JP2013079819A - 液体金属ターゲット形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】陽子ビームの照射面積を増大すること。
【解決手段】ノズル１０から噴射された液体リチウムの噴流は、ノズル１０の形状に従って膜状に噴射され、液体リチウムターゲットを形成する。この液体リチウムターゲットの表面は、ノズル１０の長辺１１が波形状になっていることから、当該波形状に応じたトタン板状の波面が形成される。液体リチウムの噴流の速度は最大で２０ｍ／ｓであるため、ノズル１０の長辺部分の波形状がそのまま定在波の自由液面として形成される。この定在波が形成され自由液面は、平滑な自由液面に比べて表面積が大きくなるので、陽子ビームを受け止める領域が増えて中性子の発生効率が高くなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体リチウム等の液体金属の流れにより液体金属ターゲットを形成する液体金属ターゲット形成装置に関するものである。

図１３は、従来の液体金属ループの一例を示す構成図である。図１４は、図１３に示した液体金属ループのノズルの吐出口を示す説明図である。この液体金属ループ５００は、陽子ビームを照射して中性子を得るためのターゲット５０１と、ターゲット５０１の下流に配置されたクエンチタンク５０２と、クエンチタンク５０２に接続された電磁ポンプからなる循環ポンプ５０３と、前記循環ポンプ５０３の下流に配置された熱交換器５０４とを有する。前記ターゲット５０１は、ＳＵＳ３０４製の湾曲したバックウォール５０５に液体リチウムを遠心力で押しつけ、当該バックウォール５０５上に液体リチウム膜流を形成するものである。前記ターゲット５０１は、液体リチウムを噴出するノズルを備える。図１４に示すように、このノズルの吐出口５０６の形状は、長辺５０７及び短辺５０８からなる短冊形状となる。長辺５０７の上部がターゲットの自由液面を形成することになり、この長辺５０７は平滑な自由液面を形成するため所定の表面粗さに機械加工される。

バックウォール５０５の径は２５０ｍｍ程度、液体リチウムの流速は最大で２０ｍ／ｓであり、遠心力による圧力で当該液体リチウムの沸騰が抑制される。液体リチウムの膜厚は２５ｍｍ程度、幅は２６０ｍｍ程度である。バックウォール５０５上に流れる液体リチウムに対して加速器から陽子を衝突させることで、液体リチウムの背後に中性子が発生する。中性子は、バックウォール５０５を透過してその背後に照射される。

バックウォール５０５に液体リチウムを流す際には、自由液面の波を一定の値以下に抑制するように工夫がなされる。特許文献２では、実験装置として略水平に設置したバックウォールの上を異なる速度で水を噴射し、その自由表面波の状態を観察している。ノズルの吐出口の形状は幅７０ｍｍ、高さ１０ｍｍの矩形である。自由表面波は、ＣＣＤカメラによりストロボスコープで撮影している。その結果、流速３．０ｍ／ｓでは波が発生せず、５．０ｍ／ｓ以上で細かい波が発生し、９．０ｍ／ｓ以上になると不規則な波が自由表面全体に現れることが確認されている。そして、流路中心での測定結果を見ると、波の高さが高速流においても１ｍｍ以内に収まる結果を得ている。

特開２００２−６４０００号公報 ＩＦＭＩＦ液体金属リチウムターゲット流に関する実験研究 堀池、近藤、金村他 J.Plasma Fusion Res. Vol.84, No.9 (2008) 600-605

ターゲット上の陽子ビームの照射面積を大きくすることができれば、中性子の発生効率が向上する。ところが、上記特許文献１に記載のように、湾曲したバックウォール５０５上に高速で液体リチウムを流すことで液体リチウムの膜流を形成する方法の場合、遠心力により、矩形のノズルから噴射した液体リチウムの自由液面が平滑になるように作用する。また、バックウォール上に液体リチウムを流すことを想定した特許文献２の実験においても、高速のリチウム流の自由表面に生じる波は１ｍｍ以下に抑えられることが確認されている。いずれの場合でも、ターゲットにおいて陽子ビームの照射面積を増加させることは困難である。この発明はかかる問題点を解決するためになされたものである。

第１の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口のうち前記液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域を形成する部分が凹凸形状であることを特徴とする。

