RU2833594C2

RU2833594C2 - Tokamak plasma chamber toroidal field coil central column

Info

Publication number: RU2833594C2
Application number: RU2023133345A
Authority: RU
Inventors: Роберт СЛЭЙД
Original assignee: Токемек Энерджи Лтд
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2025-01-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to a toroidal field coil for a plasma chamber of a tokamak with a central column. Coil comprises first and second units with high-temperature superconductor, HTSC, containing corresponding one or more HTSC tapes for conducting electric current parallel to axis of central column. Each of the HTSC tapes contains HTSC material with its inherent critical current, which depends on the magnetic field on the HTSC tape when the central column is in operation. Central column additionally contains a cooling mechanism designed so that to enable preferential cooling of the first HTSC unit relative to the second HTSC unit.

EFFECT: possibility of reducing or eliminating the difference in critical current of said or each HTSC tape of the first HTSC unit relative to the critical current of said or each HTSC tape of the second HTSC unit.

20 cl, 9 dwg

Description

Область техникиField of technology

Настоящее изобретение относится к центральной колонне для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака, например плазменной камеры токамака для использования в термоядерном реакторе. В частности, оно относится к центральной колонне, содержащей материал - высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП).The present invention relates to a central column for a toroidal field coil of a tokamak plasma chamber, such as a tokamak plasma chamber for use in a fusion reactor. In particular, it relates to a central column containing a high-temperature superconductor (HTSC) material.

Предпосылки изобретенияBackground of the invention

Сверхпроводящие материалы типично делятся на "высокотемпературные сверхпроводники" (ВТСП) и "низкотемпературные сверхпроводники" (НТСП). НТСП-материалы, такие как Nb и NbTi, являются металлами или сплавами металлов, сверхпроводимость которых может быть описана теорией БКШ (Бардина - Купера -Шриффера). Все низкотемпературные сверхпроводники имеют критическую температуру (температуру, выше которой материал не может быть сверхпроводящим даже в нулевом магнитном поле) ниже примерно ЗОК. Поведение ВТСП-материала не описывается теорией БКШ, и такие материалы могут иметь критические температуры выше примерно 30 К (хотя следует отметить, что именно физические различия в составе и работе сверхпроводника, а не критическая температура, определяют ВТСП- и НТСП-материалы). Наиболее часто используемыми ВТСП являются "купратные сверхпроводники" керамики на основе купратов (соединений, содержащих группу оксида меди), такие как BSCCO (оксид висмута-стронция-кальция-меди), или ReBCO (где Re - редкоземельный элемент, обычно Y или Gd). Другие ВТСП-материалы включают в себя пниктиды железа (например, FeAs и FeSe) и диборид магния (MgB₂).Superconducting materials are typically divided into "high-temperature superconductors" (HTSC) and "low-temperature superconductors" (LTSC). LTSC materials, such as Nb and NbTi, are metals or metal alloys whose superconductivity can be described by the BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) theory. All LTSCs have a critical temperature (the temperature above which a material cannot superconduct even in zero magnetic field) below about the 30 K critical temperature. The behavior of HTSC materials is not described by BCS theory, and such materials can have critical temperatures above about 30 K (although it should be noted that it is the physical differences in the composition and behavior of the superconductor, not the critical temperature, that define HTSC and LTSC materials). The most commonly used HTS materials are "cuprate superconductors," ceramics based on cuprates (compounds containing a copper oxide group) such as BSCCO (bismuth strontium calcium copper oxide) or ReBCO (where Re is a rare earth element, usually Y or Gd). Other HTS materials include iron pnictides (e.g., FeAs and FeSe) and magnesium diboride (MgB ₂ ).

ReBCO типично изготавливают в виде лент со структурой, показанной на фигуре 1. Такая лента 100 обычно имеет толщину приблизительно 100 микрон и включает в себя подложку 101 (типично из электрополированного сплава Хастелой™ толщиной приблизительно 50 микрон), на которую методом IBAD, магнетронного распыления или другим подходящим методом нанесен ряд буферных слоев, известных как буферный пакет 102, с приблизительной толщиной 0,2 микрона. Эпитаксиальный слой 103 ВТСП-ReBCO (нанесенный методом MOCVD или другим подходящим методом) покрывает буферный пакет и типично имеет толщину 1 микрон. На слой ВТСП нанесен слой 104 серебра толщиной 1-2 микрона магнетронным распылением или другим подходящим методом, а на ленту гальваническим или другим подходящим методом нанесен слой 105 медного стабилизатора, который часто полностью инкапсулирует ленту.ReBCO is typically manufactured in the form of tapes with the structure shown in Figure 1. Such tape 100 is typically approximately 100 microns thick and includes a substrate 101 (typically an electropolished Hastelloy™ alloy approximately 50 microns thick) onto which a series of buffer layers known as a buffer stack 102 are deposited by IBAD, magnetron sputtering or other suitable method with a thickness of approximately 0.2 microns. An epitaxial layer 103 of HTS-ReBCO (deposited by MOCVD or other suitable method) covers the buffer stack and is typically 1 micron thick. A layer 104 of silver 1-2 microns thick is deposited on the HTS layer by magnetron sputtering or other suitable method, and a layer 105 of copper stabilizer is deposited on the tape by electroplating or other suitable method, which often completely encapsulates the tape.

Подложка 101 обеспечивает механическую основу, которая может подаваться по производственной линии и позволяет выращивать последующие слои. Буферный пакет 102 необходим для обеспечения биаксиально текстурированного кристаллического шаблона, на котором выращивается слой ВТСП, и предотвращает химическую диффузию из подложки в ВТСП тех элементов, которые нарушают его сверхпроводящие свойства. Слой 104 серебра, как правило, необходим для того, чтобы обеспечить интерфейс низкого сопротивления от REBCO к слою стабилизатора, а слой 105 стабилизатора обеспечивает альтернативный путь тока в том случае, когда какая-либо часть ReBCO перестает быть сверхпроводящей (входит в "нормальное" состояние).The substrate 101 provides a mechanical support that can be fed through the production line and allows subsequent layers to be grown. The buffer stack 102 is necessary to provide a biaxially textured crystalline template on which the HTS layer is grown and prevents chemical diffusion from the substrate into the HTS of those elements that destroy its superconducting properties. The silver layer 104 is generally necessary to provide a low resistance interface from the REBCO to the stabilizer layer, and the stabilizer layer 105 provides an alternative current path in the event that any part of the ReBCO ceases to be superconducting (enters the "normal" state).

ВТСП-ленты могут быть скомпонованы в ВТСП-кабель, который может также называться здесь ВТСП-узлом. ВТСП-кабель, как упоминается здесь, содержит одну или более ВТСП-лент, которые соединены по своей длине посредством проводящего материала (обычно меди). ВТСП-ленты могут быть уложены друг на друга (т.е. скомпонованы так, что слои ВТСП параллельны), или же они могут иметь некоторую другую компоновку лент, которая может меняться по длине кабеля. Примечательными специальными видами ВТСП-кабелей являются одиночные ВТСП-ленты и ВТСП-пары. ВТСП-пары содержат пару ВТСП-лент, расположенных так, что слои ВТСП параллельны. Когда используется лента с подложкой, ВТСП-пары могут быть типа-0 (с обращенными друг к другу слоями ВТСП), типа-1 (со слоем ВТСП одной ленты, обращенным к подложке другой) или типа-2 (с обращенными друг к другу подложками). В кабелях, содержащих более двух лент, некоторые или все ленты могут компоноваться в ВТСП-парах. Уложенные друг на друга ВТСП-ленты могут иметь различные компоновки ВТСП-пар, чаще всего либо стопку пар типа-1, либо стопку пар типа-0 и (или, что эквивалентно, пар типа-2).The HTS tapes may be arranged into an HTS cable, which may also be referred to herein as an HTS assembly. An HTS cable, as referred to herein, comprises one or more HTS tapes that are connected along their length by means of a conductive material (usually copper). The HTS tapes may be stacked (i.e. arranged so that the HTS layers are parallel), or they may have some other arrangement of tapes that may vary along the length of the cable. Notable special types of HTS cables are single HTS tapes and HTS pairs. HTS pairs comprise a pair of HTS tapes arranged so that the HTS layers are parallel. When tape with a substrate is used, the HTS pairs may be type-0 (with the HTS layers facing each other), type-1 (with the HTS layer of one tape facing the substrate of the other), or type-2 (with the substrates facing each other). In cables containing more than two tapes, some or all of the tapes may be arranged in HTS pairs. Stacked HTS tapes may have various arrangements of HTS pairs, most commonly either a stack of type-1 pairs or a stack of type-0 and (or equivalently, type-2) pairs.

Важным свойством ВТСП-лент (и сверхпроводников в целом) является "критический ток" (I_с), то есть ток, при котором ВТСП будет создавать напряжение, достаточное для перевода доли тока в слой стабилизатора, при заданных температуре и внешнем магнитном поле. Характерная точка сверхпроводящего перехода, в которой сверхпроводник считается «ставшим нормальным», является до некоторой степени произвольной, но обычно принимается за ту, когда лента создает Е₀=10 или 100 микровольт на метр. Критический ток может зависеть от ряда факторов, включая температуру сверхпроводника и магнитное поле на сверхпроводнике. В последнем случае важны как величина поля, так и ориентация осей кристалла сверхпроводника в поле.An important property of HTS tapes (and superconductors in general) is the "critical current" ( _Ic ), that is, the current at which the HTS will produce a voltage sufficient to transfer a fraction of the current into the stabilizer layer, at a given temperature and external magnetic field. The characteristic superconducting transition point at which the superconductor is considered to have "become normal" is somewhat arbitrary, but is usually taken to be the one at which the tape produces _E0 = 10 or 100 microvolts per meter. The critical current can depend on a number of factors, including the temperature of the superconductor and the magnetic field on the superconductor. In the latter case, both the magnitude of the field and the orientation of the superconductor crystal axes in the field are important.

Фигура 2 показывает поперечный разрез примерной REBCO-ленты 200 в плоскости xz. Сам слой ReBCO является кристаллическим, и главные оси кристалла ReBCO показаны для одной точки в ленте. ReBCO-лента показана в упрощенном виде со слоем 201 ВТСП, медной оболочкой 202 и подложкой 203. Кристаллическая структура ReBCO имеет три взаимно перпендикулярные главные оси, называемые в данной области техники осями a, b и с. Для целях этого раскрытия, любая зависимость критического тока от ориентации составляющей магнитного поля в плоскости ab игнорируется, так что оси а и b могут считаться взаимозаменяемыми, поэтому они будут рассматриваться только как "плоскость ab" (т.е. плоскость, определяемая осями а и b). На фигуре 2 плоскость ab слоя 201 REBCO показана как одиночная линия 210, перпендикулярная с-оси 220. Во многих лентах ab-плоскость 210 выставлена близкой с плоскостью слоя 201 ВТСП, но это не является общим условием.Figure 2 shows a cross-section of an exemplary REBCO tape 200 in the xz plane. The ReBCO layer itself is crystalline, and the principal axes of the ReBCO crystal are shown for a single point in the tape. The ReBCO tape is shown in a simplified form with an HTS layer 201, a copper cladding 202, and a substrate 203. The crystal structure of ReBCO has three mutually perpendicular principal axes, referred to in the art as the a, b, and c axes. For the purposes of this disclosure, any dependence of the critical current on the orientation of the magnetic field component in the ab plane is ignored so that the a and b axes can be considered interchangeable, so they will be referred to only as the "ab plane" (i.e., the plane defined by the a and b axes). In Figure 2, the ab plane of the 201 REBCO layer is shown as a single line 210, perpendicular to the c-axis 220. In many tapes, the ab plane 210 is positioned close to the plane of the 201 HTS layer, but this is not a general condition.

