JP2018013459A - Nuclear fusion reactor blanket and support structure thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、核融合炉用ブランケット及びその支持構造に関する。 Embodiments described herein relate generally to a fusion reactor blanket and a support structure thereof.
核融合炉では、重水素と三重水素(トリチウム)を含む混合燃料を真空容器内でプラズマ化して保持し、核融合反応で生じる14.1MeVの一次中性子からエネルギーを取り出して発電を行う。トリチウムは自然界に存在しないため、炉を継続的に運転するにはトリチウムの消費分を補いつつ、増殖する必要がある。このため、核融合炉では、核融合反応により生成される中性子の捕獲によるトリチウム生成と、核融合反応により生じる熱の回収とを行うために、真空容器の内面にブランケットが取り付けられる。 In a nuclear fusion reactor, a mixed fuel containing deuterium and tritium (tritium) is held in plasma in a vacuum vessel, and energy is extracted from the primary neutrons of 14.1 MeV generated by the fusion reaction. Since tritium does not exist in nature, in order to operate the furnace continuously, it is necessary to multiply while supplementing the tritium consumption. For this reason, in the nuclear fusion reactor, a blanket is attached to the inner surface of the vacuum vessel in order to generate tritium by capturing neutrons generated by the fusion reaction and recover heat generated by the fusion reaction.
ブランケットの一例として、特別に成分調整された低放射化フェライト鋼(例えば、F82H)で構成された箱形状の金属容器(筐体)に、リチウムを含むトリチウム増殖材、ベリリウムを含む中性子増倍材の層を交互に設けたものがある。筐体内部に冷却水が流通する流路が形成されて、発生した熱が回収される。筐体には、冷却水を供給して、回収するための配管、生成したトリチウムを回収するために搬送ガスを供給し、回収するための配管が取り付けられる。 As an example of a blanket, a tritium breeder containing lithium and a neutron multiplier containing beryllium in a box-shaped metal container (housing) made of specially-adjusted low activation ferritic steel (eg, F82H) Some layers are alternately provided. A flow path through which the cooling water flows is formed inside the housing, and the generated heat is recovered. A pipe for supplying and collecting cooling water and a pipe for supplying and collecting carrier gas for collecting generated tritium are attached to the casing.
他のブランケットの構成例として、鐘形形状の金属容器で二重壁を構成して、プラズマに対向する第一壁の近傍に増殖材として酸化リチウムのペブル層を設け、その後方に酸化リチウムのブロックを配置する方法も開示されている。 As another structural example of the blanket, a double wall is formed by a bell-shaped metal container, a pebble layer of lithium oxide is provided as a breeding material in the vicinity of the first wall facing the plasma, and the lithium oxide is disposed behind it. A method for arranging the blocks is also disclosed.
近年、製作性と比較的大きいトリチウム増殖比とを両立できる方式として、二重の球殻部及び二重の円筒部で構成した円筒型ブランケットが注目されている。この円筒型のブランケットでは、二重壁間に冷却水を流して除熱を行う構成となっている。 In recent years, a cylindrical blanket composed of a double spherical shell portion and a double cylindrical portion has attracted attention as a method capable of achieving both a manufacturability and a relatively large tritium breeding ratio. This cylindrical blanket is configured to remove heat by flowing cooling water between double walls.
ところで、核融合反応による中性子照射、核融合プラズマからの輻射を受ける環境で動作するブランケットの設計においては、(1)燃料増殖性能、(2)除熱性能、(3)構造健全性の3要素のバランスを取ることが重要となる。 By the way, in the design of a blanket that operates in an environment that receives neutron irradiation by fusion reaction and radiation from fusion plasma, (1) fuel multiplication performance, (2) heat removal performance, and (3) structural integrity. It is important to balance this.
燃料増殖性能は、トリチウム生産量と消費量の比率を表す、トリチウム増殖比(TBD:Tritium Breeding Ratio)で評価される。生産されたトリチウムには回収過程における透過漏洩損失等があるため核融合炉全体ではトリチウム増殖比=1.05以上を達成することが望ましく、ブランケットは真空容器の全面に配置する事はできないため、ブランケット単体ではトリチウム増殖比1.25以上を達成することが望まれる。 The fuel growth performance is evaluated by a tritium breeding ratio (TBD) representing a ratio between tritium production and consumption. Since the produced tritium has permeation leakage loss in the recovery process, it is desirable to achieve a tritium breeding ratio of 1.05 or more in the entire fusion reactor, and the blanket cannot be placed on the entire surface of the vacuum vessel. It is desirable to achieve a tritium breeding ratio of 1.25 or more with a blanket alone.
