JP2000227486A - 核融合装置の炉構造体 - Google Patents

核融合装置の炉構造体

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Abstract

(57)【要約】 【課題】構造が単純かつ高い信頼性を有し、製作時間が
短縮可能な核融合装置の炉構造体を提供すること。 【解決手段】複数のスプライス板を用いて複数の炉構造
体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体におい
て、パッシブシェル領域のスプライス板を、電気抵抗の
小さいパッシブシェル材と炉構造体と同種の構造材とか
らなるクラッド材で構成し、スプライス板の構造材と炉
構造体セクタの構造材とを溶接接続し、さらにパッシブ
シェル材を用いた溶接あるいは溶射によりスプライス板
と炉構造体セクタのパッシブシェル部間を肉盛りして電
気的に接続しているので、パッシブシェル材と構造材の
間の接触熱抵抗や電磁力支持に関する問題を解決するこ
とができ、また合せ加工等の作業が不要となるため製作
期間を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、核融合装置の真空
容器やブランケット支持構造体等のパッシブシェル領域
の炉構造体に関する。
【0002】
【従来の技術】核融合装置の真空容器やブランケット支
持構造体等の炉構造体は、大型のトーラス構造物である
ため、一般に、トロイダル方向に複数個分割されたセク
タの形で工場製作され、現地でセクタ間を溶接して組立
てられる。セクタ間の現地接続では、製作精度等を吸収
するため、現地接続部にはスプライス板が使用されるの
が普通であり、内・外壁二重壁構成の炉構造体の場合に
は、空間的な制約から外壁は炉構造体の内側から接近し
て外壁を接続しなければならないので、少なくとも内壁
にスプライス板の使用は避けられない。また、スプライ
ス板の現地合せのし易さや幾何形状の制限からスプライ
ス板はポロイダル方向に複数個分割されたものが使用さ
れる。
【0003】また、炉構造体の内部に生成されるプラズ
マの安定性を確保するためパッシブシェルが用いられ
る。これは、銅合金のような電気抵抗が小さい材料で作
られ、プラズマに最も近く、かつトロイダル方向に連続
した炉構造体に設置される。この場合、パッシブシェル
はトロイダル方向に連続していることが望ましい。
【0004】このような炉構造体のセクタ間接続部はポ
ロイダル方向に一周しているから、パッシブシェルをト
ロイダル方向に連続して構成するには、セクタ間接続部
でセクタに既設のパッシブシェル間をトロイダル方向に
電気的につなぐ必要がある。この場合、炉構造体には核
融合反応の結果生じる中性子による核発熱があり、かつ
プラズマ崩壊時には電磁力が作用するので、セクタ間接
続部のパッシブシェル構造はこれら熱負荷と電磁力荷重
に耐えるものでなければならない。核発熱は体積発熱で
あるからパッシブシェルを効率良く冷却するには冷却面
までの熱伝導距離を短くする必要がある。さらに、パッ
シブシェルは良導体であるから渦電流が流れやすく、一
般的には薄肉シェルであるので、パッシブシェルは強固
に支持する必要がある。
【0005】次に、真空容器にパッシブシェルを設置し
た従来構造例を図6及び図7を参照して説明する。図6
は内壁1と外壁2からなる二重壁トーラス状真空容器の
隣接する真空容器セクタのみを示した模式図である。な
お、真空容器内壁のほぼ全領域に亙ってその内面にブラ
ンケットが設置されているが、見易くするために図6で
はこれを省略してある。
【0006】図6において、真空容器セクタ3aと真空
容器セクタ3bは、セクタ間接続部でポロイダル方向に
一周接続されるが、セクタの製作誤差を吸収するためも
あって、このセクタ間接続には通常スプライス板が使用
されている。パッシブシェル5は真空容器アウトボード
側上部と下部に設置されており、それぞれトロイダル方
向に一周している。したがって、セクタ接続部4では隣
接セクタ間を溶接接続すると共に、隣接するセクタに設
けられたパッシブシェル5をトロイダル方向に電気的に
