JP2017203630A

JP2017203630A - 高熱負荷受熱要素およびダイバータ装置

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Publication number: JP2017203630A
Application number: JP2016093727A
Authority: JP
Inventors: 保之伊藤; Yasuyuki Ito; 和仁浅野; Kazuhito Asano; 敦郎早川; Atsuro Hayakawa; 文寿鹿野; Fumihisa Kano; 滝脇　賢也; Kenya Takiwaki; 賢也滝脇
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-16

Abstract

【課題】冷却配管の伝熱面の頂部への熱流束を低減させる。【解決手段】実施形態によれば、高熱負荷受熱要素１００は、熱源からの熱負荷を受熱しかつ受熱した熱負荷を排出する。高熱負荷受熱要素１００は、受熱面１１１に熱負荷を受け受熱面１１１にほぼ平行な軸方向に貫通孔１１０ａが形成されているモノブロック１１０と、モノブロック１１０の貫通孔１１０ａを貫通し、内部を冷却材１５が通過することにより熱負荷を排出する冷却配管１２と、熱障壁層１１５とを有する。熱障壁層１１５は、冷却配管１２の内面と受熱面１１１との間にあって断面が冷却配管１２の内面の一部であって伝熱面頂部１２ａを含めた範囲を囲むような円弧状であり軸方向にモノブロック１１０を貫通するように設けられ、モノブロック１１０の材料や冷却配管１２の材料よりも熱伝導率の小さな材料を有する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、高熱負荷受熱要素およびこれを用いたダイバータ装置に関する。

核融合炉ではプラズマから磁力線に沿って流出する粒子や熱を排出するためのダイバータ装置が設置される。ダイバータ装置の受熱部は、プラズマを直視し、プラズマから漏れ出た荷電粒子以外に、放射熱や高エネルギーの中性粒子などで加熱される。特にダイバータ板と磁力線とが鎖交する部分では、磁力線に沿って荷電粒子が流入するため非常に高い熱流束を受け、例えば１０ＭＷ／ｍ^２のレベルにも達する。このため、ダイバータ装置の表面には、高熱負荷受熱要素を隈なく配列させている。

図１１は、従来の高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。高熱負荷受熱要素１０は、炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃコンポジット）やタングステンなどの耐熱材料で形成されたモノブロック１１を基本部材とする。モノブロック１１の寸法は、例えば各辺が２０ｍｍ前後の直方体などである。

モノブロック１１の中央付近には貫通穴を設け、銅合金あるいは低放射化フェライト鋼等で製作した冷却配管１２を貫通させる。冷却配管１２の外面を貫通穴内壁面とロー付等で接合し、水等の冷却材を冷却配管１２に流して除熱することによりモノブロック１１を冷却する。冷却配管１２とモノブロック１１とは必要に応じて両者の熱膨張差を吸収するために無酸素銅などの柔らかい金属、あるいはヤング率の小さな金属で形成した緩衝部材１４を介して接合される。また冷却配管１２の内部にはらせん状のスワールテープ１３を挿入し伝熱を促進させることもなされている。

核融合炉のダイバータ装置の受熱面では、磁力線２に沿ってモノブロック１１のモノブロック受熱表面１１ａに荷電粒子が流入する。この荷電粒子流入によって発生する表面熱流束を下げるため、図１１に示すように、磁力線２とモノブロック受熱表面１１ａとの間の角度が、例えば２〜３度に抑えられている。

冷却配管１２の軸と直交する方向に配列されたモノブロック１１同士の間には例えば１ｍｍ程度のギャップＧが設けられている。このため、前記ギャップＧを通りモノブロック１１の近接側辺部１１ｂの付近に到達する荷電粒子の走行方向と受ける面とのなす角度は、近接側辺部１１ｂの面の法線が荷電粒子の流入してくる方向に向いている部分もあり、大きな角度となりうる。この結果、局所的に多大な単位面積当たりの熱流束を与えてモノブロック１１を溶融・損傷させることが想定される。このため、モノブロック１１のモノブロック受熱表面１１ａを僅かに傾斜させることにより、モノブロック１１の近接側辺部１１ｂ付近に荷電粒子が当たらないような工夫がなされている。

なおモノブロック１１は支持脚１８を有しており、レール構造などを有する支持構造２０により支持される。

特開２０１４−２２４７３０号公報特開２０１１−１２２８８３号公報特許第３１４２１７７号公報特許第５７１７７７９号公報特許第５３０２５３９号公報特許第５２８３３９６号公報特許第３０３６８９０号公報