Критический ток ленты зависит от толщины и качества кристалла ReBCO. Он также имеет приблизительно обратную зависимость от температуры окружающей среды, а также от величины приложенного магнитного поля. Наконец, он также зависит от ориентации приложенного магнитного поля относительно с-оси. Когда вектор приложенного магнитного поля лежит в ab-плоскости 210, критический ток значительно выше, чем когда вектор приложенного магнитного поля выставлен вдоль с-оси 220. Критический ток плавно меняется между этими двумя экстремумами при ориентации поля "вне плоскости ab". (На практике может быть более одного угла, при котором критический ток демонстрирует пик. Кроме того, амплитуда и ширина пиков меняются как с приложенным полем, так и с температурой, но для целей этого объяснения мы можем рассматривать ленту с единственным доминирующим пиком, который определяет оптимальную ориентацию приложенного поля В, дающую максимальный критический ток).The critical current of the tape depends on the thickness and quality of the ReBCO crystal. It also has an approximately inverse relationship with the ambient temperature, as well as with the magnitude of the applied magnetic field. Finally, it also depends on the orientation of the applied magnetic field relative to the c-axis. When the applied magnetic field vector lies in the ab-plane 210, the critical current is significantly higher than when the applied magnetic field vector is aligned with the c-axis 220. The critical current varies smoothly between these two extremes for an "out-of-plane" field orientation. (In practice, there may be more than one angle at which the critical current exhibits a peak. Furthermore, the amplitude and width of the peaks vary with both the applied field and the temperature, but for the purposes of this explanation we can consider a tape with a single dominant peak that determines the optimal orientation of the applied field B giving the maximum critical current.)

ReBCO-ленты обычно производят так, чтобы с-ось была как можно ближе к перпендикулярной к плоскости ленты. Однако некоторые коммерчески доступные ленты имеют с-ось под углом до 35 градусов от перпендикуляра в плоскости х/у.ReBCO tapes are usually manufactured with the c-axis as close to perpendicular to the plane of the tape as possible. However, some commercially available tapes have the c-axis at an angle of up to 35 degrees from perpendicular in the x/y plane.

У ВТСП-кабеля, предполагая, что кабель находится при равномерной температуре и в однородном магнитном поле по всей своей длине, критический ток всех лент в пакете будет относительно равномерным. В этом случае, когда кабель подключен к источнику питания, ток будет распределяться между лентами в соотношении оконечных сопротивлений на концах кабеля по закону Ома. Однако, во многих обстоятельствах, на распределение тока может влиять ряд факторов, таких как изменения величины локального магнитного поля или изменения угла поля относительно с-оси слоя ReBCO, либо по длине, либо по ширине лент в кабеле.For an HTS cable, assuming the cable is at a uniform temperature and in a uniform magnetic field along its length, the critical current of all the tapes in the stack will be relatively uniform. In this case, when the cable is connected to a power source, the current will be distributed among the tapes in the ratio of the termination resistances at the ends of the cable according to Ohm's law. However, in many circumstances, the current distribution can be affected by a number of factors, such as changes in the magnitude of the local magnetic field or changes in the angle of the field relative to the c-axis of the ReBCO layer, either along the length or across the width of the tapes in the cable.

Магниты с высокотемпературными сверхпроводниками могут быть использованы в термоядерных реакторах, таких как сферические токамаки (ST), для удержания плазмы при очень высоких температурах. Сферические токамаки предлагают значительные преимущества для коммерческих термоядерных энергетических установок, включая более высокую тепловую мощность на единицу объема плазмы и значительный бутстреп-ток. Эти преимущества позволяют разработать меньшие по размеру, более эффективные машины, ускоряя временные рамки разработки и уменьшая рециркулируемую мощность. Прогресс в понимании физики сферических токамаков (ST) продолжается по всему миру на экспериментальных устройствах, таких как MAST, NSTX и ST40, во всех из которых используются импульсные резистивные магниты.High-temperature superconducting magnets can be used in fusion reactors such as spherical tokamaks (STs) to confine plasma at very high temperatures. Spherical tokamaks offer significant advantages for commercial fusion power plants, including higher thermal power per unit plasma volume and significant bootstrap current. These advantages enable the development of smaller, more efficient machines, accelerating development timelines and reducing recycled power. Progress in understanding the physics of spherical tokamaks (STs) continues around the world in experimental devices such as MAST, NSTX, and ST40, all of which use pulsed resistive magnets.

Коммерческой энергетической установке требуются сверхпроводящие магниты либо для длительного импульса, либо для непрерывной работы, и чтобы максимизировать полезную генерацию электроэнергии. Это ранее представляло преграду для сферических токамаков (ST), поскольку тонкая центральная колонна магнита тороидального поля (TF) приводит к созданию магнитных полей на сверхпроводнике за пределами возможностей традиционных низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). Современная коммерческая доступность высокоэффективных проводников REBCO с покрытием ("лент") от нескольких поставщиков делает высокопольный ST, задача которого -продемонстрировать чистый прирост мощности (Q>1) с использованием дейтерий-тритиевого (D-T) топлива, реализуемым в меньшем масштабе, чем токамак с традиционным аспектным соотношением, использующий НТСП. ST на ВТСП с большим радиусом 1,4 м и полем 4 Тл по оси может решить эту задачу, если может быть реализована достаточно толстая нейтронная защита (>25 см).A commercial power plant requires superconducting magnets for either long pulse or continuous operation and to maximize net power generation. This has previously posed a challenge for spherical tokamaks (STs) because the thin central column of the toroidal field (TF) magnet results in magnetic fields on the superconductor beyond the capabilities of traditional low-temperature superconductors (LTSCs). The current commercial availability of high-efficiency coated REBCO conductors ("ribbons") from several suppliers makes a high-field ST, whose goal is to demonstrate a net power gain (Q>1) using deuterium-tritium (D-T) fuel, feasible on a smaller scale than a traditional aspect ratio tokamak using LTSCs. A large radius 1.4 m HTS ST with an on-axis field of 4 T may meet this challenge if a sufficiently thick neutron shield (>25 cm) can be implemented.

Фигура 3А показывает вертикальный разрез сферического токамака 300, содержащего катушки 301 тороидального поля, катушки 303 полоидального поля и тороидальную плазменную камеру 305, расположенную в катушках 301 тороидального поля. Токамак 300 также содержит центральную колонну 307, которая проходит через центры плазменной камеры 305 и катушек 301 и 303 тороидального и полоидального поля. Каждая из D-образных катушек 301 тороидального поля содержит приблизительно прямую секцию 309 ("внутреннюю ветвь" катушки 301 TF), которая проходит вдоль оси А-А' центральной колонны 307, и криволинейную секцию 311 ("внешнюю ветвь" катушки 301 TF), которая электрически соединена с тем и другим концом прямой секции 309, образуя D-образную форму. В этом примере сферический токамак 300 имеет большой радиус 1,4 м, а центральная колонна 307 имеет радиус около 0,6 м.Figure 3A shows a vertical section of a spherical tokamak 300 comprising toroidal field coils 301, poloidal field coils 303 and a toroidal plasma chamber 305 located in the toroidal field coils 301. The tokamak 300 also comprises a central column 307 that passes through the centers of the plasma chamber 305 and the toroidal and poloidal field coils 301 and 303. Each of the D-shaped toroidal field coils 301 comprises an approximately straight section 309 (the "inner leg" of the TF coil 301) which extends along the axis A-A' of the central column 307, and a curved section 311 (the "outer leg" of the TF coil 301) which is electrically connected to both ends of the straight section 309, forming a D-shape. In this example, the spherical tokamak 300 has a major radius of 1.4 m, and the central column 307 has a radius of about 0.6 m.

Фигура 3В показывает аксиальный разрез центральной колонны 307, если смотреть по оси А-А'. Токамак 300 содержит 12 катушек 301 тороидального поля, и соответствующие прямые части 309 каждой из катушек 301 тороидального поля разнесены под углом вокруг оси А-А' центральной колонны 307 в равноугловой компоновке. Центральная колонна содержит несущий элемент 313, который простирается вдоль оси А-А' и который имеет множество каналов 315, в которых заключены прямые секции 309 катушек 311 тороидального поля. Несущий элемент 313 может быть образован из множества угловых сегментов, которые подгоняются друг к другу подобно долькам апельсина, причем каждый сегмент заключает в себе внутреннюю ветвь 309 одной из катушек 301 TF.Figure 3B shows an axial section of the central column 307, when viewed along the axis A-A'. The tokamak 300 comprises 12 toroidal field coils 301, and the corresponding straight portions 309 of each of the toroidal field coils 301 are spaced at an angle around the axis A-A' of the central column 307 in an equiangular arrangement. The central column comprises a supporting element 313, which extends along the axis A-A' and which has a plurality of channels 315, in which the straight sections 309 of the toroidal field coils 311 are housed. The supporting element 313 may be formed from a plurality of angular segments, which fit together like orange slices, each segment housing an inner branch 309 of one of the TF coils 301.

Фигура 4 представляет собой аксиальный разрез углового сегмента 400 центральной колонны 307, включая одну половину сегмента несущего элемента 313, который заключает в себе внутреннюю ветвь 401 одной из катушек 301 тороидального поля. На фигуре 4 показана только "верхняя" половина углового сегмента, а его исключенная "нижняя" половина является зеркальным отражением верхней половины. Множество угловых сегментов 400 можно собрать, образуя практически цилиндрическую центральную колонну 307. Внутренняя ветвь 401 катушки 301 тороидального поля образована наматыванием множественных витков ВТСП-кабеля 402 (эти витки ("обмотки") могут совместно назваться пакетом "обмоток" или пакетом "катушки"), причем каждый виток содержит ВТСП-ленты, простирающиеся параллельно оси центральной колонны 307 (т.е. в страницу по отношению к фигуре 4). Часть пакета 401 обмоток, показывающая четыре отдельных витка ВТСП-кабелей 402, составляющих пакет обмоток, показана более подробно на фигуре 5.Figure 4 is an axial section of the corner segment 400 of the central column 307, including one half of the segment of the supporting element 313, which includes the inner branch 401 of one of the toroidal field coils 301. In Figure 4, only the "upper" half of the corner segment is shown, and its excluded "lower" half is a mirror image of the upper half. A plurality of angular segments 400 may be assembled to form a substantially cylindrical central column 307. The inner branch 401 of the toroidal field coil 301 is formed by winding multiple turns of a HTS cable 402 (these turns ("windings") may be collectively referred to as a "winding" stack or a "coil" stack), each turn comprising HTS tapes extending parallel to the axis of the central column 307 (i.e., in the page with respect to Figure 4). A portion of the winding stack 401 showing four individual turns of the HTS cables 402 that make up the winding stack is shown in more detail in Figure 5.