また、除熱性能からは、筐体の材料、増殖材、増倍材に対して、それぞれ用いられている素材の安定性や健全性から要求される供用状態の最高温度が設定される。構造健全性では、主にプラズマに近接する第一壁で発生する熱勾配に起因する熱応力、高温高圧の冷却水を内包することによる水圧やプラズマが不安定性等により消滅した際に負荷される電磁力などに耐えられることが要件となる。 Further, from the heat removal performance, the maximum temperature in service state required for the stability and soundness of the materials used for the housing material, the breeding material, and the multiplication material is set. In structural soundness, it is mainly applied when the thermal stress caused by the thermal gradient generated in the first wall close to the plasma, the water pressure due to the inclusion of high-temperature and high-pressure cooling water, or when the plasma disappears due to instability, etc. It must be able to withstand electromagnetic force.
上述の箱型のブランケットは、筐体内部の漏水により水圧が印加された場合、各面の中央部や各面の付け根の構造不連続部で高い応力が発生する。このため、これら部位の発生応力が材質の許容応力を超えないようにする必要があり、筐体が大きくなれば板厚を厚くするか、補強構造を設ける必要があった。板厚が厚くなり構造材の占有率が増えれば、中性子が構造材に減衰吸収されるため、トリチウム増殖比は低下する。 In the box-shaped blanket described above, when water pressure is applied due to water leakage inside the housing, high stress is generated at the center of each surface and at the structure discontinuity at the base of each surface. For this reason, it is necessary to prevent the generated stress of these parts from exceeding the allowable stress of the material, and if the casing becomes large, it is necessary to increase the plate thickness or to provide a reinforcing structure. If the plate thickness increases and the occupation ratio of the structural material increases, neutrons are attenuated and absorbed by the structural material, so that the tritium breeding ratio decreases.
一方、円筒形状のブランケットは、内部応力の影響が箱型のブランケットと比較して小さく、内圧の上昇に強い構造である。安全性の高い構成となる一方で、プラズマに対向する筐体外壁の球殻部で最も温度が高くなる。筐体の候補材料である低放射化フェライト鋼には高温環境下で長時間保持すると熱時効により脆化してしまうという問題があり、550℃程度が筐体の温度上限値となる(非特許文献2参照)。 On the other hand, the cylindrical blanket has a structure in which the influence of internal stress is smaller than that of a box-type blanket and is strong against an increase in internal pressure. While the structure is highly safe, the temperature is highest at the spherical shell portion of the outer wall of the casing facing the plasma. The low activation ferritic steel, which is a candidate material for the housing, has a problem that it becomes brittle due to thermal aging when kept in a high temperature environment for a long time, and the upper temperature limit of the housing is about 550 ° C. 2).
この温度上限値を満たすために、筐体外壁の球殻部の板厚上限値が決まり、同時に高温高圧の冷却水(約300℃−15.5MPa)に対する耐圧性を保たせるために筐体直径の上限値と円筒部の板厚下限値が必然的に決まる。このため、商業的な核融合発電に向けたより高い核融合出力(より高い熱負荷)に耐えるように設計しようとすると、筐体直径を小さくする必要が生じ、真空容器内面の単位面積当たりの構造材の占有率が大きくなる。 In order to satisfy this temperature upper limit value, the plate thickness upper limit value of the spherical shell portion of the outer wall of the housing is determined, and at the same time, the housing diameter is maintained in order to maintain pressure resistance against high-temperature and high-pressure cooling water (about 300 ° C.-15.5 MPa). The upper limit value and the plate thickness lower limit value of the cylindrical portion are inevitably determined. For this reason, when trying to withstand higher fusion power (higher heat load) for commercial fusion power generation, it is necessary to reduce the housing diameter, and the structure per unit area of the inner surface of the vacuum vessel Increases material occupancy.