このように構成された高熱負荷受熱要素１０においては、片面に高い熱負荷を受ける受熱面を有する。この受熱面であるモノブロック１１のモノブロック受熱表面１１ａに流入する熱流束が、冷却配管１２の冷却材１５との伝熱面、すなわち冷却配管１２の内面まで移動する過程で、モノブロック１１のモノブロック受熱表面１１ａに最も近い冷却配管１２の伝熱面頂部１２ａ付近に集中するため、この伝熱面頂部１２ａに多大な熱流束を生じることになる。

例えば、伝熱面頂部１２ａ付近における最大熱流束と、モノブロック受熱表面１１ａにおける熱流束の比をピーキング係数と定義すれば、ピーキング係数は、例えば約２程度になり得る。このようにピーキング係数が高くなるのは、高熱負荷受熱要素１０が片面から高熱負荷を受けるため、冷却配管１２の内面の冷却材１５と接する伝熱面が有効に使われていないことによるものである。

この為、冷却材１５による除熱が困難になる上、冷却配管１２の温度が上昇し、冷却配管１２の材料の強度が著しく低下する要因となる。したがって、モノブロック受熱表面１１ａの熱流束を下げるよう核融合出力を低減する、あるいは、核融合炉の装置寸法を大きくするなどの対応を行うことになり、核融合炉設計に大きな制約を与え経済性を低下させる要因になっていることが課題となっている。

また、モノブロック１１の近接側辺部１１ｂ付近に荷電粒子が当たらないようにするために、モノブロック受熱表面１１ａを僅かに傾斜させる結果、モノブロック受熱表面１１ａにおいて、荷電粒子が当る部分と当らない陰の部分が生じてモノブロック受熱表面１１ａにおける熱流束が不均一となる。

モノブロック受熱表面１１ａのうち荷電粒子が当たる部分では、傾斜されたモノブロック受熱表面１１ａと磁力線２とがなす角度が増大するため、表面熱流束が大幅に増加する。この熱流束の不均一性によってモノブロック受熱表面１１ａの温度が局所的に高くなる。特に冷却配管１２から最も遠い離隔側辺部１１ｃ付近の温度が非常に高くなり、モノブロック受熱表面１１ａの溶融や割れによる損傷が生じやすくなるなどの課題がある。

そこで、本発明の実施形態は、高い熱負荷を受ける高熱負荷受熱要素において、冷却配管の伝熱面の頂部への熱流束を低減させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態は、熱源からの熱負荷を受熱しかつ受熱した前記熱負荷を排出するための高熱負荷受熱要素であって、受熱面に前記熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、前記冷却配管の内面と前記受熱面との間にあって、断面が前記冷却配管の内面の一部であって前記受熱面に最も近い伝熱面頂部を含めた範囲を囲むような円弧状であり、前記軸方向に前記モノブロックを貫通するように設けられ、前記モノブロックの材料や前記冷却配管の材料よりも熱伝導率の小さな材料を有する熱障壁層と、を具備することを特徴とする。

また、本実施形態は、熱源からの方向性のある熱負荷である熱流を受熱しかつ受熱した前記熱負荷を排出するための高熱負荷受熱要素であって、受熱面が前記方向性のある熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、を具備し、前記モノブロックは、複数個あって、前記冷却配管の軸に直交する方向に並列に配置されており、前記モノブロックのそれぞれの受熱面の境界となるところの前記方向性のある熱負荷の上流側にある第１の辺部が、到来する前記方向性のある熱負荷に対して前記上流側に隣接するモノブロックの陰となるように、前記受熱面が前記方向性のある熱負荷の到来方向に対して傾けられており、前記受熱面における前記第１の辺部より前記方向性のある熱負荷の下流側に位置しかつ前記方向性のある熱負荷の受熱面の他方の境界となる第２の辺部を、前記第１の辺部に接近させるよう前記受熱面の前記下流側を切り欠くことで、前記第２の辺部の前記下流側にあった前記受熱面の部分が到来する前記方向性のある熱負荷に対して陰になるようにした、ことを特徴とする。

また、本実施形態は、核融合炉において、平面的に複数の高熱負荷受熱要素の受熱面を配し、熱源である主プラズマからの熱負荷を受けかつ排出するダイバータ装置であって、前記高熱負荷受熱要素は、受熱面に前記熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、前記冷却配管の内面と前記受熱面との間にあって、断面が前記冷却配管の内面の一部であって前記受熱面に最も近い伝熱面頂部を含めた範囲を囲むような円弧状であり、前記軸方向に前記モノブロックを貫通するように設けられ、前記モノブロックの材料よりも熱伝導率の小さな材料を有する熱障壁層と、を具備することを特徴とする。