В общем, существующие конструкции ВТСП-узлов (кабелей) 402 соответствуют конструкциям, используемым для низкотемпературных сверхпроводников. Эти конструкции предполагают конструкцию проводника типа «кабель в канале» (от англ. "cable-in-conduit conductor", CICC), в которой ВТСП-кабель 402 содержит стопки ВТСП-лент 501, окруженные материалом-стабилизатором 502 (таким как медь или алюминий), который снабжен охлаждающим каналом 505. Стабилизатор 502 и охлаждающий канал 505 являются слабыми, поэтому используется высокопрочная "рубашка", содержащая конструктивную опору 503, выполненную из высокопрочного материала, такого как инконель, для предотвращения механической деформации ВТСП-узла 402 под давлением электромагнита, создаваемым при подаче энергии на катушку. Между ВТСП-кабелями 402 предусмотрена изоляция 504, чтобы электрически изолировать ВТСП-кабели 402 друг от друга. Стопки ВТСП-лент 501 охлаждаются посредством протекания криогенной смеси по центральному охлаждающему каналу 505, который проходит через материал-стабилизатор 502. Введение охлаждающего канала 505 и большого количества мягкого стабилизатора 502 с высокой проводимостью в ВТСП-узел 402 ослабляет его настолько, что требуется относительно прочная (т.е. толстая) конструктивная опора 503. Стопки ВТСП-лент 501 равномерно разнесены вокруг центрального охлаждающего канала 505, чтобы гарантировать равномерное охлаждение стопок ВТСП-лент 501. Традиционно ВТСП-ленты поставляются в "скрученной" или "транспонированной" компоновке, в которой ориентация ВТСП-лент меняется вдоль оси центральной колонны.In general, existing designs of HTS assemblies (cables) 402 correspond to designs used for low-temperature superconductors. These designs assume a design of a conductor of the "cable-in-conduit conductor" (CICC) type, in which the HTS cable 402 comprises stacks of HTS tapes 501 surrounded by a stabilizer material 502 (such as copper or aluminum), which is provided with a cooling channel 505. The stabilizer 502 and the cooling channel 505 are weak, therefore a high-strength "jacket" is used, containing a structural support 503 made of a high-strength material, such as Inconel, to prevent mechanical deformation of the HTS assembly 402 under the pressure of the electromagnet created when energy is supplied to the coil. Between the HTS cables 402, insulation 504 is provided to electrically isolate the HTS cables 402 from each other. The stacks of HTS tapes 501 are cooled by flowing a cryogenic mixture through a central cooling channel 505 that passes through the stabilizer material 502. The introduction of the cooling channel 505 and a large amount of soft, highly conductive stabilizer 502 into the HTS assembly 402 weakens it so much that a relatively strong (i.e., thick) structural support 503 is required. The stacks of HTS tapes 501 are evenly spaced around the central cooling channel 505 to ensure uniform cooling of the stacks of HTS tapes 501. Traditionally, the HTS tapes are supplied in a "twisted" or "transposed" arrangement in which the orientation of the HTS tapes changes along the axis of the central column.

Обращаясь опять к фигуре 4, угловой сегмент 400 центральной колонны 307 имеет вакуумный зазор 403, который отделяет криогенные компоненты (ВТСП-кабели 402 и несущий элемент 313) от нейтронной защиты 404, причем нейтронная защита предусмотрена дальше от оси центральной колонны 307, чем пакет 401 обмоток и несущий элемент 313.Referring again to Figure 4, the corner segment 400 of the central column 307 has a vacuum gap 403 which separates the cryogenic components (HTS cables 402 and the support member 313) from the neutron shield 404, wherein the neutron shield is provided further from the axis of the central column 307 than the winding stack 401 and the support member 313.

Использование проводников типа "кабель в канале" для ВТСП-узлов 402 типично приводит к плотностям тока пакета обмоток (J_wp) гораздо меньше 100 А/мм², что означает, что для данного диаметра центральной колонны 307 площадь центральной колонны 307, доступная для нейтронной защиты 404, ограничена, особенно в токамаках меньших размеров. Следовательно, конструкция CICC может приводить к тому, что пакет 401 ВТСП-катушки будет подвергаться более сильному ядерному нагреву, чем желательно, при работке токамака.The use of cable-in-duct conductors for the HTS assemblies 402 typically results in coil stack current densities (J _wp ) of much less than 100 A/mm ² , which means that for a given diameter of the central column 307, the area of the central column 307 available for the neutron shielding 404 is limited, especially in smaller tokamaks. Consequently, the CICC design may result in the HTS coil stack 401 being subjected to higher nuclear heating than desired during tokamak operation.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена центральная колонна для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака. Центральная колонна содержит первый и второй узлы с высокотемпературным сверхпроводником, ВТСП, содержащие соответствующие одну или более ВТСП-лент для проведения электрического тока параллельно оси центральной колонны. Каждая из ВТСП-лент содержит ВТСП-материал с присущим ему критическим током, который зависит от магнитного поля на ВТСП-ленте, когда центральная колонна находится в эксплуатации. Центральная колонна дополнительно содержит механизм охлаждения, выполненный с возможностью преимущественного охлаждения первого ВТСП-узла относительно второго ВТСП-узла, чтобы уменьшить или устранить разницу в критическом токе упомянутой или каждой ВТСП-ленты первого ВТСП-узла относительно критического тока упомянутой или каждой ВТСП-ленты второго ВТСП-узла.According to the first aspect of the present invention, a central column for a toroidal field coil of a tokamak plasma chamber is proposed. The central column comprises first and second high-temperature superconductor (HTSC) assemblies comprising respective one or more HTSC tapes for conducting electric current parallel to the axis of the central column. Each of the HTSC tapes comprises a HTSC material with an inherent critical current that depends on the magnetic field on the HTSC tape when the central column is in operation. The central column further comprises a cooling mechanism configured to preferentially cool the first HTSC assembly relative to the second HTSC assembly in order to reduce or eliminate the difference in the critical current of the or each HTSC tape of the first HTSC assembly relative to the critical current of the or each HTSC tape of the second HTSC assembly.

Например, магнитное поле, генерируемое во время работы катушки тороидального поля, может сделать критический ток упомянутой или каждой ВТСП-ленты второго ВТСП-узла большим, чем критический ток упомянутой или каждой ВТСП-ленты первого ВТСП-узла. Как описано ниже, критический ток может зависеть от напряженности магнитного поля и/или угла магнитного поля на ВТСП-ленте. В частности, напряженность магнитного поля и/или угол магнитного поля на упомянутой или каждой ВТСП-ленте первого ВТСП-узла могут быть больше, чем напряженность магнитного поля и/или угол магнитного поля на упомянутой или каждой ВТСП-ленте второго ВТСП-узла. В результате критический ток упомянутой или каждой ВТСП-ленты первого ВТСП-узла может быть меньше критического тока упомянутой или каждой ВТСП-ленты второго ВТСП-узла. Тогда механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью охлаждать первый ВТСП-узел до более низкой температуры, чем второй ВТСП-узел, чтобы компенсировать разницу в критических токах.For example, the magnetic field generated during operation of the toroidal field coil may make the critical current of the or each HTS tape of the second HTS assembly greater than the critical current of the or each HTS tape of the first HTS assembly. As described below, the critical current may depend on the magnetic field strength and/or the magnetic field angle on the HTS tape. In particular, the magnetic field strength and/or the magnetic field angle on the or each HTS tape of the first HTS assembly may be greater than the magnetic field strength and/or the magnetic field angle on the or each HTS tape of the second HTS assembly. As a result, the critical current of the or each HTS tape of the first HTS assembly may be less than the critical current of the or each HTS tape of the second HTS assembly. The cooling mechanism may then be configured to cool the first HTS node to a lower temperature than the second HTS node to compensate for the difference in critical currents.

Уменьшение или, предпочтительно, устранение разницы в критическом токе между первым и вторым ВТСП-узлами может вызывать более равномерное распределение транспортного электрического тока между ними. Например, механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью гарантировать, что критический ток ВТСП-лент первого ВТСП-узла находится в пределах 20% от критического тока ВТСП-лент второго ВТСП-узла, предпочтительно в пределах 10%, или более предпочтительно в пределах 5%, или даже 1%.Reducing or, preferably, eliminating the difference in the critical current between the first and second HTS nodes may cause a more uniform distribution of the transport electric current between them. For example, the cooling mechanism may be configured to ensure that the critical current of the HTS tapes of the first HTS node is within 20% of the critical current of the HTS tapes of the second HTS node, preferably within 10%, or more preferably within 5%, or even 1%.

ВТСП-материалом может быть REBCO, например.The HTS material could be REBCO, for example.

Критический ток каждой ВТСП-ленты может быть обратно зависимым от напряженности магнитного поля на ВТСП-ленте. Напряженность магнитного поля на первом ВТСП-узле может быть большей, чем напряженность магнитного поля на втором узле. Как правило, критический ток уменьшается с увеличением напряженности магнитного поля (т.е. критический ток обратно зависим от напряженности магнитного поля) и увеличением температуры (т.е. критический ток обратно зависим от температуры), например, критический ток может быть обратно пропорционален напряженности магнитного поля (В) и температуре (Т), а механизм охлаждения выполнен с возможностью создания такого распределения температуры по первому и второму ВТСП-узлам, которое компенсирует разницу напряженности магнитного поля на первом и втором ВТСП-узлах. Например, когда напряженность магнитного поля на первом ВТСП-узле больше напряженности магнитного поля на втором узле, механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью охлаждать первый узел до более низкой температуры, чем второй узел.The critical current of each HTS tape may be inversely dependent on the magnetic field strength on the HTS tape. The magnetic field strength on the first HTS node may be greater than the magnetic field strength on the second node. Typically, the critical current decreases with increasing magnetic field strength (i.e., the critical current is inversely dependent on the magnetic field strength) and increasing temperature (i.e., the critical current is inversely dependent on the temperature), for example, the critical current may be inversely proportional to the magnetic field strength (B) and temperature (T), and the cooling mechanism is configured to create such a temperature distribution over the first and second HTS nodes that compensates for the difference in magnetic field strength on the first and second HTS nodes. For example, when the magnetic field strength on the first HTS node is greater than the magnetic field strength on the second node, the cooling mechanism may be configured to cool the first node to a lower temperature than the second node.

Например, механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью компенсировать положительный радиальный градиент магнитного поля (dB/dr, где r -радиальное расстояние от оси центральной колонны), создавая отрицательный радиальный градиент температуры (dT/dr) между первым и вторым ВТСП-узлами. Градиент температуры может быть выбран таким образом, что изменение критического тока 1_С(В,Т), вызванное градиентом магнитного поля, приблизительно нейтрализуется.For example, the cooling mechanism may be configured to compensate for a positive radial magnetic field gradient (dB/dr, where r is the radial distance from the axis of the central column) by creating a negative radial temperature gradient (dT/dr) between the first and second HTS nodes. The temperature gradient may be selected such that the change in the critical current 1 _C (B,T) caused by the magnetic field gradient is approximately neutralized.

Каждая из ВТСП-лент может иметь относящуюся к ней плоскость, определенную с учетом кристаллической структуры ВТСП-материала ВТСП-ленты. Такие плоскости могут, например, быть ab-плоскостями, как упомянуто выше в связи с REBCO-лентой 200 по фигуре 2. Критический ток каждой ВТСП-ленты может зависеть от угла поля между магнитным полем на ВТСП-ленте и упомянутой плоскостью ВТСП-ленты, причем критический ток уменьшается по мере того, как этот угол увеличивается. ВТСП-узлы могут быть расположены так, что угол поля между магнитным полем и упомянутой плоскостью упомянутой или каждой ВТСП-ленты первого узла больше угла поля между магнитным полем и ab-плоскостью упомянутой или каждой ВТСП-ленты второго узла. У каждого из ВТСП-узлов соответствующие плоскости ВТСП-лент ВТСП-узла могут быть параллельны друг другу. Необязательно, плоскости ВТСП-лент в первом ВТСП-узле могут быть параллельны плоскостям ВТСП-лент во втором ВТСП-узле. Например, каждый из первого и второго ВТСП-узлов может быть частью соответствующей плоской дисковой катушки, содержащей вложенные друг в друга обмотки ВТСП-лент вокруг оси, причем эти дисковые катушки уложены смежно друг с другом в компоновке «грань к грани». В одном примере максимальный критический ток каждой ВТСП-ленты может возникать тогда, когда магнитное поле (В) параллельно ab-плоскости ВТСП-ленты. Например, механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью охлаждать первый ВТСП-узел до более низкой температуры, чем второй ВТСП-узел, когда угол поля между магнитным полем и ab-плоскостью упомянутой или каждой ВТСП-ленты первого узла больше угла поля между магнитным полем и ab-плоскостью упомянутой или каждой ВТСП-ленты второго узла.Each of the HTSC tapes may have a plane associated therewith, determined taking into account the crystal structure of the HTSC material of the HTSC tape. Such planes may, for example, be ab-planes, as mentioned above in connection with the REBCO tape 200 of Figure 2. The critical current of each HTSC tape may depend on the field angle between the magnetic field on the HTSC tape and said plane of the HTSC tape, wherein the critical current decreases as this angle increases. The HTSC nodes may be arranged such that the field angle between the magnetic field and said plane of the said or each HTSC tape of the first node is greater than the field angle between the magnetic field and the ab-plane of the said or each HTSC tape of the second node. For each of the HTSC nodes, the corresponding planes of the HTSC tapes of the HTSC node may be parallel to each other. Optionally, the planes of the HTS tapes in the first HTS node may be parallel to the planes of the HTS tapes in the second HTS node. For example, each of the first and second HTS nodes may be part of a respective flat disk coil comprising nested windings of the HTS tapes about an axis, wherein these disk coils are stacked adjacent to each other in an "edge to edge" arrangement. In one example, the maximum critical current of each HTS tape may occur when the magnetic field (B) is parallel to the ab-plane of the HTS tape. For example, the cooling mechanism may be configured to cool the first HTS node to a lower temperature than the second HTS node when the field angle between the magnetic field and the ab-plane of the or each HTS tape of the first node is greater than the field angle between the magnetic field and the ab-plane of the or each HTS tape of the second node.