このように、ブランケットが箱形状及び円筒形状のいずれの場合であっても、ブランケットの構造的な健全性を維持しつつ、筐体の板厚を薄くするなど構造材の占有率を小さくすることはできず、高いトリチウム増殖性能を実現することは困難であった。 In this way, whether the blanket is box-shaped or cylindrical-shaped, the structural soundness of the blanket is reduced and the occupancy rate of the structural material is reduced while maintaining the structural soundness of the blanket. It was difficult to achieve high tritium breeding performance.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、ブランケットの構造的な健全性を維持しつつ、高いトリチウム増殖性能を実現する核融合炉用ブランケット及びその支持構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a fusion reactor blanket that realizes high tritium breeding performance while maintaining the structural integrity of the blanket, and a support structure thereof. And
本発明の実施形態に係る核融合炉用ブランケットにおいて、円筒形状の外壁円筒部を有し、前記外壁円筒部の一方の開口端が球殻形状の外壁球殻部に閉止された筐体外壁と、円筒形状の内壁円筒部を有し、前記内壁円筒部の前記一方の開口端が球殻形状の内壁球殻部に閉止されるとともに前記筐体外壁の内面と空隙を設けて前記筐体外壁に内包されて、中性子との核反応によりトリチウムを生成する増殖材と中性子との核反応により中性子を生成する増倍材とを内部に備えた筐体内壁と、前記筐体内壁と前記筐体外壁とで形成された筐体の他方の開放端を閉止して、冷却水を前記筐体内に供給及び回収する配管及びトリチウムを回収するための搬出ガスを供給及び回収する配管が取り付けられたフランジと、前記空隙に設けられ、前記空隙に供給され回収される前記冷却水の流路を設定するリブであって、前記内壁球殻部の外面上における前記冷却水の流路を前記内壁円筒部の外面上における流路よりも狭くする配置、及び、前記内壁球殻部の外面上を流通する前記冷却水の乱流を発生させる配置の少なくとも一方に配置されるリブと、を備えることを特徴とする。 In the blanket for a nuclear fusion reactor according to an embodiment of the present invention, a housing outer wall having a cylindrical outer wall cylindrical portion, one open end of the outer wall cylindrical portion being closed to a spherical shell outer wall spherical shell portion, A cylindrical inner wall cylindrical portion, and the one open end of the inner wall cylindrical portion is closed to a spherical shell inner wall spherical shell portion, and an inner surface of the housing outer wall and a gap are provided to provide the housing outer wall. A housing inner wall including a breeding material for generating tritium by a nuclear reaction with neutrons and a multiplier for generating neutrons by a nuclear reaction with neutrons, and the inner wall and the housing A flange to which the other open end of the casing formed by the outer wall is closed, and a pipe for supplying and recovering cooling water into the casing and a pipe for supplying and recovering a discharge gas for recovering tritium And provided in the gap, Ribs for setting the flow path of the cooling water to be supplied and collected, wherein the flow path of the cooling water on the outer surface of the inner wall spherical shell portion is narrower than the flow path on the outer surface of the inner wall cylindrical portion And a rib disposed in at least one of the arrangements for generating a turbulent flow of the cooling water flowing on the outer surface of the inner wall spherical shell.
本発明の実施形態により、ブランケットの構造的な健全性を維持しつつ、高いトリチウム増殖性能を実現する核融合炉用ブランケット及びその支持構造が提供される。 According to an embodiment of the present invention, a blanket for a nuclear fusion reactor and a support structure thereof are provided that achieve high tritium breeding performance while maintaining the structural integrity of the blanket.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は、トカマク型の核融合炉10の構成を示す概略断面図であり、図2は、真空容器11の内面に実施形態に係る核融合炉用ブランケット12が配置された場合の配置例を示す説明図である。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a tokamak type
核融合炉10では、重水素とトリチウムを含む混合燃料を真空容器11の内部でブラズマ化する。発生した高温のプラズマは、超伝導コイル13などのコイルの磁界によって真空容器11の内部に保持される。そして、プラズマ内部では、重水素とトリチウムの核融合反応が発生する。なお、ダイバータ14は、核融合反応により生じたヘリウムと燃料粒子の排気を行うとともに、ダイバータ14に流れてきた熱エネルギーの排出を行う。
In the
円筒型の筐体を有するブランケット12は、半球部分がプラズマに対向するように、すなわち半球部分が第一壁となるように真空容器11の内面に配置される。具体的には、複数のブランケット12が支持体(躯体)15に取り付けられ、支持体15は真空容器11の内面に設置される。
