inventors

ゲイツ，デビッドアレン
スワンソン，チャールズペンデルトンスタンツ
コート，アンドリュートーマス

Assignees

シーアエナジー，インク．

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20240424
Priority Date: 20230426

Claims (20)

ステラレータであって、（ａ）プラズマを閉じ込めるように適合された空隙を画定する磁場成形コイルシステムであって、前記磁場成形コイルシステムが、複数のトロイダルセクタを備え、前記複数のトロイダルセクタの各トロイダルセクタが、少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットを含み、前記少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットが、（ｉ）１つ以上の構造装着要素、および（ｉｉ）前記１つ以上の構造装着要素の表面上に配設された、１つ以上の平面成形コイルを備える、磁場成形コイルシステムと、ｂ）前記磁場成形コイルシステムを包囲する、複数の包囲コイルと、を備える、ステラレータ。
前記複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタが、（ｉ）前記複数の包囲コイルのうちのいずれの１つの包囲コイルによっても取り囲まれておらず、（ｉｉ）前記少なくとも第１のトロイダルセクタに隣接する前記複数の包囲コイルのうちの２つの包囲コイルの間のトロイダル範囲よりも小さいトロイダル範囲を有する、請求項１に記載のステラレータ。
前記複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタが、（ｉ）前記複数の平面包囲コイルのうちの第１の包囲コイルと第２の包囲コイルとの間に全体が位置決めされており、（ｉｉ）前記第１の包囲コイルと前記第２の包囲コイルとの間のトロイダル範囲よりも小さいトロイダル範囲を有する、請求項１に記載のステラレータ。
前記複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタが、少なくとも２つの取り外し可能な磁場成形ユニットを備える、請求項１に記載のステラレータ。
前記少なくとも２つの取り外し可能な磁場成形ユニットのうちの第１の取り外し可能な磁場成形ユニットの１つ以上の平面成形コイルが、前記第１の取り外し可能な磁場成形ユニットの外周内に完全に収容されており、前記少なくとも２つの取り外し可能な磁場成形ユニットのうちの第２の取り外し可能な磁場成形ユニットの１つ以上の平面成形コイルが、前記第２の取り外し可能な磁場成形ユニットの外周内に完全に収容されている、請求項４に記載のステラレータ。
前記複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタが、４個以上の取り外し可能な磁場成形ユニットを備える、請求項１に記載のステラレータ。
前記複数の平面包囲コイルが、１つ以上の超電導材料を含む、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記複数の平面包囲コイルが、互いに相互接続していない、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記複数の平面包囲コイルが、前記プラズマと相互接続する、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットが、約５～約１００個の成形コイルを備える、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットが、約５～約５０個の成形コイルを備える、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記１つ以上の平面成形コイルが、取り外し可能である、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記１つ以上の構造装着要素が、取り外し可能である、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
１つ以上のコントローラを更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
１つ以上の制御コイルおよび／または１つ以上のサドルコイルを更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記１つ以上の制御コイルおよび／または前記１つ以上のサドルコイルが、コントローラに通信可能に結合されている、請求項１５に記載のステラレータ。
前記磁場成形コイルシステムが、構造足場を更に備える、先行請求項のいずれか一項に記載のステラレータ。
前記構造足場が、所定の形状を有する、請求項１７に記載のステラレータ。
前記構造足場が、ポロイダルリブのセットおよびトロイダルリブのセットを備える、請求項１７に記載のステラレータ。
前記構造足場が、１つ以上の湾曲または平面プレートを含む、請求項１７に記載のステラレータ。