Расстояние между первым ВТСП-узлом и осью центральной колонны может быть больше расстояния между вторым ВТСП-узлом и осью центральной колонны, причем каждое из этих расстояний измеряется в плоскости, перпендикулярной оси.The distance between the first HTSC node and the axis of the central column may be greater than the distance between the second HTSC node and the axis of the central column, with each of these distances measured in a plane perpendicular to the axis.

Механизм охлаждения может содержать один или более охлаждающих каналов, по которым предназначена протекать криогенная текучая среда, предпочтительно гелий, а более предпочтительно - сверхкритический гелий.The cooling mechanism may comprise one or more cooling channels through which a cryogenic fluid, preferably helium, and more preferably supercritical helium, is intended to flow.

Упомянутый или каждый охлаждающий канал может быть (или включать в себя участок, который является) практически прямым (т.е. центральная линия канала представляет собой прямую линию) и может простираться в направлении, имеющем составляющую, параллельную оси центральной колонны. Например, упомянутый или каждый охлаждающий канал и ВТСП-ленты могут все быть (практически) параллельными оси центральной колонны.The or each cooling channel may be (or include a portion that is) substantially straight (i.e., the center line of the channel is a straight line) and may extend in a direction that has a component parallel to the axis of the central column. For example, the or each cooling channel and the HTS tapes may all be (substantially) parallel to the axis of the central column.

Тепловой импеданс между упомянутым или каждым охлаждающим каналом и первым ВТСП-узлом может быть меньшим, чем тепловой импеданс между упомянутым или каждым охлаждающим каналом и вторым ВТСП-узлом.The thermal impedance between said or each cooling channel and the first HTS node may be less than the thermal impedance between said or each cooling channel and the second HTS node.

Кратчайшее расстояние между упомянутым или каждым охлаждающим каналом и первым ВТСП-узлом может быть меньше кратчайшего расстояния между упомянутым или каждым охлаждающим каналом и вторым ВТСП-узлом, причем каждое из этих расстояний измеряется в плоскости, перпендикулярной оси. Такая конфигурация предоставляет упомянутому или каждому охлаждающему каналу возможность преимущественно охлаждать первый ВТСП-узел относительно второго ВТСП-узла (по меньшей мере в той плоскости, в которой измеряются расстояния). В некоторых примерах упомянутый или каждый охлаждающий канал может быть ближе к первому ВТСП-узлу, чем ко второму ВТСП-узлу, вдоль всей центральной колонны.The shortest distance between the or each cooling channel and the first HTS node may be less than the shortest distance between the or each cooling channel and the second HTS node, wherein each of these distances is measured in a plane perpendicular to the axis. Such a configuration allows the or each cooling channel to preferentially cool the first HTS node relative to the second HTS node (at least in the plane in which the distances are measured). In some examples, the or each cooling channel may be closer to the first HTS node than to the second HTS node along the entire central column.

В некоторых вариантах реализации упомянутый или каждый охлаждающий канал может быть расположен дальше от оси центральной колонны, чем и первый ВТСП-узел, и второй ВТСП-узел. Предпочтительно, упомянутый или каждый охлаждающий канал расположен дальше от второго ВТСП-узла, чем от первого ВТСП-узла, чтобы обеспечить преимущественное охлаждение первому ВТСП-узлу по сравнению со вторым ВТСП-узлом.In some embodiments, said or each cooling channel may be located further from the axis of the central column than both the first HTS unit and the second HTS unit. Preferably, said or each cooling channel is located further from the second HTS unit than from the first HTS unit, in order to provide preferential cooling to the first HTS unit compared to the second HTS unit.

Плотность охлаждающих каналов, смежных с первым ВТСП-узлом, может быть большей, чем плотность охлаждающих каналов, смежных со вторым ВТСП-узлом. Альтернативно или дополнительно, соответствующие площади поперечного сечения охлаждающих каналов, смежных с первым ВТСП-узлом, могут быть большими, чем соответствующие площади поперечного сечения охлаждающих каналов, смежных со вторым ВТСП-узлом. Эти конфигурации могут позволить охлаждающим каналам обеспечивать большую охлаждающую способность по отношению к первому ВТСП-узлу относительно второго ВТСП-узла.The density of the cooling channels adjacent to the first HTS node may be greater than the density of the cooling channels adjacent to the second HTS node. Alternatively or additionally, the respective cross-sectional areas of the cooling channels adjacent to the first HTS node may be greater than the respective cross-sectional areas of the cooling channels adjacent to the second HTS node. These configurations may allow the cooling channels to provide greater cooling capacity with respect to the first HTS node relative to the second HTS node.

Каждый из первого и второго ВТСП-узлов может содержать множество ВТСП-лент, каждая из которых имеет относящуюся к ней ab-плоскость, определенную с учетом кристаллической структуры ВТСП-материала ВТСП-ленты, причем соответствующие ab-плоскости ВТСП-лент параллельны друг другу в каждом из ВТСП-узлов.Each of the first and second HTSC nodes may contain a plurality of HTSC tapes, each of which has an ab-plane associated with it, determined taking into account the crystal structure of the HTSC material of the HTSC tape, wherein the corresponding ab-planes of the HTSC tapes are parallel to each other in each of the HTSC nodes.

ВТСП-магнит может дополнительно содержать несущий элемент с одним или более каналами, причем упомянутый или каждый канал предпочтительно простирается в направлении, параллельном оси центральной колонны. Первый и второй ВТСП-узлы могут быть предусмотрены в упомянутых одном или более каналах несущего элемента.The HTS magnet may further comprise a support member with one or more channels, wherein said or each channel preferably extends in a direction parallel to the axis of the central column. The first and second HTS nodes may be provided in said one or more channels of the support member.

По меньшей мере часть центральной колонны может быть изготовлена из теплопроводящего материала, такого как медь, предпочтительно твердая медь, т.е. материала, который обладает высокой теплопроводностью при температурах ниже критической температуры ВТСП-материала в ВТСП-лентах. В некоторых примерах этот материал может иметь теплопроводность более 100 Вт/(мК), более 300 Вт/(мК) или даже более 7000 Вт/(м-К) для температур в диапазоне от 20 К до 40 К. Механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью охлаждать часть несущего элемента через лицевую поверхность несущего элемента, которая примыкает к корпусному участку этой части несущего элемента (т.е. без прослоек между корпусным участком и лицевой поверхностью). Корпусной участок находится в контакте с первым ВТСП-узлом и/или вторым ВТСП-узлом через одну или более стенок упомянутого или каждого канала несущего элемента, в котором предусмотрены первый и второй ВТСП-узлы, в результате чего первый ВТСП-узел и/или второй ВТСП-узел охлаждается или охлаждаются упомянутой частью несущего элемента.At least a portion of the central column may be made of a thermally conductive material such as copper, preferably solid copper, i.e. a material that has a high thermal conductivity at temperatures below the critical temperature of the HTS material in the HTS tapes. In some examples, this material may have a thermal conductivity of more than 100 W/(mK), more than 300 W/(mK) or even more than 7000 W/(m-K) for temperatures in the range from 20 K to 40 K. The cooling mechanism may be configured to cool a portion of the supporting element through the front surface of the supporting element that is adjacent to the housing portion of this portion of the supporting element (i.e. without layers between the housing portion and the front surface). The housing section is in contact with the first HTSC unit and/or the second HTSC unit through one or more walls of the said or each channel of the supporting element in which the first and second HTSC units are provided, as a result of which the first HTSC unit and/or the second HTSC unit is cooled or are cooled by the said part of the supporting element.

По меньшей мере участок второго ВТСП-узла может быть расположен радиально внутрь от первого ВТСП-узла, т.е. проходить ближе к оси центральной колонны, чем первый ВТСП-узел. Этот участок может находиться в тепловом контакте с корпусным участком охлаждаемой механизмом охлаждения части несущего элемента, в результате чего тепло переносится от этого участка второго ВТСП-узла к механизму охлаждения через охлаждаемую механизмом охлаждения часть несущего элемента. Механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью охлаждать часть несущего элемента, охлаждаемую механизмом охлаждения, до температуры, которая меньше температуры каждого из ВТСП-узлов, когда центральная колонна находится в эксплуатации. Например, первый и второй ВТСП-узлы могут охлаждаться до температуры от 25 К до 35 К, в то время как охлаждаемая механизмом охлаждения часть несущего элемента может быть охлаждена до температуры от 20 К до 25 К.At least a section of the second HTS unit may be located radially inward from the first HTS unit, i.e. extend closer to the axis of the central column than the first HTS unit. This section may be in thermal contact with the housing section of the part of the supporting element cooled by the cooling mechanism, as a result of which heat is transferred from this section of the second HTS unit to the cooling mechanism through the part of the supporting element cooled by the cooling mechanism. The cooling mechanism may be configured to cool the part of the supporting element cooled by the cooling mechanism to a temperature that is lower than the temperature of each of the HTS units when the central column is in operation. For example, the first and second HTS units may be cooled to a temperature of 25 K to 35 K, while the part of the supporting element cooled by the cooling mechanism may be cooled to a temperature of 20 K to 25 K.

Несущий элемент может содержать другую часть, расположенную радиально внутрь от охлаждаемой механизмом охлаждения части и имеющую более высокую механическую прочность, чем охлаждаемая механизмом охлаждения часть. Другая часть может быть выполнена из Иконеля™, например. Его повышенная механическая прочность противостоит сжатию центральной колонны ВТСП-узлами в результате сил Лоренца, создаваемых при эксплуатации центральной колонны.The supporting element may comprise another part located radially inward from the part cooled by the cooling mechanism and having a higher mechanical strength than the part cooled by the cooling mechanism. The other part may be made of Iconel™, for example. Its increased mechanical strength resists compression of the central column by the HTSC units as a result of the Lorentz forces created during operation of the central column.

Механизм охлаждения может быть выполнен с возможностью охлаждать каждую из ВТСП-лент до температуры ниже критической температуры ВТСП-материала в ВТСП-ленте, а предпочтительно до температуры менее 30 К, более предпочтительно менее 25 К, например, до примерно 20 К.The cooling mechanism may be configured to cool each of the HTS tapes to a temperature below the critical temperature of the HTS material in the HTS tape, and preferably to a temperature of less than 30 K, more preferably less than 25 K, such as to about 20 K.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена плазменная камера токамака, содержащая центральную колонну согласно вышеописанному первому аспекту и катушку тороидального поля, содержащую множество обмоток ВТСП-ленты, причем каждая обмотка содержит соответствующую одну из ВТСП-лент.Плазменная камера токамака может дополнительно содержать множество катушек тороидального поля, выполненных с возможностью обеспечивать тороидальное магнитное поле внутри плазменной камеры, когда по обмоткам катушек тороидального поля пропускается электрический ток, причем центральная колонна содержит соответствующие первый и второй ВТСП-узел для каждой из катушек тороидального поля (т.е. каждая обмотка катушки тороидального поля содержит соответствующую одну из ВТСП-лент первого и второго ВТСП-узлов).According to a second aspect of the present invention, a tokamak plasma chamber is provided, comprising a central column according to the above-described first aspect and a toroidal field coil comprising a plurality of windings of a HTS tape, wherein each winding comprises a corresponding one of the HTS tapes. The tokamak plasma chamber may further comprise a plurality of toroidal field coils configured to provide a toroidal magnetic field inside the plasma chamber when an electric current is passed through the windings of the toroidal field coils, wherein the central column comprises corresponding first and second HTS nodes for each of the toroidal field coils (i.e. each winding of the toroidal field coil comprises a corresponding one of the HTS tapes of the first and second HTS nodes).