また、本実施形態は、核融合炉において、平面的に複数の高熱負荷受熱要素の受熱面を配し、熱源である主プラズマからの方向性のある熱負荷を受けかつ排出するダイバータ装置であって、前記高熱負荷受熱要素は、受熱面に前記方向性のある熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、を具備し、前記モノブロックは、複数個あって、前記冷却配管の軸に直交する方向に並列に配置されており、前記モノブロックのそれぞれの受熱面の境界となるところの前記方向性のある熱負荷の上流側にある第１の辺部が、到来する前記方向性のある熱負荷に対して前記上流側に隣接するモノブロックの陰となるように、前記受熱面が前記方向性のある熱負荷からの到来方向に対して傾けられており、前記受熱面における前記第１の辺部より前記方向性のある熱負荷の下流側に位置しかつ前記方向性のある熱負荷の受熱面の他方の境界となる第２の辺部を、前記第１の辺部に接近させるよう前記受熱面の前記下流側を切り欠くことで、前記第２の辺部の下流側にあった受熱面の部分が到来する前記方向性のある熱負荷に対して陰になるようにした、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、高い熱負荷を受ける高熱負荷受熱要素において、冷却配管の伝熱面の頂部への熱流束を低減させることができる。

主プラズマとダイバータ装置の位置関係を示す概念的な横断面図である。磁力線とダイバータ装置との相対的な関係を示す概念的な斜視図の一例である。第１の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。第１の実施形態に係る高熱負荷受熱要素と冷却配管を組合せた状態を示す縦断面図である。第１の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の変形例の構成を示す横断面図である。第１の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の効果の例を示すグラフである。第２の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。第２の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の効果の例を示すグラフである。第３の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。第３の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の効果の例を示すグラフである。従来の高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高熱負荷受熱要素およびこれを用いた例としてのダイバータ装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

なお、実施形態は、高熱負荷受熱要素を、核融合炉のダイバータ装置に適用する場合を示しているが、核融合炉のダイバータ装置に限定されず、部分的に高い熱負荷を受ける受熱要素の熱流束の平坦化が必要な場合には、適用可能である。

［第１の実施形態］
図１は、主プラズマとダイバータ装置の位置関係を示す概念的な横断面図である。すなわち、図示しない真空容器内の状態を概念的に示している。真空容器は、筒状容器が円環状に形成されたトーラス状であり、図１はトーラス全体の中心軸を含む断面の一方を示しており、図１において左側が中心軸側である。トーラス（図示せず）の長手方向に沿った軸をｘ軸、トーラスの径方向外側に向かった軸をｙ軸、中心軸方向の上方に向かった軸をｚ軸とする。なお、ｙ軸方向とｚ軸方向に拡がる平面は、トーラスの長手方向に垂直な断面方向の平面となる。また、ｘ軸は、各断面において定義されるものとする。したがって、ｘ軸は、トーラスの長手方向に沿った軸である。

トーラスの長手方向に沿って複数個所にそれぞれ筒状容器の外周を囲むようにトロイダルコイル（図示せず）が設けられている。トロイダルコイルによって、真空容器内には、トーラスの長手方向に沿ったトロイダル磁場が形成される。また、プラズマ領域にトーラスの長手方向に沿った電流を流すことによって、それぞれの位置でトロイダル磁場を囲むようなポロイダル磁場が、長手方向に亘って形成される。

トロイダル磁場とポロイダル磁場とが重畳して、トロイダル磁場の周りにらせん状の磁場が形成される。この結果、プラズマ粒子は、放散することなくトロイダル磁場に沿ってらせん状に運動し、図１に示すように主プラズマ１が形成される。

また、トーラスの長手方向に沿ったポロイダルコイル（図示せず）が複数設けられている。これらのポロイダルコイルによって、トーラスの長手方向に垂直な断面での、主プラズマの幾何学的形状等が制御される。

ポロイダルコイルの下方には、図示しないダイバータコイルが設けられており、ダイバータコイルにより主プラズマの下方に磁場が形成される。ダイバータコイルによる磁場とポロイダル磁場とが存在することにより、両者が重なった結果、ポロイダル磁場がゼロとなる点が存在する。すなわち、図１におけるヌル点４であり、ヌル点４は長手方向に延びて全体で１つの円となっている。また、実際には存在しないが、ヌル点４による円を含む仮想的な磁力面は、セパラトリックスと呼ばれるプラズマ境界３である。プラズマ境界３の内部は、磁力線が外部に漏れることがなく、主プラズマ領域を形成する。