接続する必要がある。
【0007】図7は、図6のVII-VII 方向断面の内、真
空容器セクタ接続部領域の断面図(トロイダル断面図)
である。図7ではパッシブシェル5は内壁1に接合され
ているが、セクタ間接続部では、スプライス板9を用い
て真空容器セクタ3aと真空容器セクタ3bとを溶接接
続して溶接継手13を構成した後、接続銅板10をボル
ト11で固定することによって隣接セクタのパッシブシ
ェル間を電気的に接続している。また、内壁1と外壁
2、パッシブシェル5、接続銅板10及びボルト11
は、内壁1と外壁2とこれらを接続するポロイダルリブ
7で作られた冷却通路6に冷却水を流して冷却される。
また、ブランケット8は内壁1に設置されているが、通
常、真空容器とは別系統の冷却水で冷却される。
【0008】ところで、上記のような従来の構造体の真
空容器では次の如き問題がある。
【0009】(1)パッシブシェル5は必要以上に厚く
する必要はなく、銅板パッシブシェルの場合では、概略
5〜6mm程度が用いられている。したがって、接続銅
板10も同程度に薄く、その機械的剛性は小さいので、
プラズマ急速消滅時の接続銅板10に働く電磁力をボル
ト11で支持しようとする電磁力が小さい場合であって
もかなりの数のボルトが必要になる。
【0010】(2)接続銅板10はボルト11によって
固定されているため、接続銅板10と内壁1との間には
大きな接触熱抵抗がある。このため、接続銅板10の除
熱能力には限界があるので、図7に示すような従来の構
造体への適用は炉壁への熱負荷が小さい場合に限られ
る。
【0011】(3)ボルト11は熱の繰返し環境及びパ
ルス的に生じる電磁力下で使われるので、緩み易い。ま
た運転中における締結力の保持を含めたボルトの健全性
を調べることは非常に困難であるばかりか、保守・点検
に長時間要し、核融合装置の稼働率を低下することにな
る。
【0012】(4)ボルト締結構造にはタップ切り加工
が必要であるが、ボルトの本数が増えると、このタップ
切りに長時間要する。また、セクタ間内外壁を溶接接続
すると、溶接変形が生じるため、接続銅板10の合せ加
工工程が必要となる。このような工程が必要となるため
真空容器の製作には長時間を要する。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の核融合装置の炉構造体には、電磁力や熱応力対策が
十分でないことに起因する低構造信頼性の問題、保守点
検に多くの時間を要して核融合装置の稼働率が低下する
という問題、更には製作時間が長くなるという問題があ
った。
【0014】本発明は上記問題を解決するためになされ
たもので、その目的は、構造が単純かつ高い信頼性を有
し、しかも製作時間が短縮できる核融合装置の炉構造体
を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1は、複数のスプライス板を用いて
複数の炉構造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構
造体において、パッシブシェル領域のスプライス板を、
銅あるいは銅合金のような電気抵抗の小さいパッシブシ
ェル材と炉構造体の構造材と同種の構造材とからなるク
ラッド材で構成し、スプライス板の構造材と炉構造体セ
クタの構造材とを溶接接続し、さらにパッシブシェル材
を用いた溶接あるいは溶射によりスプライス板のパッシ
ブシェル部と炉構造体セクタのパッシブシェル部間を肉
盛りしてこれらパッシブシェル間を電気的に接続したこ
とを特徴とする。
【0016】請求項1によると、パッシブシェル材を用
いた肉盛りの手段で隣接炉構造体セクタのパッシブシェ
ル部間を電気的に接続したので、パッシブシェル材と構
造材の間の接触熱抵抗や電磁力支持に関する問題を解決
することができるばかりでなく、肉盛りには合せ加工や
タップ切りなどの作業が不要となるため製作期間をかな
り低減することができる。
【0017】本発明の請求項2は、請求項1記載の核融
合装置の炉構造体において、スプライス板の構造材と炉
構造体セクタの構造材を溶接接続し、この最終溶接パス