The
ブランケット12の内部は、中性子との核反応によりトリチウムを生成するための増殖材と、中性子との核反応により中性子を発生するための増倍材と、を備えている。なお、増殖材及び増倍材の配置構成は後述する。
The interior of the
ブランケット12では、核融合反応により生じた一次中性子の照射を受けて、増殖材に含まれる質量数6のリチウムの核反応が発生してトリチウムが生成される。同時に、増倍材に含まれるベリリウムと一次中性子との核反応が発生して二次中性子が生成される。この二次中性子もブランケット12内の増殖材と核反応してトリチウム生成に寄与する。
In the
同時に、ブランケット12では、筐体の内部に供給され流通する冷却水を用いて、プラズマから生じる熱が回収される。
At the same time, in the
図3(A)は、支持体15に取り付けられたブランケット12の構成を示す斜視図であり、図3(B)は、実施形態に係るブランケット12の斜視図を示している。図3(C)は、ブランケット12に挿入される増殖管17の斜視図を示している。
FIG. 3A is a perspective view showing the configuration of the
図3(A)に示されるように、支持体15には複数のブランケット12が取り付けられる。支持体15に取り付けられたブランケット群を1つのユニットとして、多数のユニットが真空容器11の内面に設置される。
As shown in FIG. 3A, a plurality of
ブランケット12には、冷却水を筐体内に供給及び回収する冷却水用の配管やトリチウムを回収するための搬出ガスを供給及び回収する搬出ガス用の配管が、フランジを介して取り付けられる。なお、図3(B)では、冷却水用の配管及び搬出ガス用の配管をまとめて符号16として記載している。
The
図3(C)に示す増殖管17は、増殖材を充填した増殖層が内部に形成されて、ブランケット12内に挿入される。増殖管17は、U字形状を有した4本の配管で構成されている。3本は平行に配置されており、残りの1本はその他の増殖管17が配置される方向と直交する方向に配置されている。増殖管17は、フリンジを介して搬出ガス用の配管と接続する。この配管を用いてブランケット12内で生成したトリチウムを回収する。
In the
具体的には、搬送ガスとして供給されるヘリウムなどの不活性ガスを増殖管17内の増殖層に流通させ、増殖層からガス状になって放出されるトリチウムをブランケット12外に押し流して回収する。このトリチウムは、トリチウム水素、トリチウム水蒸気などいくつかの化学形態を有する分子を含んだ搬送ガスとの混合ガスとして回収される。そして、分離プラントにおいてトリチウムのみが分離回収された後、再び核融合燃料として用いられる。
Specifically, an inert gas such as helium supplied as a carrier gas is circulated through the growth layer in the
図4は、第1実施形態に係るブランケット12の縦断面図であり、図5は、図4のI−I断面図を示している。
4 is a longitudinal sectional view of the
第1実施形態に係るブランケット12は、筐体外壁18と筐体内壁19との2重壁で形成された筐体20と、筐体20を閉止するためのフランジ21と、筐体内壁19の内部に設けられた、増殖層22及び増倍層24と、リブ25と、を少なくとも備えている。なお、図4では、フランジ21を介してブランケット12に取り付けられる、冷却水や搬送ガスの供給及び回収を行う配管16の構成は省略している。
The
筐体外壁18は、円筒形状の外壁円筒部を有して、この外壁円筒部の一方の開口端が球殻形状の外壁球殻部に閉止されている。
The housing
筐体内壁19は、円筒形状の内壁円筒部を有して、内壁円筒部の一方の開口端が球殻形状の内壁球殻部に閉止されている。内壁円筒部の外径は、外壁円筒部の内径よりも小さく形成されている。同様に、内壁球殻部の外径は、外壁球殻部の内径よりも小さく形成されている。
The housing
筐体内壁19は、筐体外壁18と同軸上に配置されて、筐体外壁18の内面と空隙を設けて筐体外壁18に内包される。この空隙に冷却水が供給されて、プラズマにより生じた熱によって加熱されたブランケット12を除熱する。ブランケット12の熱を回収した冷却水は配管を介して回収される。
The housing
筐体内壁19内には、増殖材が充填された増殖層22が内部に形成された増殖管17が挿入されている。増殖管17の管内部は、多層構造になっており、中心に増殖層22が設けられており、増殖層22の周囲には冷却水を循環させる冷媒層23が設けられる。増殖管17が挿入された筐体内壁19の残りのスペースには、増倍材が充填されて増倍層24が形成される。なお、増殖材として、中性子照射によってヘリウムが生成され体積が膨張するため、ペブルと呼ばれる直径1〜2mmのチタン酸リチウムの小球を用いる。増倍材として、直径1〜2mmのベリリウムの小球を用いる。
A
フランジ21は、筐体外壁18と筐体内壁19とで形成された筐体20の他方の開放端を閉止する。冷却水を供給及び回収する配管及びトリチウムを回収するための搬出ガスを供給及び回収する配管が、フランジ21を介してブランケット12に取り付けられる。
The
リブ25は、筐体外壁18の内面と筐体内壁19の外面とで形成された空隙に設けられた、この空隙を仕切るための板である。リブ25により空隙が仕切られることで、フランジ21側の空隙から供給された冷却水が空隙内を流通して、球殻部分の空隙を経由して回収されるまでの冷却水の流路が設定される。
The
リブ25は、筐体内壁19の外面に固定して設けられる。したがって、筐体外壁18は、リブ25が表面に設けられた筐体内壁19を覆うように形成されている。なお、リブ25は、筐体外壁18の内面に固定して設けても良い。
The
そして、リブ25は、球殻部分の空隙(内壁球殻部の外面上)を流通する冷却水の流路を円筒部分の空隙(内壁円筒部の外面上)の流路よりも狭くなるように配置される。または、リブ25は、球殻部分の空隙を流通する冷却水の乱流を発生させるように配置される。なお、これらのリブ25の配置を組み合わせても良い。
The
流路が狭く設定されることで球殻部分の冷却水の流速が上がるため、球殻部分における筐体外壁18から冷却水への熱伝達率を上昇する。同じように、球殻部分を流通する冷却水が乱流して水が攪拌されることで、球殻部分における冷却水への熱伝達率を上昇する。プラズマ領域に近接して熱負荷が最も高い筐体外壁18から冷却水への熱伝達率が上昇すると、筐体20の球殻部における除熱性能が促進する。
Since the flow rate of the cooling water in the spherical shell portion increases as the flow path is set narrow, the heat transfer rate from the housing
図6は、球殻部分を流通する冷却水の流速を上げるリブ25の配置例を示している。なお、図6〜図9では、冷却水の流れを示すため、筐体外壁18の記載を省略して、筐体内壁19のみを記載している。
FIG. 6 shows an arrangement example of the
図6(A)は、内壁の正面図であり、図6(B)は、内壁の側面図であり、図6(C)は、内壁の上面図を示している。 6A is a front view of the inner wall, FIG. 6B is a side view of the inner wall, and FIG. 6C shows a top view of the inner wall.