Катушки тороидального поля могут, например, быть D-образными катушками, в которых обмотки расположены образующими внутреннюю ветвь (соответствующую прямому участку D-образной формы), образованную ВТСП-лентами центральной колонны, и внешнюю ветвь (соответствующую криволинейному участку D-образной формы), образованную другими ВТСП-лентами, составляющими каждую из обмоток. Электрический ток, подаваемый в первую из обмоток катушки тороидального поля, протекает по каждой из других обмоток катушки по очереди (как в соленоиде), причем электрический ток проходит вдоль внутренней ветви, по внешней ветви и обратно во внутреннюю ветвь для каждой из обмоток.Toroidal field coils may, for example, be D-shaped coils in which the windings are arranged to form an inner branch (corresponding to the straight section of the D-shape) formed by the HTS tapes of the central column, and an outer branch (corresponding to the curved section of the D-shape) formed by the other HTS tapes that make up each of the windings. Electric current supplied to the first winding of a toroidal field coil flows through each of the other windings of the coil in turn (as in a solenoid), with the electric current passing along the inner branch, along the outer branch, and back to the inner branch for each of the windings.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ работы плазменной камеры токамака согласно вышеописанному второму аспекту. Способ включает, для каждой из множества катушек тороидального поля:According to a third aspect of the present invention, a method of operating a tokamak plasma chamber according to the second aspect described above is provided. The method comprises, for each of a plurality of toroidal field coils:

пропускание электрического тока по обмоткам катушки тороидального поля; иpassing an electric current through the windings of a toroidal field coil; and

использование механизма охлаждения для преимущественного охлаждения первого ВТСП-узла относительно второго ВТСП-узла, чтобы уменьшить или устранить разницу в критическом токе упомянутой или каждой ВТСП-ленты первого ВТСП-узла относительно критического тока упомянутой или каждой ВТСП-ленты второго ВТСП-узла.using a cooling mechanism to preferentially cool the first HTS unit relative to the second HTS unit to reduce or eliminate a difference in the critical current of the or each HTS tape of the first HTS unit relative to the critical current of the or each HTS tape of the second HTS unit.

В случае, если механизм охлаждения содержит один или более охлаждающих каналов, использование механизма охлаждения может включать протекание криогенной текучей среды, такой как сверхкритический гелий, по упомянутому или каждому охлаждающему каналу.In the event that the cooling mechanism comprises one or more cooling channels, use of the cooling mechanism may include flowing a cryogenic fluid, such as supercritical helium, through said or each cooling channel.

Магнитное поле, генерируемое катушками тороидального поля, может, например, быть таким, что напряженность магнитного поля на каждом из первых ВТСП-узлов больше напряженности магнитного поля на каждом из вторых ВТСП-узлов. Альтернативно или дополнительно, угол поля между магнитным полем и плоскостью упомянутой или каждой ab-плоскости в ВТСП-лентах каждого из первых ВТСП-узлов может быть больше угла поля между магнитным полем и ab-плоскостью ВТСП-лент каждого из вторых ВТСП-узлов.The magnetic field generated by the toroidal field coils may, for example, be such that the magnetic field strength at each of the first HTSC nodes is greater than the magnetic field strength at each of the second HTSC nodes. Alternatively or additionally, the field angle between the magnetic field and the plane of said or each ab-plane in the HTSC tapes of each of the first HTSC nodes may be greater than the field angle between the magnetic field and the ab-plane of the HTSC tapes of each of the second HTSC nodes.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложена центральная колонна для катушки тороидального поля плазменной камеры токамака. Центральная колонна содержит несущий элемент с множеством каналов, разнесенных вокруг центральной оси. Каждый канал имеет предусмотренный в нем элемент-проводник, содержащий один или более слоев сверхпроводникового материала для проведения электрического тока параллельно центральной оси. Центральная колонна дополнительно содержит механизм охлаждения, выполненный с возможностью охлаждения сверхпроводникового материала для создания (или поддержания) нисходящего градиента температуры на каждом элементе-проводнике в радиальном направлении, перпендикулярном центральной оси, до или во время работы плазменной камеры токамака в качестве термоядерного реактора, в результате чего температура каждого элемента-проводника снижается по мере удаления от центральной оси в радиальном направлении.According to the fourth aspect of the present invention, a central column for a toroidal field coil of a tokamak plasma chamber is proposed. The central column comprises a supporting element with a plurality of channels spaced around the central axis. Each channel has a conductor element provided therein, comprising one or more layers of a superconducting material for conducting an electric current parallel to the central axis. The central column further comprises a cooling mechanism configured to cool the superconducting material to create (or maintain) a downward temperature gradient on each conductor element in a radial direction perpendicular to the central axis, before or during operation of the tokamak plasma chamber as a thermonuclear reactor, as a result of which the temperature of each conductor element decreases as it moves away from the central axis in the radial direction.

Градиент температуры на каждом элементе-проводнике помогает сделать отношение электрического тока к критическому току (I/I_с) в сверхпроводниковом материале элемента-проводника более однородным в радиальном направлении, компенсируя, по меньшей мере в некоторой степени, увеличение напряженности магнитного поля и/или менее оптимальный угол поля с увеличением расстояния от центральной оси.The temperature gradient across each conductor element helps to make the ratio of electric current to critical current (I/ _Ic ) in the superconducting material of the conductor element more uniform in the radial direction, compensating, at least to some extent, for the increase in magnetic field strength and/or less optimal field angle with increasing distance from the central axis.

Механизм охлаждения может содержать один или более охлаждающих каналов, проходящих через несущий элемент, по которым предназначена протекать криогенная текучая среда. Плотность охлаждающих каналов и/или соответствующие площади поперечного сечения охлаждающих каналов могут увеличиваться радиально по несущему элементу, чтобы обеспечивать дифференциальное охлаждение радиально внутренним и внешним частям несущего элемента, когда криогенная текучая среда течет по охлаждающим каналам.The cooling mechanism may comprise one or more cooling channels passing through the supporting element, through which the cryogenic fluid is intended to flow. The density of the cooling channels and/or the corresponding cross-sectional areas of the cooling channels may increase radially along the supporting element to provide differential cooling to the radially inner and outer parts of the supporting element when the cryogenic fluid flows through the cooling channels.

Механизм охлаждения может содержать регулятор для управления расходом криогенной текучей среды через охлаждающие каналы, причем охлаждающие каналы и регулятор выполнены с возможностью обеспечивать более высокие расходы через первый набор охлаждающих каналов, чем второй набор охлаждающих каналов, причем охлаждающие каналы в первом наборе расположены дальше от центральной оси, чем охлаждающие каналы во втором наборе.The cooling mechanism may comprise a regulator for controlling the flow rate of the cryogenic fluid through the cooling channels, wherein the cooling channels and the regulator are configured to provide higher flow rates through the first set of cooling channels than the second set of cooling channels, wherein the cooling channels in the first set are located further from the central axis than the cooling channels in the second set.

Каждый элемент-проводник может быть отстоящим от одной или более стенок канала, образуя соответствующий один из охлаждающих каналов.Each conductor element may be spaced from one or more walls of the channel, forming a corresponding one of the cooling channels.

Каждый элемент-проводник может содержать множество слоев сверхпроводникового материала, причем эти слои расположены практически перпендикулярно радиальному направлению.Each conductor element may contain multiple layers of superconducting material, with these layers arranged almost perpendicular to the radial direction.

При эксплуатации, для каждого элемента-проводника, средняя температура первого слоя сверхпроводникового материала может быть большей, чем средняя температура второго слоя сверхпроводникового материала, причем первый слой расположен ближе к центральной оси, чем второй слой. Первый слой может быть радиально самым внутренним слоем элемента-проводника, а второй слой может быть радиально самым внешним слоем элемента-проводника. Охлаждающие каналы могут быть расположены так, что при эксплуатации криогенная текучая среда контактирует со вторым слоем каждого элемента-проводника.During operation, for each conductor element, the average temperature of the first layer of superconducting material may be greater than the average temperature of the second layer of superconducting material, and the first layer is located closer to the central axis than the second layer. The first layer may be the radially innermost layer of the conductor element, and the second layer may be the radially outermost layer of the conductor element. The cooling channels may be arranged so that during operation, the cryogenic fluid contacts the second layer of each conductor element.

Каждый элемент-проводник может контактировать с частью (например, стенкой) канала несущего элемента, в котором предусмотрен элемент-проводник, простирающейся в направлении, перпендикулярном центральной оси, и изготовленной из теплопроводящего материала. Теплопроводящий материал может представлять собой или содержать медь, предпочтительно твердую медь.Each conductor element may contact a portion (e.g., a wall) of the channel of the supporting element in which the conductor element is provided, extending in a direction perpendicular to the central axis and made of a heat-conducting material. The heat-conducting material may be or contain copper, preferably solid copper.

Сверхпроводниковый материал может быть высокотемпературным сверхпроводником, ВТСП, таким как REBCO.The superconducting material may be a high temperature superconductor, HTS, such as REBCO.

Каждый элемент-проводник может содержать множество стопок ВТСП-ленты, расположенных бок о бок в канале, предпочтительно с предусмотренным между соседними стопками изолирующим материалом. Упомянутый или каждый охлаждающий канал может охватывать лицевую поверхность соответствующего элемента-проводника.Each conductor element may comprise a plurality of stacks of HTS tape arranged side by side in a channel, preferably with an insulating material provided between adjacent stacks. The or each cooling channel may encompass the front surface of the corresponding conductor element.