Description

関連出願の相互参照本出願は、２０２３年４月２６日に出願された米国仮特許出願第６３／４６２，０４１号の出願日の利益を主張し、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。開示の分野本開示は、ステラレータ、具体的には、１つ以上の取り外し可能な構成要素を組み込んだステラレータを対象とする。１つ以上の取り外し可能な構成要素を組み込んだステラレータは、プラズマを閉じ込めるように、例えば、１つ以上の取り外し可能な磁場成形ユニットによって画定された空隙内にプラズマを閉じ込めるように適合されている。本開示は、１つ以上の取り外し可能な構成要素を有するステラレータを含むアセンブリも対象とする。核融合は、温室効果ガスを排出せず、従来の核分裂原子炉よりも著しく低く短寿命の放射性廃棄物を伴う、豊富な燃料でエネルギーを放出するために利用できるプロセスである。核融合燃料は、全ての材料がプラズマ状態にある極高温でのみ融合する。磁気核融合デバイスは、磁場を使用して核融合プラズマを閉じ込めることを目的とする。２つの主要な磁気核融合アプローチは、トカマクおよびステラレータであり、そのどちらもトーラスのトポロジーを有する磁場を利用する。ステラレータは、トカマクと比べて、定常状態で動作し、プラズマ自体内で駆動される追加の電流を必要としないという利点がある。従来のステラレータ設計には、複雑な３Ｄ曲率を有する非平面電磁コイルが含まれている。これらの電磁コイルは、それらの間の空間が小さく、奇妙な形状であるため、コイルの内側にある構成要素を取り外すことを困難にする。いくつかのステラレータ設計は、鎖の輪に似ている、他の電磁コイルをリンクする電磁コイルを含む。これらの電磁コイルは、他のコイルと相互接続するため、独立して取り外すことができない。複雑な電磁コイルを採用したステラレータの一例は、日本核融合科学研究所が実施した大型ヘリカルデバイス（ＬＨＤ）実験である（Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ，Ｙ．，ｅｔａｌ．２００５．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓ：ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓ２５（１）：１８９．）。これらの電磁コイルは、ヘリカルコイルであり、これらは、非平面であり、プラズマおよび他のヘリカルコイルと相互接続する。これらの電磁コイルは、現場で電線で巻かれなければならず、他のコイルとは独立して取り外すことができない。そのような電磁コイルを採用したステラレータは、トルサトロンまたはヘリオトロンと呼ばれている。複雑な電磁コイルを採用したステラレータの別の例は、ドイツのマックス・プランクプラズマ物理学研究所が実施したヴェンデルシュタイン７－Ｘ（Ｗ７－Ｘ）実験である（Ｂｅｉｄｌｅｒ，Ｃｒａｉｇ，ｅｔａｌ．１９９０．ＦｕｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１７（１）：１４８－６８．）。図１Ａを参照すると、Ｗ７－Ｘは、外部平面コイル１０１およびモジュラーコイル１０２の組み合わせを使用する。外部平面コイルは、平面１０１であり、プラズマと相互接続し、他のいずれのコイルとも相互接続していない。モジュラーコイル１０２は、非平面であり、プラズマと相互接続し、他のいずれのコイルとも相互接続していない。これらのタイプのコイルを採用したステラレータは、ヘリアス、またはより一般には、モジュラーコイルステラレータと呼ばれ得る。国立小型ヘリカル実験（ＮａｔｉｏｎａｌＣｏｍｐａｃｔＳｔｅｌｌａｒａｔｏｒＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）（ＮＣＳＸ）は、その建設中に中止された提案実験であった。いくつかの異なる設計が提案された（Ｎｅｉｌｓｏｎ，ＧＨ，ｅｔａｌ．２０００．ＩｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ４２ｎｄＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＡＰＳＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓＱｕｅｂｅｃＣｉｔｙ，Ｃａｎａｄａ．）。（ｉ）プラズマと相互接続するが、他のいずれのコイルとも相互接続していない平面コイルである、トロイダル磁場（ＴＦ）コイルと、（ｉｉ）プラズマと相互接続しないが、他のいずれのコイルとも相互接続していない非平面コイルである、サドルコイルと、を利用した、提案された「サドルコイル設計」。「最適化されたバックグラウンドコイルおよび共形的コイル設計」と称される代替的な設計は、（ｉ）平面であり、プラズマと相互接続し、他のバックグラウンドコイルと相互接続している、バックグラウンドコイルと、（ｉｉ）平面であり、プラズマと相互接続せず、他のコイルと相互接続していない、サドルコイルと、を利用した。これらの設計の両方は、コイルの内側の構成要素を取り外し、保守し、交換するための限られたアクセスのみを可能にする。ステラレータの設計は、ステラレータ構成要素のアクセス性、取り外し可能性、保守可能性、および交換可能性に譲歩しなければならなかった。例えば、ステラレータは、Ｗａｇａｎｅｒらによって記載されており、モジュラーコイルは、内部構成要素のアクセス性を小さいポートにのみ制限する（Ｗａｇａｎｅｒ，ＬｅｓｔｅｒＭ．，ＲｉｃｈａｒｄＪ．ＰｅｉｐｅｒｔＪｒ．、ＸｕｅｒｅｎＲ．Ｗａｎｇ、およびＳｉｅｇｆｒｉｅｄＭａｌａｎｇ．２００８．「ＡＲＩＥＳ－ＣＳＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＳｙｓｔｅｍＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓ．」ＦｕｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ５４（３）：７８７－８１７．ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３１８２／ＦＳＴ０８－Ａ１９０４）。結果として、ブランケット（ステラレータの内部のシステム）は２００個のモジュールに分割され、各モジュールはポートに収まるほど小さい。更に、これらのモジュールは、モジュールを取り外して保守するために切断する必要があるパイプを介してクーラントマニホールドに接続されている。