プラズマ境界３の外側では、磁力線が内部にとどまることはなく、このため、プラズマ境界３の外側の領域に存在するプラズマ粒子は、磁力線２に沿って流出する。この粒子および熱的エネルギーを真空容器内で捕獲するために、ダイバータ装置２００が設けられている。ダイバータ装置２００には、磁力線２に沿って流出するプラズマ粒子が衝突するとともに、主プラズマ１から放出されるガンマ線および中性子等の他、主プラズマ１等からの輻射熱や高速中性粒子が熱負荷としてが流入する。

このうち、プラズマ粒子による熱負荷は、プラズマ粒子が磁力線２に沿ってダイバータ装置２００に流入することから、以下、方向性のある熱負荷とも呼ぶこととする。

ダイバータ装置２００は、２つの垂直ライナ部２０１とこれらの中間に設けられたドームライナ部２０２を有する。

図２は、磁力線とダイバータ装置との相対的な関係を示す概念的な斜視図の一例である。図２では、ドームライナ部２０２の表示を省略している。また、磁力線２については、一方（図２において右側）の垂直ライナ部２０１に流入するものの一部のみ表示している。垂直ライナ部２０１は、湾曲部２０１ａとこれに続く平面部２０１ｂとを有する。

垂直ライナ部２０１およびドームライナ部２０２のそれぞれにおいて、ダイバータ装置２００は、互いに並列に配された複数の受熱・冷却構造１５０を有する。複数の受熱・冷却構造１５０のそれぞれは、１本の冷却配管１２に串刺し状にされた状態で直列に配列された複数の高熱負荷受熱要素１００およびこれらを支持する支持構造２０を有する。それぞれの高熱負荷受熱要素１００は、いずれも受熱面を表面側にして配列されており、ダイバータ装置２００の受熱曲面を構成している。

ダイバータ装置２００は、トーラスの長手方向であるｘ軸方向に延びてトーラスの全周に亘って、トーラス内に設けられている。また、垂直ライナ部２０１の平面部２０１ｂは、ほぼ下方向であるｚ軸のマイナス方向に延びている。

プラズマ境界３の外側の領域においても磁力線２の方向は、トロイダル磁場にポロイダル磁場が重畳された磁場の方向である。ここで、ｘ軸方向であるトロイダル磁場の大きさは、ベクトル的にこれに直交するｙ軸あるいはｚ軸方向のポロイダル磁場の大きさに比べて十分に大きい。このため、プラズマ境界３の外側の領域における磁力線２の方向は、ほぼｘ軸方向であり、わずかにｙ軸あるいはｚ軸方向に傾いている。

一方、ダイバータ装置２００の垂直ライナ部２０１およびドームライナ部２０２の表面は、ｘ軸に平行な面、すなわち、ｘ軸に平行な直線を含む面となるような向きに設けられている。このため、後述するように、磁力線２が、垂直ライナ部２０１およびドームライナ部２０２の表面に流入する向きは、ダイバータ装置２００の垂直ライナ部２０１およびドームライナ部２０２の表面に、ほぼ平行でかつわずかに傾いた方向となる。

図３は、高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。高熱負荷受熱要素１００は、ほぼ直方体形状で対向する２つの面で貫通する貫通孔１１０ａを有するモノブロック１１０、熱障壁層１１５、および貫通孔１１０ａを貫通する冷却配管１２を有する。高熱負荷受熱要素１００に含まれる冷却配管１２は、貫通孔１１０ａ内の部分とする。

モノブロック１１０において、貫通孔１１０ａが存在する２つの対向面に挟まれた１つの面が、受熱面であるモノブロック受熱表面１１１となっている。モノブロック受熱表面１１１は、必要に応じて図３に示すように、隣接する面に垂直方向からたとえば１度程度の角度で傾斜させてもよい。すなわち、モノブロック受熱表面１１１と側面とがなす角度αを９０度よりわずかに小さな角度としてもよい。

モノブロック受熱表面１１１に対応する反対側は、モノブロック１１０が支持構造２０のたとえばレール（図示せず）により支持されるような形状となっている支持脚１１８が形成されている。

モノブロック１１０の材料としては、炭素繊維強化炭素複合材（Ｃ／Ｃコンポジット）またはタングステンなどの耐熱材料を用いることができる。

冷却配管１２は、銅合金あるいは低放射化フェライト鋼等を材料として用いることができる。冷却配管１２の内部には水等の冷却材１５が流れる。冷却配管１２内には、必要に応じて、図３で示すように、らせん状のスワールテープ１３を配して、冷却材１５と冷却配管１２間の熱伝達を促進させてもよい。