図6の配置例では、リブ25は、球殻部分の天頂において冷却水の流速が最も早くなるように、球殻部の天頂に近づくにつれて流路の幅を狭くなるように配置して、天頂において流路が最も狭まるように設定されている。このようにリブ25を配置することで、球殻部の天頂付近において、冷却水の流速が高まる。これにより、天頂付近での熱伝達率が上昇して、球殻部分における除熱性能が促進する。
In the arrangement example of FIG. 6, the
図7は、球殻部分を流通する冷却水の流速を上げるとともに冷却水を乱流させるリブ25の配置例を示している。図7(A)は、内壁の正面図であり、図7(B)は、内壁の側面図であり、図7(C)は、内壁の上面図を示している。
FIG. 7 shows an arrangement example of the
図7の配置例では、リブ25は、球殻部分において、冷却水が流通する方向と直交する方向に上下方向から交互に追加のリブ25を配置している。冷却水が流通する方向を妨げる方向にリブ25を複数設定することにより、球殻部分において流路が狭まり冷却水の流速が高まる。同時に冷却水の乱流が発生して水が攪拌される。これにより、球殻部分での熱伝達率が上昇して除熱性能が促進する。
In the arrangement example of FIG. 7, the
図8は、球殻部分を流通する冷却水の流速を上げるとともに冷却水を乱流させるリブ25のその他の配置例を示している。図8(A)は、内壁の正面図であり、図8(B)は、内壁の側面図を示している。
FIG. 8 shows another arrangement example of the
図8では、球殻部分の天頂付近に、半円状の2つのリブ25を、中心位置をずらし、冷却水が流通する方向を妨げる方向に配置している。半円状の2つのリブ25の存在により球殻部分において冷却水の流路幅が狭まり流速が高まるとともに冷却水の乱流が発生して球殻部分において水が攪拌される。
In FIG. 8, two
図9は、球殻部分を流通する冷却水の流速を上げるとともに冷却水を乱流させるリブ25のその他の配置例を示している。図9(A)は、内壁の正面図であり、図9(B)は、内壁の側面図を示している。
FIG. 9 shows another arrangement example of the
図9では、球殻部に設定されるリブ25を渦状に配置しており、冷却水は渦に沿って流通する。渦状に配置されたリブ25により、球殻部分において冷却水の流路幅が狭まり流速が高まるとともに冷却水の乱流が発生して球殻部分において水が攪拌される。
In FIG. 9, the
このように、球殻部分を流通する冷却水の流速を高める、または、冷却水が乱流するようにリブ25を設定することで、球殻部分における熱伝導率が上昇して、除熱性能が促進する。これにより、球殻部分における熱負荷は低減されて、供用状態における筐体20の最高温度は低下する。
Thus, by increasing the flow rate of the cooling water flowing through the spherical shell part, or by setting the
筐体20の最高温度が低下すると、筐体20の最高温度に応じて決定される筐体直径の上限値が緩和する。このため、筐体20(筐体外壁18及び筐体内壁19)の直径を大きくすることができる。これにより、筐体20内の構造材の占める割合を減らすことができるため(増殖材、増倍材の占める割合を増やすことができるため)、中性子の減衰吸収を抑制でき、増殖材及び増倍材と核反応する中性子の数を増加するため、高いトリチウム増殖比を実現できる。
When the maximum temperature of the
(第2実施形態)
図10(A)は、第2実施形態に係るブランケット12の構成を示す縦断面図であり、図10(B)は、図10(A)のII−II断面を示している。なお、図10において第1実施形態(図4)と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 10A is a longitudinal sectional view showing the configuration of the
第2実施形態におけるブランケット12が第1実施形態と異なる点は、筐体外壁18、筐体内壁19、及びリブ25を溶接部材26を介して接合して、筐体外壁18と筐体内壁19とを一体化した点にある。筐体20の円筒部における溶接については、図10(B)に示すように円筒部の面に対して軸方向に沿って面状に溶接を行っても良いし、円筒部の複数のポイントにおいて点状に溶接を行っても良い。
The
接合には、電子ビーム溶接、レーザー溶接、HIP(Hot Isostatic Press)、拡散接合等を適用する。 For the joining, electron beam welding, laser welding, HIP (Hot Isostatic Press), diffusion joining, or the like is applied.