Криогенная текучая среда может быть гелием, предпочтительно сверхкритическим гелием.The cryogenic fluid may be helium, preferably supercritical helium.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложена плазменная камера токамака, содержащая центральную колонну согласно вышеописанному четвертому аспекту и множество катушек тороидального поля, причем каждая катушка тороидального поля содержит соответствующий один или более элементов-проводников.According to a fifth aspect of the present invention, a tokamak plasma chamber is provided, comprising a central column according to the above-described fourth aspect and a plurality of toroidal field coils, wherein each toroidal field coil comprises a corresponding one or more conductor elements.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предложен способ работы плазменной камеры токамака, содержащей центральную колонну согласно вышеописанному четвертому аспекту и множество катушек тороидального поля, причем каждая катушка тороидального поля содержит соответствующий один или более элементов-проводников, а способ включает протекание криогенной текучей среды по охлаждающим каналам до и/или во время подачи электрического тока на каждую из катушек тороидального поля. Криогенная текучая среда может быть гелием, предпочтительно сверхкритическим гелием. Расход криогенной текучей среды может быть увеличен до и/или во время импульсной работы плазменной камеры токамака в качестве термоядерного реактора.According to the sixth aspect of the present invention, a method of operating a tokamak plasma chamber is proposed, comprising a central column according to the above-described fourth aspect and a plurality of toroidal field coils, wherein each toroidal field coil comprises a corresponding one or more conductor elements, and the method includes flowing a cryogenic fluid through cooling channels before and/or during the supply of electric current to each of the toroidal field coils. The cryogenic fluid can be helium, preferably supercritical helium. The flow rate of the cryogenic fluid can be increased before and/or during the pulsed operation of the tokamak plasma chamber as a thermonuclear reactor.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фигура 1 схематичный вид в перспективе ВТСП-ленты уровня техники; Figure 1 is a schematic perspective view of a state-of-the-art HTS tape;

Фигура 2 схематичным поперечный разрез ВТСП-ленты, показывающий ab-плоскость и с-ось ленты;Figure 2 is a schematic cross-section of the HTS tape showing the ab-plane and c-axis of the tape;

Фигура 3А - схематичный вид в разрезе токамака;Figure 3A is a schematic cross-sectional view of the tokamak;

Фигура 3В - схематичный вид в аксиальном разрезе центральной колонны токамака по фигуре 3А;Figure 3B is a schematic view in axial section of the central column of the tokamak according to Figure 3A;

Фигура 4 - схематичный аксиальный разрез сегмента центральной колонны по фигурам 3А и 3 В;Figure 4 is a schematic axial section of a segment of the central column according to Figures 3A and 3B;

Фигура 5 - схематичный аксиальный разрез пакета обмоток сегмента центральной колонны по фигуре 4;Figure 5 is a schematic axial section of the winding package of the central column segment according to Figure 4;

Фигура 6 - схематичный аксиальный разрез сегмента центральной колонны токамака согласно настоящему изобретению;Figure 6 is a schematic axial section of a segment of the central column of a tokamak according to the present invention;

Фигура 7 - схематичный аксиальный разрез пакета обмоток центральной колонны согласно настоящему изобретению;Figure 7 is a schematic axial section of a winding package of a central column according to the present invention;

Фигура 8 - схематичный аксиальный разрез сегмента центральной колонны согласно настоящему изобретению; иFigure 8 is a schematic axial section of a segment of a central column according to the present invention; and

Фигура 9 - схематичный аксиальный разрез сегмента центральной колонны по фигуре 8 с наложенными результатами моделирования распределения температуры центральной колонны.Figure 9 is a schematic axial section of the central column segment according to Figure 8 with superimposed results of the central column temperature distribution modeling.

Подробное описаниеDetailed description

Задачей настоящего изобретения является преодоление или по меньшей мере смягчение некоторых из проблем, описанных выше для существующих центральных колонн плазменных камер токамака. В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение позволяет изготавливать центральные колонны, в которых при работе плазменной камеры токамака распределение транспортного электрического тока между простирающимися вдоль оси центральной колонны ВТСП-кабелями (т.е. ВТСП-"узлами") (которые образуют "внутреннюю" ветвь катушки тороидального поля) является более равномерным по сравнению с существующими центральными колоннами. В частности, более равномерное распределение транспортного электрического тока может быть достигнуто посредством обеспечения механизма охлаждения для преимущественного охлаждения ВТСП-лент в одном ВТСП-кабеле катушки тороидального поля относительно ВТСП-лент в другом ВТСП-кабеле катушки тороидального поля. Такое охлаждение компенсирует разницу (т.е. дисбаланс) между критическими токами в ВТСП-материале двух ВТСП-кабелей. При уменьшении или устранении разницы в критических токах транспортный электрический ток более равномерно распределяется между ВТСП-кабелями в центральной колонне. Например, доля транспортного электрического тока по отношению к критическому току может быть более постоянной для ВТСП-кабелей. Дифференциальное охлаждение ВТСП-материала противоположно подходам, используемым в существующих центральных колоннах, которые нацелены на обеспечение равномерно высоких темпов охлаждения ВТСП-материала, независимо от того, где в центральной колонне находится этот ВТСП-материал.An object of the present invention is to overcome or at least mitigate some of the problems described above for existing tokamak plasma chamber central columns. In some embodiments, the present invention allows for the fabrication of central columns in which, during operation of the tokamak plasma chamber, the distribution of the transport electric current between the HTS cables (i.e., the HTS "nodes") extending along the axis of the central column (which form the "inner" leg of the toroidal field coil) is more uniform than with existing central columns. In particular, a more uniform distribution of the transport electric current can be achieved by providing a cooling mechanism for preferentially cooling the HTS tapes in one HTS cable of the toroidal field coil relative to the HTS tapes in the other HTS cable of the toroidal field coil. Such cooling compensates for the difference (i.e., the imbalance) between the critical currents in the HTS material of the two HTS cables. By reducing or eliminating the difference in critical currents, the transport current is more evenly distributed among the HTS cables in the center column. For example, the proportion of the transport current relative to the critical current can be more constant across the HTS cables. Differential cooling of the HTS material is in contrast to the approaches used in existing center columns, which aim to provide uniformly high cooling rates for the HTS material, regardless of where in the center column the HTS material is located.

Использование ВТСП-материала, в отличие от НТСП-материала, в общем означает, что между двумя (или более) ВТСП-кабелями могут существовать более значительные разницы температур без риска теплового разгона, возникающего из-за потери (или частичной потери) сверхпроводимости. Например, в существующих магнитах, в которых используется ВТСП-материал, температурный допуск НТСП-материала, т.е. разница между рабочей температурой и критической температурой, при которой начинается тепловой разгон, может быть менее 1К. Напротив, для ВТСП-материала температурный допуск может быть на порядок величины выше, поэтому ВТСП-магнит может выдерживать больший температурный градиент на своих обмотках без потери сверхпроводимости.The use of an HTS material, as opposed to an LTSC material, generally means that larger temperature differences can exist between two (or more) HTS cables without the risk of thermal runaway arising from the loss (or partial loss) of superconductivity. For example, in existing magnets using an HTS material, the temperature tolerance of the LTSC material, i.e. the difference between the operating temperature and the critical temperature at which thermal runaway begins, can be less than 1K. In contrast, for an HTS material, the temperature tolerance can be an order of magnitude higher, so that an HTS magnet can withstand a larger temperature gradient across its windings without losing superconductivity.

Фигура 6 представляет собой аксиальный разрез углового сегмента центральной колонны 600 плазменной камеры токамака (например, токамака 300 по фигуре 3А). Как и для фигуры 4 (и фигуры 8, описанной ниже), на фигуре 6 показана только одна половина углового сегмента, а исключенная половина углового сегмента является зеркальным отображением того, что показано на этой фигуре. Центральная колонна 600 содержит несущий элемент 613, который аналогичен несущему элементу 313 по фигурам 3В и 4. Несущий элемент 613 простирается параллельно оси центральной колонны 600 (т.е. в страницу на фигуре 6) и содержит канал, который заключает в себе множество ВТСП-узлов 601, скомпонованных как "пакет обмоток" 602. Каждый ВТСП-узел 601 является удлиненным в направлении, параллельном оси центральной колонны 600 (т.е. в страницу на фигуре 6). В варианте реализации, показанном на фигуре 6, каждый ВТСП-узел 601 содержит множество ВТСП-лент, каждая из которых выставлена так, чтобы иметь свою самую длинную ось (практически) параллельной оси центральной колонны 600. Каждый ВТСП-узел 601 также простирается в направлении, которое имеет по меньшей мере составляющую, направленную к оси центральной колонны 600, т.е. вдоль радиуса центральной колонны. ВТСП-узлы 601 расположены в виде стопки, и длины ВТСП-узлов 601 различаются для того, чтобы эффективно использовать форму углового сегмента, т.е. длины ВТСП-узлов 601 на концах стопки (например, ВТСП-узла 601 на верху стопки применительно к фигуре 6) являются более короткими, чем длины ВТСП-узлов 601 в середине стопки.Figure 6 is an axial sectional view of a corner segment of the central column 600 of a tokamak plasma chamber (e.g., tokamak 300 of Figure 3A). As with Figure 4 (and Figure 8 described below), Figure 6 shows only one half of the corner segment, and the excluded half of the corner segment is a mirror image of what is shown in this figure. The central column 600 comprises a supporting element 613 which is similar to the supporting element 313 of Figures 3B and 4. The supporting element 613 extends parallel to the axis of the central column 600 (i.e. into the page in Figure 6) and comprises a channel which contains a plurality of HTS nodes 601 arranged as a "winding stack" 602. Each HTS node 601 is elongated in a direction parallel to the axis of the central column 600 (i.e. into the page in Figure 6). In the embodiment shown in Figure 6, each HTS node 601 comprises a plurality of HTS tapes, each of which is aligned so as to have its longest axis (substantially) parallel to the axis of the central column 600. Each HTS node 601 also extends in a direction that has at least a component directed toward the axis of the central column 600, i.e. along the radius of the central column. The HTS nodes 601 are arranged in a stack, and the lengths of the HTS nodes 601 differ in order to effectively utilize the shape of the corner segment, i.e. the lengths of the HTS nodes 601 at the ends of the stack (for example, the HTS node 601 at the top of the stack in relation to Figure 6) are shorter than the lengths of the HTS nodes 601 in the middle of the stack.

Центральная колонна 600 также содержит вакуумный зазор 603 между несущим элементом 613 и защитой 604 от ядерного излучения, которая окружает несущий элемент 613 для ограничения ядерного нагрева несущего элемента 613 и ВТСП-узлов 601, когда токамак находится в эксплуатации (т.е. работает в качестве термоядерного реактора). Несущий элемент 613 может быть изготовлен из меди (хотя могут быть использованы другие металлы и/или сплавы) и может быть сформирован как единая деталь или может быть образован из двух или более деталей, как описано ниже в связи с фигурой 8.The central column 600 also comprises a vacuum gap 603 between the support member 613 and the nuclear radiation shield 604 that surrounds the support member 613 to limit nuclear heating of the support member 613 and the HTS assemblies 601 when the tokamak is in operation (i.e., operating as a fusion reactor). The support member 613 may be made of copper (although other metals and/or alloys may be used) and may be formed as a single piece or may be formed from two or more pieces, as described below in connection with Figure 8.

Фигура 7 представляет собой аксиальный разрез центральной колонны 600, показывающий участок пакета 602 обмоток, который предусмотрен в канале несущего элемента 613. Пакет 602 обмоток, показанный на фигуре 7, содержит стопку из четырех ВТСП-узлов 701 (а не стопку из трех ВТСП-узлов 601, показанную на фигуре 6). В общем, стопка может содержать любое число ВТСП-узлов 601, ограниченное лишь габаритными размерами центральной колонны 600 и размерами ВТСП-лент. По обе стороны стопки ВТСП-узлов 701, между стопкой и противоположными стенками канала несущего элемента 613, который заключает в себе пакет 602 обмоток, предусмотрена пара слоев 702А, 702В стабилизатора, изготовленных, например, из меди или алюминия. Стенки канала действуют в качестве конструктивной опоры 703 для ВТСП-узлов 701, предотвращая деформацию и возможное повреждение ВТСП-лент. В этом примере между соответствующими соседними парами ВТСП-узлов 701 предусмотрен слой электрической изоляции 704 для того, чтобы изолировать ВТСП-узлы 701 друг от друга.Figure 7 is an axial section of the central column 600 showing a portion of the winding package 602 which is provided in the channel of the supporting member 613. The winding package 602 shown in Figure 7 comprises a stack of four HTS units 701 (and not the stack of three HTS units 601 shown in Figure 6). In general, the stack may comprise any number of HTS units 601 limited only by the overall dimensions of the central column 600 and the dimensions of the HTS tapes. On both sides of the stack of HTS units 701, between the stack and the opposite walls of the channel of the supporting member 613 which contains the winding package 602, a pair of stabilizer layers 702A, 702B made of, for example, copper or aluminum are provided. The channel walls act as a structural support 703 for the HTS nodes 701, preventing deformation and possible damage to the HTS tapes. In this example, an electrical insulation layer 704 is provided between respective adjacent pairs of HTS nodes 701 in order to isolate the HTS nodes 701 from each other.