図３に示すように、冷却配管１２とモノブロック１１０の貫通孔１１０ａとの間には、緩衝部材１４が介在し、冷却配管１２と緩衝部材１４とが接合され、緩衝部材１４とモノブロック１１０とが、たとえばロー付により接合されている。緩衝部材１４の材料としては、純銅などの金属を用いることができる。

このように、必要に応じて緩衝部材１４を設けてもよい。あるいは、緩衝部材１４を設けずに、冷却配管１２の外面と、モノブロック１１０の貫通孔１１０ａの内面とを、直接にロー付により接合することでもよい。

熱障壁層１１５は、モノブロック１１０の材料、緩衝部材１４の材料および冷却配管１２の材料のいずれよりも熱伝導率の小さな材料を用いる。熱障壁層１１５の素材は例えば、冷却配管１２が銅合金の場合、チタンやチタン合金（例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、あるいはジルコニウムやジルコニアやジルコニウム合金（例えばジルカロイＺｒｙ−４）が考えられる。これらの熱伝導率は、高熱負荷受熱要素１００の使用温度で１０〜２０Ｗ／ｍＫである。

その他、ニッケル鋼またはクロムニッケル鋼またはニッケルクロム合金も同程度の熱伝導率を有する低熱伝導材料であるが、高熱負荷受熱要素１００を核融合炉などに使用する場合には、中性子照射を受けるとニッケルの一部の同位体が長寿命放射性物質になるため、その同位体分離が必要になる可能性がある。

熱障壁層１１５は、冷却配管１２の内面の伝熱面頂部１２ａと、モノブロック受熱表面１１１との間に設けられる。ここで伝熱面頂部１２ａとは、冷却配管１２の内面のうち、モノブロック受熱表面１１１に最も近い部分を言うものとする。冷却配管１２の内面の一部であって伝熱面頂部１２ａを含めた範囲を、熱障壁層１１５は、径方向外側で囲むように配されている。

具体的には、熱障壁層１１５は、断面が冷却配管１２の軸を中心にした円弧状で、中心角βはたとえば数１０度の角度で広がっている。また、熱障壁層１１５は、冷却配管１２の軸方向に延びて、モノブロック１１０を貫通し、両側の表面に達している。径方向には、図３に示すように、熱障壁層１１５は、冷却配管１２の外表面に接するように設けられている。

熱障壁層１１５は、これが接触する冷却配管１２や緩衝部材１４あるいはモノブロック１１０の材料と、ロー付や、熱間等方圧加圧加工による拡散接合などで接合される。あるいは選定した熱障壁層１１５の材料によっては、化学／物理蒸着や厚肉メッキ、金属溶射などで形成することも考えられる。

またセラミックスを熱障壁層１１５の材料に用いる場合には、冷却配管１２の表面にセラミックスを溶射することによっても熱障壁層１１５を形成することができる。さらにセラミックス製の熱障壁層１１５を採用する場合には、緩衝部材１４あるいはモノブロック１１０などの材料と接合するために、熱障壁層１１５の表面を金属膜化してもよい。

図４は、高熱負荷受熱要素と冷却配管を組合せた状態を示す縦断面図である。複数の高熱負荷受熱要素１００のそれぞれの冷却配管１２は、相互に共通の冷却配管１２としてつながっている。また、これら複数の高熱負荷受熱要素１００は、図示していない支持構造２０によって支持されている。このように形成された複数の高熱負荷受熱要素１００は、互いに直列に、冷却配管１２の方向に配列されており、１本の受熱・冷却構造１５０の構成要素となっている。

図５は、高熱負荷受熱要素の変形例の構成を示す横断面図である。変形例に係る高熱負荷受熱要素１０１は、図５に示すように、熱障壁層１１５ａが、冷却配管１２内の肉厚部内の外表面付近に埋め込まれている。構造健全性の上で問題が無ければ、このように、熱障壁層１１５ａは、できるだけ伝熱面頂部１２ａに近い位置に置くことが、熱的効果の上では好ましい。なお、この場合、応力集中が発生しないよう、周方向の端部では、段差をつけずに徐々に厚みを変化させることをしてもよい。

この場合も、冷却配管１２の構造強度の低下をできるだけ抑制するために、熱障壁層１１５ａの熱伝導率を適度に低くし、その厚みをできるだけ薄くすることが好ましい。冷却配管１２の材料が、Ｆ８２Ｈのような低放射化フェライト鋼である場合には、低放射化フェライト鋼の熱伝導率が銅合金よりも１桁程度、熱伝導率が低い。このため、熱障壁層１１５ａには、より熱伝導の小さいジルコニアあるいはアルミナなどのセラミックス薄板を用いると効果的である。セラミックスの場合には、高熱負荷受熱要素１０１の使用温度で２〜１０Ｗ／ｍＫ程度の低熱伝導率を期待できる。