の表面とその近傍、あるいはこの表面領域とパッシブシ
ェル材表面の一部に亙ってニッケルを肉盛り溶接し、さ
らにパッシブシェル材を肉盛り溶接してなることを特徴
とする。
【0018】請求項2によれば、ニッケルがバリアとな
って、パッシブシェル材の肉盛り溶接時にパッシブシェ
ル材が構造材に溶け込んで生じる溶接割れを防止し、し
たがって、このセクタ接続部に関して高い構造健全性を
得ることができる。
【0019】本発明の請求項3は、請求項1記載の核融
合装置の炉構造体において、パッシブシェル材を用いた
肉盛り溶接は、パッシブシェル材の粉末を用いた粉末プ
ラズマ溶接であることを特徴とする。請求項3によれ
ば、通常のティグ(TIG)やマグ(MAG)溶接に比
べ溶接の簡易化、施工時間の短縮を図ることができる。
【0020】本発明の請求項4は、請求項1記載の核融
合装置の炉構造体において、パッシブシェル領域に複数
のスプライス板が設置されると共に、このスプライス板
のポロイダル端面側の隣接スプライス板パッシブシェル
間はパッシブシェル材を肉盛りしないことを特徴とす
る。
【0021】請求項4によれば、隣接スプライス板のパ
ッシブシェル間のポロイダルギャップは小さいので、隣
接スプライス板でポロイダル方向にパッシブシェルを電
気的に接続しなくてもパッシブシェルの機能が損なわれ
ることはない。したがって、炉構造体の大幅な製作期間
の短縮が図れる。
【0022】本発明の請求項5は、複数のスプライス板
を用いて複数の炉構造体セクタを接続してなる核融合装
置の炉構造体において、パッシブシェル材と構造材とか
らなるクラッド材で構成するパッシブシェル領域におけ
るパッシブシェル材端面を所定の平面傾斜、あるいは凹
面傾斜とすることを特徴とする。
【0023】一般的に、炉構造体には大きな核発熱があ
り、熱伝導体に沿って大きな温度勾配が生じる。例えば
銅合金のようなパッシブシェル材と例えばオーステナイ
トステンレス鋼のような構造材では熱膨張係数が異な
る。このため、炉構造体の運転時にはパッシブシェル端
面には大きな熱応力が集中する懸念がある。請求項5に
よれば、この熱応力の集中を緩和し、当該部の構造健全
性を高めることができる。
【0024】本発明の請求項6は、請求項5記載の核融
合装置の炉構造体において、パッシブシェル領域の構造
溶接部位におけるパッシブシェル材端面の位置を構造材
の溶接開先面から所定の距離だけ離して設定したことを
特徴とする。請求項6によれば、構造材溶接時のパッシ
ブシェル材の巻込みによる溶接割れや溶接熱によるパッ
シブシェル材の剥離の問題を解決することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図1は本発明の第1実施例(請求項
1対応)である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部
のパッシブシェル領域を示したトロイダル断面図であ
る。
【0026】図に示すように、本実施例ではパッシブシ
ェル5は内壁1に接合されており、また真空容器セクタ
3aと真空容器セクタ3b間の接続部は、スプライス板
9の構造材と内壁1の構造材を溶接して溶接継手13を
構成した後、スプライス板9のパッシブシェル部と真空
容器のパッシブシェル部間に銅あるいは銅合金のような
電気抵抗の小さいパッシブシェル材を肉盛りしてパッシ
ブシェル材肉盛り部14とし、これらパッシブシェルを
電気的に接続している。また、内壁1と外壁2とこれら
を接続するポロイダルリブ7で作られた冷却通路6には
冷却水を流して冷却される。ブランケット8は内壁1に
設置されている。
【0027】本実施例によれば、肉盛りで隣接セクタ間
のパッシブシェル間を電気的に接続するため、セクタ接
続部のパッシブシェル部の除熱特性と電磁力に対する強
度を向上させることができるばかりでなく、肉盛りは極
めて簡単な作業であるため真空容器の製作期間をかなり
短縮することができる。
【0028】図2は、本発明の第2実施例(請求項2及
び請求項3対応)である核融合装置の真空容器のセクタ
間接続部のトロイダル断面図であり、図1の“A”部に
相当した拡大図である。なお、図1の第1実施例と同一