この発明では、液体金属が前記ノズルを通じて陽子ビームの照射空間に噴出されて液体金属ターゲットが形成するので、遠心力による影響がなく、液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域に安定して凹凸形状を形成できる。これにより、陽子ビームを受け止める領域の面積が大きくなり、中性子の発生効率が向上する。なお、前記凹凸形状には、波形、櫛形、歯形等が含まれる。

第２の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、上記発明において、更に、前記ノズルの吐出口の凹凸形状の高低差は、吐出口が直線で形成されたノズルにより形成する液体金属ターゲットの自由液面に生じる微小の波の波高より大きいことを特徴とする。

即ち、この液体金属ターゲット形成装置は、液体金属ターゲットの陽子ビーム照射面に積極的に凹凸形状を形成するものであり、直線で構成した吐出口から噴出される液体金属ターゲットの自由液面の微小の波より大きくすることで、その表面積が増大し、中性子の発生効率をより高めることができる。

第３の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、上記発明において、更に、前記ノズルの吐出口の凹凸形状に基づく中心線平均粗さＲａが１２．５ａ以上であることを特徴とする。

通常のノズルの吐出口は、平滑面を形成するため、表面を機械加工により６．３ａ以下の表面粗さとする。この発明では、前記通常とは逆に表面粗さを大きくすることで液体金属ターゲットの自由液面に凹凸形状を形成する。これにより、陽子ビームを受け止める領域が増大し、中性子の発生効率をより高めることができる。

第４の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、上記発明において、更に、前記吐出口の凹凸形状は、液体金属を噴出することで形成する液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域に定在波又は航跡波を生じさせる凹凸形状であることを特徴とする。なお、本発明において「定在波」とは、波の形状が一定に形成されるものをいう。

即ち、前記凹凸形状は液体金属ターゲットの表面に定在波又は航跡波を生じさせるものであり、自然発生する不規則な波とは異なる。この定在波又は航跡波により液体金属ターゲットの表面積が増大して中性子発生効率を向上させる。

第５の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、上記発明において、前記凹凸形状は、波形、櫛形又は鋸歯形であることを特徴とする。

第６の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口のうち前記液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域を形成する部分を曲線形または斜線形で構成したことを特徴とする。

第７の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口には複数の穴が連続的に且つ陽子ビーム進行方向に複数段に設けられ、各段の穴は陽子ビーム進行方向で重なり合っていることを特徴とする。

前記吐出口の複数の穴から液体金属を噴射すると全体的に膜状で自由液面が凹凸形状となる液体金属ターゲットが形成される。上下方向で各段の穴が重なるように配置されているので、各穴から噴射された液体金属は上下方向で隙間が生じない。これにより、液体金属ターゲットの表面積が増大し、中性子の発生効率をより高めることができる。

第８の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルの吐出口が平行流路を形成することを特徴とする。

平行流路内で境界層が発達することで液体金属を吐出口から噴射するとき自由液面に乱れが生じ、凹凸形状が不規則に現れる。これにより、自由液面の表面積が増大し、中性子の発生効率が向上する。

第９の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの内部に連通するガス供給口を設けたことを特徴とする。

ガス供給口から例えばアルゴンガスを導入すると、二流体乱れ及び真空中への急速脱気により、自由液面が大きく乱れて不規則な凹凸形状が形成される。これにより、自由液面の表面積が増大し、中性子の発生効率が向上する。

第１０の発明に係る液体金属ターゲット形成装置は、陽子ビームを照射する空間に液体金属を膜状に噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口の長辺部分のエッジ部に上向き面を設けたことを特徴とする。

前記吐出口の曲面部に沿って液体リチウムが持ち上げられるので、自由液面が不安定になり、乱れる。これにより液体金属ターゲットの自由液面の表面積が大きくなり、中性子の発生効率が向上する。