このような低熱伝導率を有する金属またはセラミックスを熱障壁層１１５あるいは熱障壁層１１５ａに用いると、その厚みを例えば０．１ｍｍないし０．２ｍｍ程度でも望むべき効果が得られる。

図６は、高熱負荷受熱要素の効果の例を示すグラフである。横軸は、冷却配管１２の中心軸まわりの円周方向の角度である。０度の基準は、冷却配管１２の中心軸から伝熱面頂部１２ａの方向に垂直な方向である。角度は、反時計回り方向を正として、伝熱面頂部１２ａの方向が９０度方向となる。縦軸は、冷却配管伝熱面熱流束（ＭＷ／ｍ^２）である。冷却配管１２の伝熱面は、冷却配管１２の内側で示している。

実線は熱障壁層を有しない従来技術の場合、破線は、本実施形態の場合を示す。図６に示した例では、冷却配管伝熱面熱流束は、従来の場合の最大値が、約１８ＭＷ／ｍ^２強であったものが、約１６ＭＷ／ｍ^２へと、約１２％低下している。

本実施形態では、最も熱流束の大きな経路に熱抵抗を設けることから、全体としては、熱抵抗が増加する。この効果は、約４５度以下の角度領域および約１３０度以上の角度領域において、冷却配管伝熱面熱流束が増加していることに表れている。しかしながら、従来の場合に、約９０度前後の角度領域に表れていた冷却配管伝熱面熱流束のピークが、大きく減少することによる冷却配管伝熱面熱流束の平坦化の傾向を、さらに平坦化させるという効果となっている。

円弧状の熱障壁層１１５、１１５ａの円弧中心角は、この場合、６３度である。円弧中心角は、伝熱面頂部１２ａにおける単位面積当たりの熱流束が最小になるように熱解析で最適化することによって得られる。その最適値は、高熱負荷受熱要素１００、１０１の設計条件によって大幅に変わるが、例えばある条件では６０°前後とすると良好な結果が得られる場合や、別のケースでは１２０度前後が最適な場合がある。この時、熱流束の分布を平坦化するなどの最適化を行うために熱障壁層１１５、１１５ａの厚みを円弧中心角の関数として変化させてもよい。

このようにして構成した高熱負荷受熱要素１００、１０１では、伝熱面頂部１２ａ付近の最大熱流束を例えば１７％程度低減でき、この熱流束の低減により冷却配管１２に流す冷却材１５の流量を例えば２７％程度低減できる。

また冷却配管１２を低放射化フェライト鋼とする場合には、その熱伝導率が比較的低いため、通過熱流束が高くなると冷却配管１２の材料温度が許容温度を超える問題が生じるが、本実施形態による高熱負荷受熱要素１００、１０１では、伝熱面頂部１２ａの熱流束を下げられるため、冷却配管１２の最大温度も下がり、モノブロック受熱表面１１１の熱流束を従来技術のものより高められる効果が得られる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。第２の実施形態における高熱負荷受熱要素１０２は、第１の実施形態における高熱負荷受熱要素１００の特徴である熱障壁層を有しておらず、代わりに、モノブロック１２０の形状に特徴がある。

すなわち、本第２の実施形態における高熱負荷受熱要素１０２のモノブロック１２０には、離隔側切欠き部１２３が形成されている。離隔側切欠き部１２３は、モノブロック受熱表面１１１において、磁力線２に沿って荷電粒子が流入する上流側に隣接するモノブロック１２０から遠い側の辺部（第２の辺部）に形成されている。すなわち、方向性のある熱負荷の下流側に形成されている。切欠きの表面がモノブロック受熱表面１１１となす角度は、磁力線２とモノブロック受熱表面１１１となす角度よりも大きな角度となるように形成されている。なお、この条件が満たされれば、離隔側切欠き部１２３の形状は平面でなくともよい。

この結果、モノブロック受熱表面１１１は、モノブロック受熱表面１１１が傾斜を有するために隣接するモノブロック１２０の陰となって磁力線２が到達しない幅Ｗ２の近接側辺部１１２（第１の辺部）と、磁力線２を受ける幅Ｗ１の中央部分１２４と、および磁力線２が到達しない幅Ｗ３の離隔側切欠き部１２３とに分けられる。