部分には同一符号を付して重複説明は省略しており、以
下の各実施例においても同様である。
【0029】図において、本実施例では、構造材相互を
溶接した後、セクタ間構造材溶接継手13の最終溶接パ
ス表面と、パッシブシェルが除去されているセクタ間構
造材溶接継手13表面と、パッシブシェルの傾斜端面の
一部にニッケルを肉盛り溶接してニッケル肉盛り部15
を構成する。しかる後にパッシブシェル材を粉末プラズ
マ溶接してパッシブシェル材肉盛り部14を構成して隣
接セクタのパッシブシェル間を電気的に接続する。ま
た、パッシブシェルの端部は傾斜端面16とする。
【0030】本実施例によれば、先ずニッケルを肉盛り
することによって、パッシブシェル材の肉盛り溶接時に
パッシブシェル材が構造材に溶け込んで生じる溶接割れ
を防止できる。したがって、このセクタ接続部に関して
高い構造健全性を得ることができる。次に、パッシブシ
ェルの粉末を用いた粉末プラズマ溶接することによって
パッシブシェルの肉盛り作業を容易にし、真空容器の製
作期間を短縮することができる。更に、パッシブシェル
の肉盛り側端部に傾斜を付けることにより肉盛りの一連
の作業を容易にすることができる。
【0031】図3は、本発明の第3実施例(請求項4対
応)である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部のパ
ッシブシェル領域にある隣接スプライス板のポロイダル
断面図である。
【0032】図に示すように、本実施例では、スプライ
ス板の溶接において狭開先溶接法を適用して開先開口部
が小さいスプライス板溶接継手18を構成しており、隣
接するスプライス板17a,17bのパッシブシェル
5,5間にはパッシブシェル材を肉盛りしない構造とし
ている。
【0033】本実施例によれば、パッシブシェル領域に
ある複数のスプライス板17a,17bのパッシブシェ
ル5,5間の実効ポロイダルギャップ20を小さくし
て、当該部分のパッシブシェル材の肉盛りを省いている
ので、真空容器の製作期間を短縮することができる。
【0034】図4は、本発明の第4実施例(請求項5対
応)である核融合装置の真空容器のパッシブシェルのポ
ロイダル端部を示すポロイダル断面図である。図に示す
ように、本実施例では、パッシブシェル5のポロイダル
端面を凹状端面21に形成している。すなわち、図では
パッシブシェル材端面を凹面傾斜としているが所定の平
面傾斜とすることも可能である。なお、ブランケットは
図示していない。
【0035】本実施例によれば、パッシブシェル材と構
造材の熱膨張係数の相違によって発生するパッシブシェ
ル端面の構造体との接合界面の熱応力集中を低減し、高
信頼のパッシブシェル付き真空容器を得ることができ
る。
【0036】図5は、本発明の第5実施例(請求項6対
応)である核融合装置の真空容器のスプライス板の斜視
図である。図において、本実施例では、パッシブシェル
5領域の構造溶接部位において、パッシブシェル材端面
の位置を構造材の溶接開先面22から所定の距離23だ
け離した位置に設定している。さらに、パッシブシェル
端面には傾斜角24を付けている。本発明によれば、構
造材溶接時のパッシブシェル材の巻込みによる溶接割れ
の問題や溶接熱によるパッシブシェル材の剥離の問題を
解決することができる。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、本発明(請求項1
乃至請求項6対応)によれば、電磁力や熱応力対策が十
分でないことに起因する低構造信頼性の問題や製作時間
が長くなるという問題が解決できるので、構造が単純か
つ高信頼で、しかも製作時間が短縮できる核融合装置の
炉構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例である核融合装置の真空容
器のセクタ間接続部のパッシブシェル領域のトロイダル
断面図。
【図2】本発明の第2実施例である核融合装置の真空容
器のセクタ間接続部のトロイダル断面図であり、図1の
“A”部に相当した部分の拡大図。
【図3】本発明の第3実施例である核融合装置の真空容