逆に、内部システムのアクセス性の利点を実証するトカマク設計が、ＢｒｏｗｎａｎｄＭｅｎａｒｄ「ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｎＳＴＦｕｓｉｏｎＤｅｖｉｃｅ」ＳＳＲＮ学術論文に記載されている。ニューヨーク州ロチェスター、２０２２年１０月２１日。この設計では、ブランケットおよびプラズマに面する構成要素の部分は、トロイダル磁場（ＴＦ）コイル間の隙間を通して取り外され、反応器の予測されるダウンタイムを最小化する。トカマクは、単純なコイル設計を有し、それによって、内部システム構成要素の取り外しを容易にする。結果として、プラズマ自体で電流を駆動しなければならない。一方、ステラレータは、プラズマ自体で電流を駆動する必要はないが、コイル設計は複雑であり、いかなる内部構成要素を取り外すことも困難にし、経済的に実行不可能にする。上述のような従来のステラレータ設計には、取り外すことができる最大の構成要素のサイズを制限するコイルが含まれる。文献における別の設計は、ブランケット構成要素の部分をユニットとして取り外すことを可能にするステラレータを記載している。Ｂｒｏｗｎｅｔａｌ．「ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＳｔｅｌｌａｒａｔｏｒＣｏｉｌｓＬｅａｄｔｏＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｉｎＤｅｖｉｃｅＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅ」２０１５ＩＥＥＥ２６ｔｈＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＦｕｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＳＯＦＥ），１－６，２０１５．しかしながら、この方法は、想定されたモジュラーコイルに、コイルの半径方向外向きの脚がまっすぐであり、垂直に延びなければならないという面倒な制約を課す。これにより、ステラレータによって生成される可能性のある、常に可能であるとは限らない磁場の種類が強く制限される。これまでに設計されたステラレータは、信じられないほど複雑な三次元設計を有し、これは、コストの増加、および３Ｄ磁場の分布の制御の困難性につながる。追加的に、これまでに設計されたステラレータは、内部システムの取り外しが困難であり、これは、コストの増加および利用可能性の減少につながる。より複雑でない設計を有し、生成された磁場のより優れた制御を容易にするステラレータを開発することが望ましいであろう。特定の構成要素が取り外し、保守、および交換のためにアクセス可能であるステラレータを開発することも望ましいであろう。本開示は、取り外し可能な磁場成形ユニットおよび／または取り外し可能な成形コイルなどの取り外し可能および／または交換可能な構成要素を含むステラレータを提供することによって、これらの問題を解決する。本開示の第１の態様は、ステラレータであって、（ａ）プラズマを閉じ込めるように適合された空隙を画定する磁場成形コイルシステムであって、磁場成形コイルシステムは、複数のトロイダルセクタを備え、複数のトロイダルセクタの各トロイダルセクタは、少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットを含み、少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットは、（ｉ）１つ以上の構造装着要素、および（ｉｉ）１つ以上の構造装着要素の表面上に配設された、１つ以上の平面成形コイルを備える、磁場成形コイルシステムと、ｂ）磁場成形コイルシステムを包囲する、複数の包囲コイルと、を備える、ステラレータである。いくつかの実施形態において、複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタは、（ｉ）複数の包囲コイルのうちのいずれの１つの包囲コイルによっても取り囲まれておらず、（ｉｉ）少なくとも第１のトロイダルセクタに隣接する複数の包囲コイルのうちの２つの包囲コイルの間のトロイダル範囲よりも小さいトロイダル範囲を有する。いくつかの実施形態において、複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタは、（ｉ）複数の平面包囲コイルのうちの第１の包囲コイルと第２の包囲コイルとの間に全体が位置決めされており、（ｉｉ）第１の包囲コイルと第２の包囲コイルとの間のトロイダル範囲よりも小さいトロイダル範囲を有する。いくつかの実施形態において、複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタは、少なくとも２つの取り外し可能な磁場成形ユニットを備える。いくつかの実施形態において、少なくとも２つの取り外し可能な磁場成形ユニットのうちの第１の取り外し可能な磁場成形ユニットの１つ以上の平面成形コイルは、第１の取り外し可能な磁場成形ユニットの外周内に完全に収容されており、少なくとも２つの取り外し可能な磁場成形ユニットのうちの第２の取り外し可能な磁場成形ユニットの１つ以上の平面成形コイルは、第２の取り外し可能な磁場成形ユニットの外周内に完全に収容されている。いくつかの実施形態において、複数のトロイダルセクタのうちの少なくとも第１のトロイダルセクタは、４個以上の取り外し可能な磁場成形ユニットを備える。いくつかの実施形態において、複数の平面包囲コイルは、１つ以上の超電導材料を含む。いくつかの実施形態において、複数の平面包囲コイルは、互いに相互接続していない。いくつかの実施形態において、複数の平面包囲コイルは、プラズマと相互接続する。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットは、約５～約１００個の成形コイルを備える。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの取り外し可能な磁場成形ユニットは、約５～約５０個の成形コイルを備える。いくつかの実施形態において、１つ以上の平面成形コイルは、取り外し可能である。いくつかの実施形態において、１つ以上の構造装着要素は、取り外し可能である。いくつかの実施形態において、ステラレータは、１つ以上のコントローラを更に備える。いくつかの実施形態において、ステラレータは、１つ以上の制御コイルおよ