モノブロック受熱表面１１１が受ける熱負荷には、大別して２つのグループがある。第１のグループは、主に主プラズマ１から放射される輻射熱磁場の影響を受けない高速中性粒子等による熱負荷である。第２のグループは、磁力線２に沿って流入する荷電粒子による熱流束によるもの、すなわち方向性のある熱負荷である。

第１のグループの熱負荷の熱源は、モノブロック受熱表面１１１から直視できる主プラズマ１であり、基本的には、モノブロック受熱表面１１１の直上の主プラズマ１が主たる熱源である。したがって、モノブロック受熱表面１１１の３通の部分、すなわち、近接側辺部１１２、中央部分１２４、および離隔側切欠き部１２３のいずれも、第１のグループの熱負荷を受ける。

一方、第２のグループの熱負荷は、磁力線２が到達しない近接側辺部１１２および離隔側切欠き部１２３は負担せずに、中央部分１２４のみが受けることになる。

もともと、離隔側切欠き部１２３が形成されない場合のこの部分の辺部は、磁力線２が到達することによる熱負荷を負っていた。この部分は、冷却配管１２から最も遠いため、冷却配管１２までの熱抵抗が最も大きな箇所であった。このため、モノブロック受熱表面１１１の中で、温度上昇が最も大きな部分であった。

図８は、第２の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の効果の例を示すグラフである。横軸は、前述の図６の場合と同様に、冷却配管１２の中心軸まわりの円周方向の角度である。縦軸は、モノブロック受熱表面１１１の表面温度である。実線は離隔側切欠き部１２３を有しない従来技術の場合、破線は、本実施形態の場合を示す。

図８の例では、従来技術の場合、離隔側切欠き部１２３が形成されない部分の辺部の温度は約１０６０度であったものが、約９２０度までと、１００度以上低下している。なお、このケースでは、Ｗ３をＷ２と同じ幅にすることによって、モノブロック受熱表面１１１の表面温度分布は、対称な分布となっている。

以上のように、離隔側切欠き部１２３を設けることによって、モノブロック受熱表面１１１の熱流束の分布の不均一性を改善できる結果、モノブロック受熱表面１１１の温度分布をより平坦化でき、例えばピーク温度を１００℃以上下げられる効果が得られる。したがって、モノブロック１２０表面の溶融や割れなどによる損傷が抑えられ、高熱負荷受熱要素１０２の健全性が大幅に向上する。

［第３の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態と第２の実施形態の特徴を併せて有するものである。

図９は、第３の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の構成を示す横断面図である。本第３の実施形態においては、第１の実施形態と同様に熱障壁層１１５を有し、また、第２の実施形態と同様に離隔側切欠き部１２３を有する。

図１０は、第３の実施形態に係る高熱負荷受熱要素の効果の例を示すグラフである。図６の場合と同様に、横軸は、冷却配管１２の中心軸まわりの円周方向の角度である。０度の基準は、冷却配管１２の中心軸から伝熱面頂部１２ａの方向に垂直な方向である。角度は、反時計回り方向を正として、伝熱面頂部１２ａの方向が９０度方向となる。縦軸は、冷却配管伝熱面熱流束（ＭＷ／ｍ^２）である。

実線は熱障壁層１１５および離隔側切欠き部１２３のいずれも有しない従来技術の場合、破線は、本実施形態の場合を示す。図１０に示した例では、冷却配管伝熱面熱流束は、従来の場合の最大値が、約１８ＭＷ／ｍ^２強であったものが、約１５ＭＷ／ｍ^２弱へと、約２０％低下している。

以上のように、本実施形態によれば、モノブロック受熱表面１１１のピーク温度を下げるとともに、冷却配管１２の冷却材１５との伝熱面の最大熱流束を低下することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

たとえば、実施形態においては、高熱負荷受熱要素を、核融合炉のダイバータ装置に適用した場合を例にとって示したが、これに限定されない。すなわち、高い熱負荷を受ける受熱要素であれば、本発明による高熱負荷受熱要素を用いることができる。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…主プラズマ、２…磁力線、３…プラズマ境界、４…ヌル点、１０…高熱負荷受熱要素、１１…モノブロック、１１ａ…モノブロック受熱表面（受熱面）、１１ｂ…近接側辺部、１１ｃ…離隔側辺部（第２の辺部）、１２…冷却配管、１２ａ…伝熱面頂部、１３…スワールテープ、１４…緩衝部材、１５…冷却材、１８…支持脚、２０…支持構造、１００、１０１、１０２…高熱負荷受熱要素、１１０…モノブロック、１１０ａ…貫通孔、１１１…モノブロック受熱表面（受熱面）、１１２…近接側辺部（第１の辺部）、１１５、１１５ａ…熱障壁層、１１８…支持脚、１２０…モノブロック、１２３…離隔側切欠き部（第２の辺部）、１２４…中央部分、１５０…受熱・冷却構造、２００…ダイバータ装置、２０１…垂直ライナ部、２０１ａ…湾曲部、２０１ｂ…平面部、２０２…ドームライナ部