筐体外壁18と筐体内壁19とを一体化することで、筐体20の構造強度を高めることができる。また、リブ25を挟んで筐体外壁18と筐体内壁19とを接合することで、リブ25が接合の補助材として働き、構造強度がより高まる効果がある。
The structural strength of the
筐体20の構造強度が高まることで、筐体20の板厚を削減して筐体20の直径を大きくすることができる。これにより、高いトリチウム増殖比を実現できる。なお、図10では、球殻部分及び円筒部分のいずれも溶接部材26を介して接合されているが、いずれか一方のみを接合する構成でも良い。
By increasing the structural strength of the
(第3実施形態)
図11は、第3実施形態に係るブランケット12の構成を示す横断面図である。なお、縦断面図については、筐体が1重壁となる点、リブ25を有しない点を除いて図4(第1実施形態の縦断面図)と同じとなるため記載を省略する。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the
第3実施形態におけるブランケット12は、円筒形状の円筒部を有し、円筒部の一方の開口端が球殻形状の球殻部に閉止されて、中性子との核反応によりトリチウムを生成する増殖材と中性子との核反応により中性子を生成する増倍材とを内部に備えた一重壁筐体27と、一重壁筐体27の他方の開放端を閉止して、冷却水を筐体内に供給及び回収する配管及びトリチウムを回収するための搬出ガスを供給及び回収する配管が取り付けられるフランジと、円筒部の壁面内部に穿孔して設けられた冷却水の流路28と、を備えている。
The
第3実施形態では、筐体を一重壁として、円筒部の壁面内に冷却水が流通する流路28を穿孔して設ける。第1実施形態(図4)では、筐体外壁18、筐体内壁19、及びリブ25の3つの部材で冷却水の流路を形成していたが、第3実施形態では壁面内に冷却水の流路を設けている。
In the third embodiment, the housing is a single wall, and the
流路28は、円筒部の壁面内を軸方向に沿って穿孔されて形成される。図10に示すように、一重壁筐体27の壁面内には流路28が円筒部の径方向に多数設けられる。円筒部の壁面内を軸方向に沿って形成された流路28は、円筒部の端部で折り返して冷却水の流通路を形成しても良く、球殻部の壁面内部に冷却水の流路28を穿孔して、円筒部の流路28と接続させて、球殻部を経由するように冷却水の流通路を形成しても良い。
The
流路28は、機械加工(ガンドリル等)、放電加工、電界加工などにより形成する。
The
このように円筒部の壁面内に流路28を設けた場合、熱負荷を受ける筐体表面から冷却水までの距離が短くなるため、除熱性能が向上する。
Thus, when the
さらに、冷却水の流路に発生する円周方向応力は、(流路の内部圧力)×(筐体の半径)/(筐体の板厚)に比例する。図4に示すように筐体20を2重壁で構成した場合、半径は筐体外壁18(または筐体外壁18)の内径Rとなる。一方、第3実施形態に係るブランケット12では、流路28の半径rとなるため、円周方向応力が大幅に低減される。
Further, the circumferential stress generated in the flow path of the cooling water is proportional to (internal pressure of the flow path) × (radius of the casing) / (plate thickness of the casing). As shown in FIG. 4, when the
このため、冷却水の体積を減らすことができるとともに、筐体の板厚を減少させることができ、高いトリチウム増殖比を実現できる。 For this reason, while being able to reduce the volume of a cooling water, the board thickness of a housing | casing can be reduced and a high tritium breeding ratio is realizable.
また、第1実施形態に係るブランケット12のように2重壁で構成した場合、筐体外壁18に内包されている筐体内壁19の溶接の健全性を確認することは困難となる。一方、第3実施形態に係るブランケット12では、1重の筐体で構成されるため、溶接の健全性を確認することができる。
Moreover, when comprised with a double wall like the
なお、円筒部の壁面内に流路28を設けるブランケット12の除熱性能は高いため、一重壁筐体27の円筒部をプラズマの第一壁になるように配置しても良い。
In addition, since the heat removal performance of the
(第4実施形態)
図12(A)は、第4実施形態に係るブランケット12の構成図を示している。なお、図12において第1実施形態(図4)に示すブランケット12と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 12A shows a configuration diagram of the
第4実施形態におけるブランケット12では、筐体内壁19の内面(内壁球殻部及び内壁円筒部の内面)近傍及び筐体内壁19の内部でフランジ21の表面近傍に増殖材を含む増殖層22を配置する。なお、増殖層22の配置方法は、筐体内壁19の内面近傍に沿って形成された内面カバー(図示省略)を設けて、このカバーと筐体内壁19の内面との空間に増殖材を充填して形成する。同様に、フランジ21の表面近傍に内面カバーを設けて、このカバーとフランジ21表面との空間に増殖材を充填する。
In the
このように、筐体内壁19の内部を取り囲むように増殖層22を配置することで、プラズマ対向面及び隣り合うブランケット12同士の隙間から筐体20内に侵入して、構造材や冷却水との衝突により減速された中性子や、増倍層24側から後方に散乱してくる中性子を増倍層24で捕捉する割合が高まる。このため、核反応が促進されて、トリチウム増殖比を向上させることができる。
Thus, by arranging the
図12(B)、図12(A)に示すブランケット12の変形例を示しており、筐体内壁19の円筒部の内面近傍に配置される増殖層22が球殻部側からフランジ方向に沿って漸次厚くなるように配置している。なお、フランジ21の表面近傍に設ける増殖層については、より厚く設置されることが望ましい。
12 (B) and 12 (A) show a modified example of the