Каждый из ВТСП-узлов 701 содержит массив ВТСП-лент, расположенных лицом к лицу, при этом ВТСП-ленты проходят параллельно друг другу и контактируют друг с другом своими соответствующими лицевыми сторонами. В этом случае каждый из массивов ВТСП-лент образует часть соответствующей дисковой катушки, которая является частью катушки тороидального поля (TF), такой как катушки 301 TF, показанные на фигуре 3А. Эта компоновка может обеспечивать эффективный перенос тепла между ВТСП-лентами, так что охлаждение наиболее удаленного от оси центральной колонны 600 конца ВТСП-узла 701 может, через промежуточные ВТСП-ленты, охлаждать другой конец ВТСП-узла 701.Each of the HTS units 701 comprises an array of HTS tapes arranged face to face, wherein the HTS tapes extend parallel to each other and contact each other with their respective faces. In this case, each of the arrays of HTS tapes forms part of a corresponding disk coil, which is part of a toroidal field (TF) coil, such as the TF coils 301 shown in Figure 3A. This arrangement can provide for efficient heat transfer between the HTS tapes, so that cooling of the end of the HTS unit 701 that is most distant from the axis of the central column 600 can, through the intermediate HTS tapes, cool the other end of the HTS unit 701.

Использование ВТСП-узлов ("кабелей") без скручивания или транспонирования в термоядерных ВТСП-магнитах является спорным. Однако эти признаки были перенесены из НТСП-кабелей для термоядерных магнитов, номинально для того, чтобы минимизировать потери переменного тока и гарантировать равное распределение тока между лентами. Однако относительно большой размер REBCO-проводников с покрытием означает, что шаги скрутки большие, а уменьшение потерь на практике минимально. Напротив, повышенная термическая стабильность, обеспечиваемая за счет работы при высоких температурах, означает, что осуществима устойчивая работа больших катушек без скручивания или транспонирования. Выбор многослойной ленточной конструкции (как в ВТСП-узлах 701, описанных выше) также позволяет добиться в 3-5 раз более высокого критического тока за счет лучшего совмещения ab-плоскости REBCO с вектором локального магнитного поля, что возможно в описанной выше центральной колонне 600 TF.The use of HTS assemblies ("cables") without twist or transposition in HTS fusion magnets is controversial. However, these features have been carried over from LTSC cables for fusion magnets, nominally to minimize AC losses and ensure equal current sharing between the ribbons. However, the relatively large size of the coated REBCO conductors means that the twist pitches are large and the loss reduction is minimal in practice. In contrast, the increased thermal stability provided by high temperature operation means that stable operation of large coils without twist or transposition is feasible. The choice of a multilayer ribbon construction (as in the 701 HTS assemblies described above) also allows for 3-5 times higher critical current due to better alignment of the REBCO ab-plane with the local magnetic field vector, as is possible in the 600 TF center column described above.

Охлаждающий канал 705 предусмотрен на радиально самом внешнем конце пакета 602 обмоток, т.е. центральная колонна 600 скомпонована таким образом, что пакет 602 обмоток предусмотрен между осью центральной колонны 600 и охлаждающим каналом 603. В этом примере лицевые стороны ВТСП-узлов 701 вместе образуют одну из стенок охлаждающего канала 705, так что, когда криогенная текучая среда (такая как сверхкритический гелий) протекает по охлаждающему каналу 705, эта текучая среда может контактировать и, предпочтительно, охлаждать радиально внешние лицевые стороны ВТСП-лент.The cooling channel 705 is provided at the radially outermost end of the winding stack 602, i.e. the central column 600 is arranged in such a way that the winding stack 602 is provided between the axis of the central column 600 and the cooling channel 603. In this example, the faces of the HTS units 701 together form one of the walls of the cooling channel 705, so that when a cryogenic fluid (such as supercritical helium) flows through the cooling channel 705, this fluid can contact and, preferably, cool the radially outer faces of the HTS tapes.

Центральная колонна 600 по фигуре 6 имеет тот же радиус, что и центральная колонна 400 по фигуре 4, но имеет пакет 602 обмоток, который занимает значительно меньшую площадь, по меньшей мере отчасти потому, что охлаждающий канал 705 предусмотрен снаружи пакета 602 обмоток. Поэтому пакет 602 обмоток, показанный на фигурах 6 и 7, способен обеспечить значительно более высокую плотность тока пакета обмоток, J_wp ~350 А/мм², чем пакет 402 обмоток по фигуре 4, который содержит ВТСП-узлы 402 типа CICC. В дополнение, более высокая доля центральной колонны 600 может быть использована для защиты 604 от ядерного излучения, что приводит к более низким темпам ядерного нагрева и меньшему повреждению центральной колонны 600, когда токамак работает, а также к меньшему риску индуцированного нейтронами ухудшения критического тока в ВТСП-лентах ВТСП-узлов 601. Меньший ядерный нагрев, получающийся в результате более толстой нейтронной защиты 604, также означает, что радиально внутренние части ВТСП-узлов могут охлаждаться за счет кондуктивного охлаждения через несущий элемент 613 путем окружения несущего элемента 613 кольцом из текущего сверхкритического гелия, например, как описано ниже со ссылкой на фигуру 8. Кроме того, за счет расположения охлаждающего канала снаружи пакета 602 обмоток механическая целостность пакета 602 обмоток остается высокой, так что толстая, высокопрочная рубашка (т.е. опорная конструкция) вокруг каждого из ВТСП-узлов 701 может не потребоваться, тем самым позволяя ВТСП-лентам занимать больше пространства и увеличивая теплопроводность ВТСП-узлов 601.The central column 600 of Figure 6 has the same radius as the central column 400 of Figure 4, but has a winding stack 602 that occupies a significantly smaller area, at least in part because the cooling channel 705 is provided outside the winding stack 602. Therefore, the winding stack 602 shown in Figures 6 and 7 is capable of providing a significantly higher winding stack current density, J _wp ~ 350 A / mm ² , than the winding stack 402 of Figure 4, which contains HTS assemblies 402 of the CICC type. In addition, a higher proportion of the central column 600 can be used for shielding 604 from nuclear radiation, resulting in lower rates of nuclear heating and less damage to the central column 600 when the tokamak is operating, as well as a lower risk of neutron-induced degradation of the critical current in the HTS tapes of the HTS assemblies 601. The lower nuclear heating resulting from the thicker neutron shielding 604 also means that the radially inner portions of the HTS assemblies can be cooled by conductive cooling through the support member 613 by surrounding the support member 613 with a ring of flowing supercritical helium, such as described below with reference to Figure 8. Furthermore, by locating the cooling channel outside the winding stack 602, the mechanical integrity of the winding stack 602 remains high, such that a thick, high-strength jacket (i.e., support structure) around each of The 701 HTS nodes may not be required, thereby allowing the HTS tapes to occupy more space and increasing the thermal conductivity of the 601 HTS nodes.

Фигура 8 представляет собой аксиальный разрез (одной половины) сегмента примерной центральной колонны 800, которая аналогична центральной колонне 600 по фигуре 6, за исключением того, что несущий элемент содержит радиально внутреннюю секцию 801А, которая может быть изготовлена из сплава Иконель™ (например) для того, чтобы выдерживать высокую механическую нагрузку на центральную колонну при работе катушек тороидального поля. Несущий элемент также содержит радиально внешнюю секцию или "боковую панель" 801 В, которая может быть изготовлена из меди, такой как твердая медь, и которая простирается по пакету 802 обмоток, содержащему стопку из шести ВТСП-узлов 802А, 802В, 802С (только три из которых показаны на фигуре 8), которые аналогичны ВТСП-узлам 701, описанным в связи с фигурой 7. В этом примере ВТСП-узлы 802А, 802В, 802С представляют собой три дисковые катушки (их практически прямые участки), которые скомпонованы в виде стопки, и каждая дисковая катушка содержит ВТСП-ленты, каждая из которых включает в себя множество слоев ВТСП-материала (например, ВТСП-ленту 100, описанную выше в связи с фигурой 1).Figure 8 is an axial sectional view of (one half) of a segment of an exemplary central column 800, which is similar to the central column 600 of Figure 6, except that the supporting member includes a radially inner section 801A, which may be made of Iconel™ alloy (for example) to withstand the high mechanical load on the central column during operation of the toroidal field coils. The support member also includes a radially outer section or "side panel" 801 B which may be made of copper, such as solid copper, and which extends over a winding stack 802 comprising a stack of six HTS assemblies 802A, 802B, 802C (only three of which are shown in Figure 8) which are similar to the HTS assemblies 701 described in connection with Figure 7. In this example, the HTS assemblies 802A, 802B, 802C are three disc coils (substantially straight sections thereof) which are arranged in a stack, and each disc coil comprises HTS tapes, each of which includes a plurality of layers of HTS material (e.g., the HTS tape 100 described above in connection with Figure 1).

Центральная колонна 800 также отличается от центральной колонны 600 по фигуре 6 тем, что "внутренний" охлаждающий канал 805 включен в боковую панель 801В. Охлаждающий канал 805 простирается в направлении, параллельном оси центральной колонны 800, т.е. в страницу на фигуре 8. Эта конфигурация позволяет охлаждать боковую панель 801В изнутри криогенной текучей средой, протекающей в охлаждающем канале 805.The central column 800 also differs from the central column 600 of Figure 6 in that an "internal" cooling channel 805 is included in the side panel 801B. The cooling channel 805 extends in a direction parallel to the axis of the central column 800, i.e. into the page of Figure 8. This configuration allows the side panel 801B to be cooled from the inside by a cryogenic fluid flowing in the cooling channel 805.

Конечно, в боковой панели 801В может быть предусмотрен более чем один внутренний охлаждающий канал 805, при этом число и/или плотность охлаждающих каналов 805 и/или площадь поперечного сечения каналов 805 варьируются для того, чтобы изменять распределение температуры в центральной колонне 800 таким образом, что критические токи ВТСП-лент в ВТСП-узлах 802А-С являются более равномерными.Of course, more than one internal cooling channel 805 may be provided in the side panel 801B, wherein the number and/or density of the cooling channels 805 and/or the cross-sectional area of the channels 805 are varied in order to change the temperature distribution in the central column 800 such that the critical currents of the HTS tapes in the HTS nodes 802A-C are more uniform.

Во время работы токамака тороидальное магнитное поле генерируется посредством циркуляции электрического тока по обмоткам дисковых катушек, содержащих ВТСП-узлы 802А-С (и дисковых катушек других соответствующих сегментов центральной колонны 800, которые не показаны на фигуре 8). Магнитное поле меняется радиально по центральной колонне 800, начиная от нуля на оси А-А' центральной колонны 800 и увеличиваясь приблизительно линейно по каждому из ВТСП-узлов 802А-С (т.е. слева направо на фигуре 8).During operation of the tokamak, a toroidal magnetic field is generated by circulating an electric current through the windings of the disk coils containing the HTS nodes 802A-C (and the disk coils of other corresponding segments of the central column 800, which are not shown in Figure 8). The magnetic field varies radially across the central column 800, starting from zero at the A-A' axis of the central column 800 and increasing approximately linearly across each of the HTS nodes 802A-C (i.e., from left to right in Figure 8).