この発明の実施の形態１にかかる液体金属ループを示す構成図である。 この液体金属ターゲット形成装置のノズルを示す説明図である。 このノズルにより形成した液体リチウムターゲットに対する陽子ビームの照射状態を示す模式図である。 液体金属ターゲット形成装置のノズル形状の別の例を示す説明図である。 液体金属ターゲット形成装置のノズル形状の別の例を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係るノズルを示す説明図である。 ノズルの吐出口の一部拡大図である。 この発明の実施の形態３に係るノズルを示す説明図である。 図８に示したノズルにより形成したターゲットを示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係るノズルを示す断面図である。 この発明の実施の形態５に係るノズルを示す断面図である。 この発明の実施の形態６に係るノズルを示す説明図である。 従来の液体金属ループを示す構成図である。 従来の液体金属ループのノズルの吐出口を示す説明図である。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る液体金属ループのターゲット形成装置を示す模式図である。図２は、この液体金属ターゲット形成装置のノズルを示す説明図である。液体金属ループ１００は、液体リチウムの噴流からなるターゲットを形成するターゲット形成装置１と、ターゲット形成装置１に接続されたクエンチタンク２と、クエンチタンク２に接続したポンプ３と、ポンプ３に接続した熱交換器４とを備えている。なお、液体金属ループ１００に接続される機器はこれらに限定されない。また、ターゲット形成装置１の正面には、液体リチウムターゲットＴに対して陽子ビームを照射する加速器５が配置されている。

このターゲット形成装置１は、陽子ビームが照射される領域Ｓを横切るように液体リチウムを膜状に噴射するノズル６と、噴射された液体リチウムを受けるディフューザからなる受け部７とから構成される。ノズル６は、ノズル先端に短冊形状の吐出口１０が形成され、この吐出口１０から高圧で噴射された液体リチウムは、膜状の噴流となる。噴流となった液体リチウムは受け部７により緩衝される。

図２に示すように、ノズル６の吐出口１０の形状は、短冊形状であって長辺１１の一方側辺１１ａが波形の凹凸形状となる。なお、ノズル６は、吐出口１０の形状が同図に示す形状になれば、単板を抜いた構成でも、複数の部材から構成しても良い。ノズル６の吐出口１０の形状・寸法は、陽子ビームのエネルギー量及び液体リチウムの熱容量等により決定する。液体リチウムターゲットＴに陽子ビームが照射されるとそのエネルギーにより液体リチウムが加熱される。このため、液体リチウムが沸騰しないように、液体リチウムの陽子ビームが照射される面積における熱容量に基づき、液体リチウムの流量が制御される。なお、前記凹凸形状は、少なくとも陽子ビームを受け止める領域を形成する面に形成すれば、その他は直線形状としても良い。

例えば、前記ノズル６の吐出口１０の形状は、長辺１１が７０ｍｍ、短辺１２が２〜５ｍｍ、波の高さが１〜２ｍｍ、波長が数ｍｍの凹凸形状である。当該ノズル６の凹凸形状は、少なくともノズル６の長辺１１が通常の直線とする場合の表面粗さより大きいものとなる。即ち、当該ノズル６の凹凸形状は、研磨等の機械加工により表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）を６．３ａ〜０．１３ａに平滑化するのとは逆に、その表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）を１２．５ａ以上、好ましくは５０ａ以上として積極的に凹凸を形成するものである。

別の観点では、この波形は積極的に液体リチウムの自由液面に定在波又は航跡波を形成するものであり、消極的に波が発生するときの当該波とは異なるものである。特許文献２に記載のように自由液面には流速に応じて微小な波が発生するところ、本発明のノズル６により大きな波を形成した場合、その波の表面に更に微小な波が形成されるものとなる。

別の観点では、低い流速においても液体リチウムの自由液面に定在波を形成するものである。上記特許文献２に記載のように、液体リチウムの流れが低速の場合、平滑な自由液面となるため、ノズル形状自体に波形を設け、低速域においても自由表面に凹凸を形成可能とする。また、１ｍｍ程度の細かい定在波を低速域においても形成できる。

図３は、このノズルにより形成した液体リチウムターゲットに対する陽子ビームの照射状態を示す模式図である。ノズル６から噴射された液体リチウムの噴流は、ノズル６の形状に従って膜状に噴射され、液体リチウムターゲットＴを形成する。この液体リチウムターゲットＴの表面（陽子ビームを受け止める領域Ｓ）は、ノズル６の長辺１１が波形状になっていることから、当該波形状に応じたトタン板状の定在波面が形成される。定在波の山Ｔｍ又は谷Ｔｖの方向は前記噴射方向となる。液体リチウム噴流の速度は、最大で２０ｍ／ｓである。このため、ノズル６の長辺部分の波形状がそのまま自由液面の定在波として形成される。