器のパッシブシェル領域にある隣接スプライス板のポロ
イダル断面図。
【図4】本発明の第4実施例である核融合装置の真空容
器のパッシブシェルのポロイダル端面を示す断面図。
【図5】本発明の第5実施例である核融合装置の真空容
器のスプライス板の斜視図。
【図6】従来の二重壁トーラス状真空容器の隣接2セク
タの斜視図。
【図7】図6のVII-VII 方向の断面図。
【符号の説明】
1…内壁、2…外壁、3a,3b…真空容器セクタ、4
…セクタ間接続部、5…パッシブシェル、6…冷却流
路、7…ポロイダルリブ、8…ブランケット、9…スプ
ライス板、10…接続銅板、11…ボルト、12…トロ
イダル方向を示す矢印、13…セクタ間構造材溶接継
手、14…パッシブシェル材肉盛り部、15…ニッケル
肉盛り部、16…傾斜端面、17a,17b…パッシブ
シェル付き隣接スプライス板、18…スプライス板間溶
接継手、19…ポロイダル方向を示す矢印、20…パッ
シブシェル間実効ポロイダルギャップ、21…凹状端
面、22…構造材の溶接開先面、23…構造材溶接開先
面とパッシブシェル端面までの距離、24…パッシブシ
ェルの傾斜端面の傾斜角。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のスプライス板を用いて複数の炉構
    造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体におい
    て、パッシブシェル領域のスプライス板を、銅あるいは
    銅合金のような電気抵抗の小さいパッシブシェル材と炉
    構造体の構造材と同種の構造材とからなるクラッド材で
    構成し、スプライス板の構造材と炉構造体セクタの構造
    材とを溶接接続し、さらにパッシブシェル材を用いた溶
    接あるいは溶射によりスプライス板のパッシブシェル部
    と炉構造体セクタのパッシブシェル部間を肉盛りしてこ
    れらパッシブシェル間を電気的に接続したことを特徴と
    する核融合装置の炉構造体。
  2. 【請求項2】 スプライス板の構造材と炉構造体セクタ
    の構造材を溶接接続し、この最終溶接パスの表面とその
    近傍、あるいはこの表面領域とパッシブシェル材表面の
    一部に亙ってニッケルを肉盛り溶接し、さらにパッシブ
    シェル材を肉盛り溶接してなることを特徴とする請求項
    1記載の核融合装置の炉構造体。
  3. 【請求項3】 パッシブシェル材を用いた肉盛り溶接
    は、パッシブシェル材の粉末を用いた粉末プラズマ溶接
    であることを特徴とする請求項1記載の核融合装置の炉
    構造体。
  4. 【請求項4】 パッシブシェル領域に複数のスプライス
    板が設置されると共に、このスプライス板のポロイダル
    端面側の隣接スプライス板パッシブシェル間はパッシブ
    シェル材を肉盛りしないことを特徴とする請求項1記載
    の核融合装置の炉構造体。
  5. 【請求項5】 複数のスプライス板を用いて複数の炉構
    造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体におい
    て、パッシブシェル材と構造材とからなるクラッド材で
    構成するパッシブシェル領域におけるパッシブシェル材
    端面を所定の平面傾斜、あるいは凹面傾斜とすることを
    特徴とする核融合装置の炉構造体。
  6. 【請求項6】 パッシブシェル領域の構造溶接部位にお
    いて、パッシブシェル材端面の位置を構造材の溶接開先
    面から所定の距離だけ離して設定したことを特徴とする
    請求項5記載の核融合装置の炉構造体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2687289C1 (ru) * 2017-11-23 2019-05-13 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора

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