増殖材であるリチウムは低エネルギー側の反応断面積が大きくなる性質がある。一方、プラズマ側の中性子スペクトルは高エネルギーが多くフランジ21側に近づくにつれ次第に減衰して低エネルギー成分が多くなる。つまり、低エネルギーの中性子の多いフランジ21側の増殖材の厚みを厚くすることで、核反応が促進されて、トリチウム増殖比を向上させることができる。
Lithium, which is a breeding material, has the property of increasing the reaction cross section on the low energy side. On the other hand, the neutron spectrum on the plasma side has a high energy and gradually attenuates as it approaches the
図13は、本実施形態に係るブランケット12の支持構造を示している。なお、支持構造に適用されるブランケット12は、第1実施形態から第4実施形態に係るブランケット12のいずれも適用できる。
FIG. 13 shows a support structure for the
複数のブランケット12を支持する支持体15は、核融合炉の外部への中性子漏れを防止する遮蔽部33を有している。このため、ブランケット12内の増殖材及び増倍材と核反応しなかった中性子は遮蔽部33で遮蔽(喪失)される。
The
本実施形態に係るブランケット12の支持構造では、遮蔽部33における中性子の喪失を防ぐために、ブランケット12と遮蔽部33との間に中性子反射体32を配置する。
In the support structure for the
具体的には、中性子反射体32が、複数のブランケット12を支持する支持体15におけるプラズマに対向する面上に設置される。なお、中性子反射体32の材料としては、黒鉛やタングステンが例示される。
Specifically, the
このように、中性子反射体32を用いて中性子を反射させて再度ブランケット12内部の増殖層22及び増倍層24の領域に戻して核反応を生じさせる。これにより、核反応が促進されて、トリチウム増殖比を向上させることができる。
In this way, the neutron is reflected by using the
以上述べた各実施形態の核融合炉用ブランケットによれば、2重壁内の空隙に設けるリブを用いて、球殻部分を流通する冷却水の流速を高める、または、冷却水を乱流させることより、冷却水の熱伝導率が高まり、筐体の温度を低減できる。これにより、筐体の直径を大きくすることができ、筐体内の構造材の占める割合を減らすことができるため(増殖材、増倍材の占める割合を増やすことができるため)、高いトリチウム増殖率を実現することができる。 According to the fusion reactor blanket of each embodiment described above, the flow rate of the cooling water flowing through the spherical shell portion is increased or the cooling water is turbulent using the ribs provided in the gaps in the double walls. As a result, the thermal conductivity of the cooling water increases and the temperature of the housing can be reduced. As a result, the diameter of the housing can be increased, and the proportion of the structural material in the housing can be reduced (because the proportion of the breeding material and the multiplication material can be increased), so a high tritium breeding rate. Can be realized.
なお、ブランケット内部に供給される冷却水として水に代えて重水を用いても良い。重水は軽水と比較すると中性子の吸収断面積が小さく中性子の減衰が少ない。このため、増殖材と反応する中性子の割合が高いためトリチウム生成に寄与する。 In addition, heavy water may be used instead of water as the cooling water supplied into the blanket. Heavy water has a smaller neutron absorption cross-section and less neutron attenuation than light water. For this reason, since the ratio of the neutron which reacts with a propagation material is high, it contributes to tritium production | generation.
したがって、重水を用いることで、冷却水の流路の体積を増やしてもトリチウム増殖比の低下が少ないことから冷却水の流路体積を増やして除熱性能を上げて、その分、冷却水の流速を落とすことも可能となる。冷却水の流速を低下させれば構造材料の腐食代を減らすことができるため、機器の長寿命化や構造材の薄肉化を実現することができる。 Therefore, by using heavy water, even if the volume of the cooling water flow path is increased, the decrease in the tritium growth ratio is small, so the heat removal performance is improved by increasing the flow volume of the cooling water, It is also possible to reduce the flow velocity. If the flow rate of the cooling water is reduced, the corrosion allowance of the structural material can be reduced, so that it is possible to extend the life of the equipment and reduce the thickness of the structural material.