定在波の自由液面は、平滑な自由液面に比べてその表面積が大きくなる。この自由液面に陽子ビームＰが照射されると、陽子がリチウムに衝突して中性子が発生する。陽子ビームＰがリチウムを通過するとエネルギーが低下し、当該エネルギーが核反応の閾値を下回ると中性子が発生し難くなる。このため、中性子の発生は主に液体リチウムターゲット表面付近で起こることになる。この発明では、自由液面に定在波を発生させて陽子ビームＰを受け止める領域の表面積を増やすことで中性子の発生効率を高めることができる。

また、液体リチウムターゲットＴの断面積と流量により熱容量が定まる。液体リチウムは融点が約１８０℃であるため、液体リチウムが蒸発し難いように液体リチウムターゲットＴの厚さと速度を定める必要がある。特に、波形状の波頭付近は熱容量が小さく沸騰しやすいので、当該波頭付近における蒸発を防止できるように流速を制御するのが好ましい。

このように、液体リチウムターゲットＴの自由液面に定在波を形成して積極的に表面積を増やすことで、中性子の発生効率を飛躍的に高めることができる。

図４は、上記液体金属ターゲット形成装置のノズル形状の別の例を示す説明図である。このノズル２０は、吐出口２１の全体形状が波形状となる。このような吐出口１０の形状を有するノズル２０であっても、前記同様に陽子ビームを受け止める領域の面積が増加するので、中性子の発生効率が向上する。このノズル２０の場合、図２に示したノズル形状に比べて熱容量が小さくなるので、流速を高くして熱容量を確保するのが好ましい。このノズル２０の波形の凹凸形状も上記図２と同様の寸法或いは加工精度に相当するものである。

図５は、上記液体金属ターゲット形成装置のノズル形状の別の例を示す説明図である。このように、ノズル３０の吐出口３１の長辺３２の凹凸形状を鋸歯状に形成しても良い。係る形状によっても、液体リチウムターゲットＴの自由液面を定在波による凹凸形状に形成できる。このノズル３０の波形の凹凸形状も上記図２と同様の寸法或いは加工精度に相当するものである。前記鋸歯状の他、突起を櫛状に形成しても同様の効果がある。

（実施の形態２）
図６は、この発明の実施の形態２に係るノズルを示す説明図である。図７は、ノズルの吐出口の一部拡大図である。このノズル４０の吐出口４１は複数の円形の小穴４２をノズル４０の長辺方向及び短辺方向に連設したことを特徴とする。例えば、小穴４２が長手方向に３列形成され、隣接する列とずらして設けられる。同図において、上段の小穴４２と中段の小穴４２とは、陽子ビームの進行方向Ｐｄで重複するように配置される（図中重複領域Ｓｄ）。中段の小穴と下段の小穴４２とについても同様である。これは、陽子ビームが液体リチウムターゲットを突き抜けないようにするためである。なお、下段の小穴４２の列は省略しても良い。

前記小穴４２の径は、２ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましい。なお、上段の小穴４２と中段の小穴４２の陽子ビームの進行方向での間隔は、陽子ビームを多少斜めに照射した場合でも陽子が突き抜けないような間隔とするのが好ましい。

このノズル４０の吐出口４１の形状によれば、小穴４２により陽子ビームの受け止め領域に近似的に凹凸形状が形成され、その自由液面の凹凸形状がくっきりと現れるので、陽子ビームの受け止め領域の表面積が飛躍的に増加する。このため、中性子の発生効率が増加する。

（実施の形態３）
図８は、この発明の実施の形態３に係るノズルを示す説明図であって、（ａ）は断面図（ｂ）は斜視図である。図９は、図８に示したノズルにより形成したターゲットを示す説明図である。このノズル５０は、ノズル５０の吐出口５１が平行流路となっている点に特徴がある。このノズル５０では、平行流路内において境界層を発達させることで吐出口５１から噴出した際の液体リチウムターゲットＴの自由液面に凹凸形状を形成する。この凹凸形状は、液体リチウムターゲットＴの自由表面に不規則に現れる。このため、平滑な自由液面に比べて陽子ビームを受け止め領域の表面積が増えるので、中性子の発生効率が高くなる。