Claims

熱源からの熱負荷を受熱しかつ受熱した前記熱負荷を排出するための高熱負荷受熱要素であって、
受熱面に前記熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、
前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、
前記冷却配管の内面と前記受熱面との間にあって、断面が前記冷却配管の内面の一部であって前記受熱面に最も近い伝熱面頂部を含めた範囲を囲むような円弧状であり、前記軸方向に前記モノブロックを貫通するように設けられ、前記モノブロックの材料や前記冷却配管の材料よりも熱伝導率の小さな材料を有する熱障壁層と、
を具備することを特徴とする高熱負荷受熱要素。
前記熱障壁層は、前記冷却配管の外表面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高熱負荷受熱要素。
前記熱障壁層は、前記冷却配管の肉厚部内にあって、前記冷却配管の外表面より内側に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の高熱負荷受熱要素。
前記熱障壁層の材料は、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ジルコニアの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の高熱負荷受熱要素。
熱源からの方向性のある熱負荷である熱流を受熱しかつ受熱した前記熱負荷を排出するための高熱負荷受熱要素であって、
受熱面が前記方向性のある熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、
前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、
を具備し、
前記モノブロックは、
複数個あって、前記冷却配管の軸に直交する方向に並列に配置されており、前記モノブロックのそれぞれの受熱面の境界となるところの前記方向性のある熱負荷の上流側にある第１の辺部が、到来する前記方向性のある熱負荷に対して前記上流側に隣接するモノブロックの陰となるように、前記受熱面が前記方向性のある熱負荷の到来方向に対して傾けられており、
前記受熱面における前記第１の辺部より前記方向性のある熱負荷の下流側に位置しかつ前記方向性のある熱負荷の受熱面の他方の境界となる第２の辺部を、前記第１の辺部に接近させるよう前記受熱面の前記下流側を切り欠くことで、前記第２の辺部の前記下流側にあった前記受熱面の部分が到来する前記方向性のある熱負荷に対して陰になるようにした、
ことを特徴とする高熱負荷受熱要素。
前記貫通孔の内面と前記冷却配管の外面との間に介在し前記モノブロックの材料に比べてヤング率が小さな材料を有する緩衝部材をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の高熱負荷受熱要素。
核融合炉において、平面的に複数の高熱負荷受熱要素の受熱面を配し、熱源である主プラズマからの熱負荷を受けかつ排出するダイバータ装置であって、
前記高熱負荷受熱要素は、
受熱面に前記熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、
前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、
前記冷却配管の内面と前記受熱面との間にあって、断面が前記冷却配管の内面の一部であって前記受熱面に最も近い伝熱面頂部を含めた範囲を囲むような円弧状であり、前記軸方向に前記モノブロックを貫通するように設けられ、前記モノブロックの材料よりも熱伝導率の小さな材料を有する熱障壁層と、
を具備することを特徴とするダイバータ装置。
核融合炉において、平面的に複数の高熱負荷受熱要素の受熱面を配し、熱源である主プラズマからの方向性のある熱負荷を受けかつ排出するダイバータ装置であって、
前記高熱負荷受熱要素は、
受熱面に前記方向性のある熱負荷を受け、前記受熱面にほぼ平行な軸方向に貫通孔が形成されているモノブロックと、
前記モノブロックの前記貫通孔を貫通し、内部を冷却材が通過することにより前記熱負荷を排出する冷却配管と、
を具備し、
前記モノブロックは、
複数個あって、
前記冷却配管の軸に直交する方向に並列に配置されており、前記モノブロックのそれぞれの受熱面の境界となるところの前記方向性のある熱負荷の上流側にある第１の辺部が、到来する前記方向性のある熱負荷に対して前記上流側に隣接するモノブロックの陰となるように、前記受熱面が前記方向性のある熱負荷からの到来方向に対して傾けられており、
前記受熱面における前記第１の辺部より前記方向性のある熱負荷の下流側に位置しかつ前記方向性のある熱負荷の受熱面の他方の境界となる第２の辺部を、前記第１の辺部に接近させるよう前記受熱面の前記下流側を切り欠くことで、前記第２の辺部の下流側にあった受熱面の部分が到来する前記方向性のある熱負荷に対して陰になるようにした、
ことを特徴とするダイバータ装置。