Поскольку ВТСП-узлы 802А-С простираются в целом радиально внутрь (т.е. в направлении, имеющем по меньшей мере составляющую в направлении к оси центральной колонны 800) на различные величины, ВТСП-ленты ВТСП-узлов 802А-С испытывают воздействие разных напряженностей магнитного поля. Поскольку все ВТСП-ленты в этом примере расположены параллельно друг другу, угол магнитного поля на каждой из ВТСП-лент также меняется в зависимости от того, к какому ВТСП-узлу 802А-С принадлежит ВТСП-лента. Например, выставление магнитного поля относительно ВТСП-лент ВТСП-узла 802А, расположенного ближе к середине сегмента (т.е. внизу фигуры 8), более благоприятно для сверхпроводимости, чем выставление магнитного поля относительно ВТСП-лент ВТСП-узла 802С, ближайшего к боковой панели 801 В. Совокупный эффект различных напряженностей магнитного поля и выставлений означает, что критические температуры ВТСП-узлов 802А-С являются разными. Например, ВТСП-узел 802А, для которого выставление магнитного поля более благоприятно и для которого напряженность магнитного поля на ВТСП-узле 802А в целом ниже, может иметь критическую температуру около 40 К, в то время как другие два ВТСП-узла 802 В-С могут иметь более низкие критические температуры около 37К и 32К соответственно.Since the HTS nodes 802A-C extend generally radially inward (i.e., in a direction having at least a component in the direction toward the axis of the central column 800) by different amounts, the HTS tapes of the HTS nodes 802A-C are subject to different magnetic field strengths. Since all of the HTS tapes in this example are parallel to each other, the angle of the magnetic field on each of the HTS tapes also varies depending on which HTS node 802A-C the HTS tape belongs to. For example, the magnetic field alignment relative to the HTS tapes of the HTS node 802A located closer to the middle of the segment (i.e., at the bottom of Figure 8) is more favorable for superconductivity than the magnetic field alignment relative to the HTS tapes of the HTS node 802C closest to the side panel 801B. The combined effect of the different magnetic field strengths and alignments means that the critical temperatures of the HTS nodes 802A-C are different. For example, the HTS node 802A, for which the magnetic field alignment is more favorable and for which the magnetic field strength at the HTS node 802A is lower overall, may have a critical temperature of about 40 K, while the other two HTS nodes 802B-C may have lower critical temperatures of about 37 K and 32 K, respectively.

Фигура 9 показывает наложенные на сегмент центральной колонны 800 по фигуре 8 результаты моделирования транспорта N-частиц методом Монте-Карло (MCNP) и термического анализа методом конечных элементов (FEA) для распределения температуры в центральной колонне 800 после импульсной работы токамака в качестве термоядерного реактора, принимая во внимание активное охлаждение потоком сверхкритического гелия. Охлаждающий канал 805 исключен на фигуре 9 для ясности. Перед импульсом термоядерного синтеза каждый из ВТСП-узлов 802А-С охлаждается до примерно 20К. Во время 35 МВт-го импульса термоядерного синтеза в центральную колонну 800 переносится приблизительно 50 кВт тепла, вынуждая соответствующие температуры каждого из ВТСП-узлов 802А-С увеличиваться до примерно 35К (ВТСП-узел 802А), 33,5К (ВТСП-узел 802В) и 31К (ВТСП-узел 802С). Моделирование указывает на то, что ядерная тепловая нагрузка изменяется радиально по центральной колонне 800, при этом наивысшая ядерная тепловая нагрузка оказалась возникающей на радиально самых внешних краях ВТСП-узлов 802А-С и уменьшается примерно в два раза ближе к оси центральной колонны 800. Однако температура изменяется в противоположном направлении из-за местоположения охлаждающего канала 805, поскольку больше тепла поступает к этому каналу и отводится в гелиевый теплоноситель из ближайших к каналу компонентов.Figure 9 shows the results of a Monte Carlo N-particle transport (MCNP) simulation and a thermal finite element analysis (FEA) of the temperature distribution in the central column 800 after a pulsed operation of the tokamak as a fusion reactor, superimposed on the segment of the central column 800 of Figure 8, taking into account active cooling with a supercritical helium flow. The cooling channel 805 is excluded in Figure 9 for clarity. Before the fusion pulse, each of the HTS nodes 802A-C is cooled to approximately 20K. During the 35 MW fusion pulse, approximately 50 kW of heat is transferred into the central column 800, causing the respective temperatures of each of the HTS nodes 802A-C to increase to approximately 35K (HTS node 802A), 33.5K (HTS node 802B), and 31K (HTS node 802C). The simulations indicate that the nuclear heat load varies radially across the central column 800, with the highest nuclear heat load found to occur at the radially outermost edges of the HTS nodes 802A-C and decreasing approximately twofold closer to the axis of the central column 800. However, the temperature varies in the opposite direction due to the location of the cooling channel 805, since more heat is supplied to this channel and rejected into the helium coolant from the components closest to the channel.

Альтернативно или дополнительно, снаружи боковой панели 801В может быть предусмотрен "внешний" охлаждающий канал, который охватывает как пакет 802 обмоток (т.е. лицевые поверхности ВТСП-узлов 802А-С), так и лицевую поверхность боковой панели 801 В, так что одна из стенок охлаждающего канала образована радиально самыми внешними лицевыми поверхностями боковой панели 801В и ВТСП-узлов 802А-С совместно. Такая конфигурация позволяет охлаждать эти лицевые поверхности боковой панели 801В и ВТСП-узлов криогенной текучей средой, протекающей в охлаждающем канале. В одном примере охлаждающий канал может простираться непрерывно вокруг центральной колонны 800, образуя кольцевое пространство, которое окружает ВТСП-узлы 802А-С и боковые панели 801В каждого из сегментов. Тогда при эксплуатации сверхкритический гелий протекает по охлаждающему каналу, охлаждая боковую панель 801В и ВТСП-узлы 802А-С непосредственно, т.е. сверхкритический гелий (или другая криогенная текучая среда) может контактировать с соответствующими лицевыми поверхностями боковой панели 801 В и ВТСП-узлов 802А-С, чтобы охлаждать их. В частности, лицевая поверхность боковой панели 801В, которая контактирует со сверхкритическим гелием, может быть смежной с остальной частью боковой панели 801В, без границы раздела внутри боковой панели 801В между разными областями боковой панели 801В, чтобы гарантировать высокую теплопроводность.Alternatively or additionally, an "outer" cooling channel may be provided on the outside of the side panel 801B that encompasses both the winding stack 802 (i.e., the faces of the HTS units 802A-C) and the face of the side panel 801B, such that one of the walls of the cooling channel is formed radially by the outermost faces of the side panel 801B and the HTS units 802A-C together. Such a configuration allows these faces of the side panel 801B and the HTS units to be cooled by a cryogenic fluid flowing in the cooling channel. In one example, the cooling channel may extend continuously around the central column 800, forming an annular space that surrounds the HTS units 802A-C and the side panels 801B of each of the segments. Then, during operation, supercritical helium flows through the cooling channel, cooling the side panel 801B and the HTS units 802A-C directly, i.e. supercritical helium (or another cryogenic fluid) can contact the respective front surfaces of the side panel 801B and the HTS units 802A-C to cool them. In particular, the front surface of the side panel 801B that contacts the supercritical helium can be adjacent to the rest of the side panel 801B, without an interface within the side panel 801B between different regions of the side panel 801B, to ensure high thermal conductivity.

Хотя выше были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они представлены в качестве примера, а не ограничения. Специалистам в данной области(-ях) техники было бы очевидным, что могли бы вноситься различные изменения по форме и деталям без отступления от сущности и объема изобретения.Although various embodiments of the present invention have been described above, it should be understood that they are presented by way of example and not limitation. It will be obvious to those skilled in the art(s) that various changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims

1. A central column for the tokamak plasma chamber, containing:

a toroidal field coil comprising first and second high-temperature superconductor (HTSC) assemblies comprising a corresponding one or more HTSC tapes for conducting electric current parallel to the axis of the central column, each of the HTSC tapes comprising a HTSC material with an inherent critical current that depends on the magnetic field on the HTSC tape when the toroidal field coil is in operation;

a cooling mechanism configured to preferentially cool the first HTS unit relative to the second HTS unit in order to reduce or eliminate a difference in the critical current of the or each HTS tape of the first HTS unit relative to the critical current of the or each HTS tape of the second HTS unit; and

a supporting element with one or more channels, wherein the first and second HTS nodes are provided in said one or more channels of the supporting element.

2. The central column according to claim 1, wherein the critical current of each HTSC tape is inversely dependent on the magnetic field strength on the HTSC tape, so that the critical current decreases as the magnetic field strength increases, and the magnetic field strength on the first HTSC node is greater than the magnetic field strength on the second HTSC node.

3. The central column according to item 1 or 2, wherein each of the HTSC tapes has a plane related to it, determined taking into account the crystalline structure of the HTSC material of the HTSC tape, and the critical current of each HTSC tape depends on the field angle between the magnetic field on the HTSC tape and said plane of the HTSC tape, wherein the critical current decreases as the field angle increases, the HTSC nodes are arranged so that the field angle between the magnetic field and said plane of the said or each HTSC tape of the first HTSC node is greater than the field angle between the magnetic field and said plane of the said or each HTSC tape of the second HTSC node.

4. The central column according to item 3, wherein for each of the HTSC nodes the corresponding planes of the HTSC tapes of the HTSC node are parallel to each other.

5. The central column according to item 4, wherein the planes of the HTSC tapes in the first HTSC unit are parallel to the planes of the HTSC tapes in the second HTSC unit.

6. A central column according to any of the preceding claims, wherein the cooling mechanism comprises one or more cooling channels through which the cryogenic fluid is intended to flow.

7. The central column according to claim 6, wherein said or each cooling channel extends in a direction parallel to the axis of the central column.

8. The central column according to item 6 or 7, wherein the thermal impedance between said or each cooling channel and the first HTS node is less than the thermal impedance between said or each cooling channel and the second HTS node.

9. A central column according to any one of paragraphs 6-8, wherein the shortest distance between said or each cooling channel and the first HTS node is less than the shortest distance between said or each cooling channel and the second HTS node, wherein each of these distances is measured in a plane perpendicular to the axis.

10. A central column according to any of the preceding claims, wherein said or each channel extends in a direction parallel to the axis of the central column.

11. A central column according to any of the preceding claims, wherein at least part of the supporting element comprises a body section made of a heat-conducting material.

12. The central column according to item 11, wherein the heat-conducting material comprises copper.

13. The central column according to item 11 or 12, wherein the cooling mechanism is configured to cool the housing section through the front surface of the housing section in contact with the first HTSC unit and/or the second HTSC unit through one or more walls of the said or each channel of the supporting element in which the first and second HTSC units are provided, as a result of which the first HTSC unit and/or the second HTSC unit is cooled or are cooled by the housing section.

14. The central column according to any one of paragraphs. 11-13, wherein the cooling mechanism comprises a cooling channel in the housing section, wherein the housing section is in contact with the first HTS unit and/or the second HTS unit through one or more walls of the said or each channel of the supporting element in which the first and second HTS units are provided, as a result of which the first HTS unit and/or the second HTS unit is cooled or are cooled by the housing section.

15. The central column according to any one of paragraphs. 11-14, wherein at least a section of the second HTSC unit is located radially inward from the first HTSC unit, and this section is in thermal contact with the housing section, as a result of which heat is transferred from the said section of the second HTSC unit to the cooling mechanism through the housing section.

16. A central column according to any one of paragraphs 11-15, wherein the supporting element comprises another part located radially inward from the body section and having a higher mechanical strength than the body section.

17. A central column according to any one of claims 1-9, further comprising a winding stack comprising the first and second HTS nodes, and a supporting element extending along the side of the winding stack, wherein the cooling mechanism comprises a channel in the supporting element.

18. A central column according to any of the preceding claims, wherein the first and second HTS units each comprise a portion of respective flat coils containing nested windings of HTS tapes wound around an axis.

19. A tokamak plasma chamber comprising a central column according to any one of the preceding claims and comprising a plurality of toroidal field coils configured to provide a toroidal magnetic field within the plasma chamber when an electric current is passed through the windings of the toroidal field coils, each toroidal field coil comprising a corresponding first and second HTS node.

20. A method of operating a tokamak plasma chamber according to claim 19, comprising, for each of a plurality of toroidal field coils:

passing an electric current through the windings of a toroidal field coil; and

using a cooling mechanism to preferentially cool the first HTS unit relative to the second HTS unit to reduce or eliminate a difference in the critical current of the or each HTS tape of the first HTS unit relative to the critical current of the or each HTS tape of the second HTS unit.