また、ノズルを形成する部材の内側上面に流れを乱す突起を設けても良い。このようにすれば、平行流路の内部の突起により生じた乱流が吐出口から噴出した際の自由液面に凹凸を形成する。この場合も、前記凹凸形状が液体リチウムターゲットＴの自由表面に不規則に現れるので、陽子ビームを受け止め領域の表面積が増えて、中性子の発生効率が高まる。また、陽子ビームを受け止め領域に凹凸形状を形成できる場合、内側下面に複数の突起を設けても良い。

（実施の形態４）
図１０は、この発明の実施の形態４に係るノズルを示す断面図である。このノズル６０では、アルゴンガスの供給口６１をノズル６０の絞りの上流に設けた点に特徴がある。供給口６１から液体リチウムの流れの中にアルゴンガスを導入すると、擬似分離流が構成されて吐出後の二流体乱れ及び真空中への急速脱気により、自由液面が大きく乱れて不規則な凹凸形状が構成される。なお、アルゴンガスは、図示しない真空排気ユニットにより吸引される。このようにすれば、平滑な自由液面に比べてその表面積が大きくなるので、中性子の発生効率が高くなる。

（実施の形態５）
図１１は、この発明の実施の形態５に係るノズルを示す断面図である。このノズル７０では、ノズル７０の吐出口７１の長辺部分のエッジ部に滑らかな上向きの曲面部７２を付ける。この場合、吐出口７１の曲面部７２に沿って液体リチウムが持ち上げられるので、自由液面が不安定になり、乱れる。このようにすれば、平滑な自由液面に比べてその表面積が大きくなるので、中性子の発生効率が高くなる。

（実施の形態６）
図１２は、この発明の実施の形態６に係るノズルを示す説明図である。図１２（ａ）に示すように、ノズル７０の吐出口７１の長辺部分７２を全体的に曲線形としても良い。また、図１２（ｂ）に示すように、ノズル７５の吐出口７６の長辺部分７７がＶ字の斜線形としても良い。いずれの場合でも、陽子ビームの照射方向に対して自由液面が斜めに形成されることになるので、陽子ビームを受け止める領域の表面積が増え、中性子の発生効率が高くなる。

１００ 液体金属ループ
６ ノズル
１０ 吐出口

Claims (10)

1. 陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口のうち前記液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域を形成する部分が凹凸形状であることを特徴とする液体金属ターゲット形成装置。
2. 更に、前記ノズルの吐出口の凹凸形状の高低差は、吐出口が直線で形成されたノズルにより形成する液体金属ターゲットの自由液面に生じる微小の波の波高より大きいことを特徴とする請求項１に記載の液体金属ターゲット形成装置。
3. 更に、前記ノズルの吐出口の凹凸形状に基づく中心線平均表面粗さが１２．５ａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体金属ターゲット形成装置。
4. 更に、前記吐出口の凹凸形状は、液体金属を噴出することで形成する液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域に定在波又は航跡波を生じさせる凹凸形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体金属ターゲット形成装置。
5. 前記凹凸形状は、波形、櫛形又は鋸歯形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の液体金属ターゲット形成装置。
6. 陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口のうち前記液体金属ターゲットの陽子ビームを受け止める領域を形成する部分を曲線形または斜線形で構成したことを特徴とする液体金属ターゲット形成装置。
7. 陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口には複数の穴が連続的に且つ陽子ビーム進行方向に複数段に設けられ、各段の穴は陽子ビーム進行方向で重なり合っていることを特徴とする液体金属ターゲット形成装置。
8. 陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルの吐出口が平行流路を形成することを特徴とする液体金属ターゲット形成装置。
9. 陽子ビームを照射する空間に液体金属を噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの内部に連通するガス供給口を設けたことを特徴とする液体金属ターゲット形成装置。
10. 陽子ビームを照射する空間に液体金属を膜状に噴出することで当該空間に液体金属ターゲットを形成するノズルを有し、このノズルの吐出口の長辺部分のエッジ部に上向き面を設けたことを特徴とする液体金属ターゲット形成装置。
    

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