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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…核融合炉、11…真空容器、12…核融合炉用ブランケット(ブランケット)、13…超伝導コイル、14…ダイバータ、15…支持体、16…配管、17…増殖管、18…筐体外壁、19…筐体内壁、20…筐体、21…フランジ、22…増殖層、23…冷媒層、24…増倍層、25…リブ、26…溶接部材、27…一重壁筐体、28…流路、32…中性子反射体、33…遮蔽部。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
内壁円筒部を有し、前記内壁円筒部の前記一方の開口端が内壁球殻部に閉止されるとともに前記筐体外壁の内面と空隙を設けて前記筐体外壁に内包され、増殖材と増倍材とを備えた筐体内壁と、
前記筐体内壁と前記筐体外壁とで形成された筐体の他方の開放端を閉止して、冷却水を前記筐体内に供給及び回収する冷却水用配管を含む配管が取り付けられたフランジと、
前記空隙に設けられ、前記冷却水の流路を設定するリブであって、前記内壁球殻部の外面上における前記冷却水の流速を前記内壁円筒部の外面上における流速より速くする配置、及び、前記内壁球殻部上の前記冷却水に乱流を発生させる配置の少なくとも一方に配置されるリブと、を備えることを特徴とする核融合炉用ブランケット。 A housing outer wall having an outer wall cylindrical portion, wherein one open end of the outer wall cylindrical portion is closed to the outer wall spherical shell;
An inner wall cylindrical portion, the one open end of the inner wall cylindrical portion is closed by an inner wall spherical shell portion, and an inner surface and a gap are provided in the outer wall of the housing so that the inner wall is enclosed in the outer wall of the housing. A housing inner wall with a doubler,
A flange to which piping including cooling water piping for supplying and recovering cooling water into the housing is closed by closing the other open end of the housing formed by the housing inner wall and the housing outer wall; ,
A rib that is provided in the gap and sets the flow path of the cooling water, the flow rate of the cooling water on the outer surface of the inner wall spherical shell portion being higher than the flow rate on the outer surface of the inner wall cylindrical portion; and And a rib arranged in at least one of the arrangements for generating a turbulent flow in the cooling water on the inner wall spherical shell.
円筒形状の内壁円筒部を有し、前記内壁円筒部の前記一方の開口端が球殻形状の内壁球殻部に閉止されるとともに前記筐体外壁の内面と空隙を設けて前記筐体外壁に内包されて、中性子との核反応によりトリチウムを生成する増殖材と中性子との核反応により中性子を生成する増倍材とを内部に備えた筐体内壁と、
前記筐体内壁と前記筐体外壁とで形成された筐体の他方の開放端を閉止して、冷却水を前記筐体内に供給及び回収する配管及びトリチウムを回収するための搬出ガスを供給及び回収する配管が取り付けられたフランジと、
前記空隙に設けられ、前記空隙に供給され回収される前記冷却水の流路を設定するリブであって、前記内壁球殻部の外面上における前記冷却水の流路を前記内壁円筒部の外面上における流路よりも狭くする配置、及び、前記内壁球殻部の外面上を流通する前記冷却水の乱流を発生させる配置の少なくとも一方に配置されるリブと、を備えることを特徴とする核融合炉用ブランケット。 A housing outer wall having a cylindrical outer wall cylindrical portion, wherein one open end of the outer wall cylindrical portion is closed to a spherical shell outer wall spherical shell portion;
A cylindrical inner wall cylindrical portion, and the one open end of the inner wall cylindrical portion is closed to a spherical shell inner wall spherical shell portion, and an inner surface and a gap are provided on the outer wall of the housing, A housing inner wall that is internally encapsulated with a multiplication material that generates tritium by a nuclear reaction with neutrons and a multiplication material that generates neutrons by a nuclear reaction with neutrons;
Closing the other open end of the casing formed by the casing inner wall and the casing outer wall, supplying piping for supplying and recovering cooling water into the casing, and supply gas for recovering tritium, and A flange with a pipe to be collected;
Ribs provided in the gap and configured to set a flow path of the cooling water that is supplied to and recovered in the gap, and the flow path of the cooling water on the outer surface of the inner wall spherical shell portion is the outer surface of the inner wall cylindrical portion. And a rib disposed in at least one of an arrangement that is narrower than the upper flow path and an arrangement that generates a turbulent flow of the cooling water that circulates on the outer surface of the inner wall spherical shell portion. Blanket for fusion reactor.
前記一重壁筐体の他方の開放端を閉止して、冷却水を前記一重壁筐体内に供給及び回収する配管及びトリチウムを回収するための搬出ガスを供給及び回収する配管が取り付けられたフランジと、
前記円筒部の壁面内部に穿孔して設けられた前記冷却水の流路と、を備えることを特徴とする核融合炉用ブランケット。 A cylindrical portion having a cylindrical shape, and the one open end of the cylindrical portion is closed to a spherical shell portion, and by a nuclear reaction between a breeding material and a neutron that generates tritium by a nuclear reaction with a neutron A single-wall housing with a multiplier to generate neutrons inside,
A flange to which the other open end of the single wall casing is closed, a pipe for supplying and recovering cooling water into the single wall casing, and a pipe for supplying and recovering a discharge gas for recovering tritium; ,
A blanket for a nuclear fusion reactor, comprising: a flow path for the cooling water provided by drilling inside a wall surface of the cylindrical portion.
請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の核融合炉用ブランケットと、
複数の前記核融合炉用ブランケットを支持する支持体と、
前記支持体におけるプラズマに対向する面に設けられた中性子反射体と、を備えることを特徴とする核融合炉用ブランケットの支持構造。 A support structure for a fusion reactor blanket,
A blanket for a nuclear fusion reactor according to any one of claims 1 to 10,
A support for supporting the plurality of fusion reactor blankets;
A support structure for a fusion reactor blanket, comprising: a neutron reflector provided on a surface of the support opposite to the plasma.
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