JP3643086B2 - 固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置 - Google Patents
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- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱流束に曝される環境下において、高熱流束を効率的に除去する装置に関するものである。特に、本発明は、核融合炉の真空容器内に設けられたプラズマチャンバー下部の固体壁上面に流される熱流束除去用の液体金属又は溶融塩に金属又は塩から成る浮遊粒子を混入させ、その融解熱を利用したことを特徴とする高熱流束除去装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な高熱流束除去装置であるトカマク型核融合炉のダイバータとしては、銅合金等でできたダイバータ板上にタングステンなどのアーマー材を接合してプラズマからの熱流束を除去する固体壁ダイパ一夕が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
核融合動力炉においては、経済性を高めるために炉の形状をコンパクトにして核融合出力を高くすることが要求されるため、プラズマからの熱流束が高くなり、固体壁ダイバータでは、熱応力のような厳しい機械力学的状態の観点から、２０ＭＷ／ｍ2を超える高熱流束を除去するのは極めて困難になるという問題がある。
【０００４】
このような問題の１つの解決策として、固体壁上をリチウムやガリウムなどの液体金属や溶融塩ＦＬｉＢｅ（フリーベ：ＬｉＦとＢｅＦ2の二成分混合塩）などの液体を、そのまま流して熱除去するという液体ダイバータが提案されている。
【０００５】
しかし、これらの提案では、液体金属や溶融塩ＦＬｉＢｅは熱流束に曝される液膜表面のみが高温になって飽和蒸気量が増え、プラズマ中への不純物混入の観点から除熱限界は固体壁ダイバータと比べて同程度かそれ以下にしかならないという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明に係る固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置は、傾斜した固体壁上を流れる液体金属または溶融塩に金属または塩から成る浮遊粒子を混入させることで、高熱流束を浮遊粒子の融解熱で吸収し、これを効果的に核融合炉外に搬出して除去し得るよう、液体よりも比重の小さい金属または塩を選択するか、金属または塩で製造した粒子中に重水素またはヘリウムなどの気体を予め注入しておいて浮力を発生させるように工夫したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
一般に液体中に固体の粒子を混入させた固液混相流は、固体の融解熱を利用すれば、融解熱は比熱よりも熱容量が大きいので、非常に大きな熱容量を確保できることが知られている。
【０００８】
固体粒子は、浮力を発生させることにより自由液面上を浮遊し、高熱流束に曝されて融解する。粒子の融点を、プラズマ中への不純物混入の観点から問題とならない液体の飽和蒸気温度以下になるような金属または塩を選択すれば、全ての浮遊粒子が融解するまで液体の表面温度は一定に保たれ、プラズマの生成を継続することができる。
【０００９】
例えば、液体金属としてガリウム（融点３０℃）を使用すれば、浮遊粒子を構成する金属としては、リチウム（融点１８１℃）、すず（融点２３２℃） 等が使用される。又、溶融塩としてＦＬｉＢｅ溶融塩［ＬｉＦ（１６）−ＢｅＦ2（３４）］（融点４５９℃）を使用すれば、浮遊粒子を構成する塩としては、ＬｉＦとＢｅＦ2の成分モル比を変えたＦＬｉＢｅ塩［ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）］（融点５１５℃）等が使用される。なお、上記ＦＬｉＢｅの分子式表示中（ ）内の数値は二成分のモル比を示している。
【００１０】
また、液体の温度は表面温度以上に上昇することはないので、液体金属または溶融塩を支持する固体壁として、粒子の融点付近では強度上問題とならない一般的な材料（例えば鉄鋼）を選択できる。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。先ず図１を参照するが、この図は本発明の固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置の全体構成を、核融合炉を例にして図式的に示したものである。即ち、トカマク型核融合装置の真空容器内プラズマチャンバー下部に自由液面流体を流した構造の立面片断面図である。
【００１２】
図１において、真空容器１内のプラズマチャンバー２下部のインボード側とアウトボード側に液体注入口３をトーラス方向に連続的に一周させて設ける。注入口から流入した固液混相自由液面流体４はプラズマ６からの熱流束、トリチウム等を吸収し、不純物とともに排出口５から強制的に排出させる。本発明においては、この注入口から流入した液体金属または溶融塩に金属または塩から成る浮遊粒子を混入させた高熱流束除去装置を用いる。
【００１３】
（実施例２）
図２に高熱流束１１と固液混相自由液面１２の流体１３を用いた高熱流束除去装置との作動時の関係が拡大して概念的に示されている。即ち、自由液面流体として固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置と固体壁の関係を示した概念的断面図である。
【００１４】
図２を参照して固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置の原理及び作用を説明すると、図１のプラズマチャンバー下部に相当する傾斜した固体壁１４に沿って流した液体金属または溶融塩１３は、金属または塩で製造した浮遊粒子１５とともに重力により上方から流入してくる。浮遊粒子１５は液体よりも比重の小さい固体材料で製造するか、比重の大きい材料でも粒子中に気体を注入して製造できる。浮遊粒子１５は高熱流束１１に曝されて徐々に溶融してゆき、気体が放出した一部の粒子１６は、液体金属または溶融塩１３中に沈みながら排出口へと導かれる。
【００１５】
（実施例３）
図３は、プラズマチャンバー下部に相当する傾斜した固体壁上で固液混相自由液面流体を流した概念適用図である。即ち、本発明の核融合炉ダイバータヘの適用例としてＦＬｉＢｅ溶融塩［ＬｉＦ（６６）−ＢｅＦ2（３４）］２４とＦｌｉＢｅ塩［ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）］で製造した浮遊粒子２５から成る固液混相自由液面流体をプラズマチャンバー下部に相当する傾斜した鉄鋼製固体壁２２上に設置した概念図を示している。
【００１６】
ＦｌｉＢｅはＬｉＦとＢｅＦ2の二成分混合塩であるため、それぞれの成分モル比が変わることで融点が異なるのを利用している。ＬｉＦ（６６）−ＢｃＦ2（３４）の融点は４５９℃で、ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）の融点は５１５℃である。
【００１７】
液体注入口２３から流入したＬｉＦ（６６）−ＢｅＦ2（３４）溶融塩２４は、重水素またはヘリウムを内包したＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）塩で製造した浮遊粒子２５を伴いながら高熱流束２７を浮遊粒子２５の融解熱で吸収し、一部溶融して気体を放出後に沈降したＬｉＦ（２５）−ＢｃＦ2（７５）塩の粒子２１とともに排出口２６から流出していく。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により、高熱流束を受ける固液混相自由液面流体において浮遊粒子の量を加減することで固体粒子の融解熱を利用した多量の熱除去が可能になり、液体表面の温度を固体粒子の融点付近に維持できる。ＦＬｉＢｅのような二成分混合塩の成分モル比を変えることにより溶融塩と同一成分の塩で浮遊粒子が製造でき、核融合ブラズマヘの影響を少なくできる。
【００１９】
また、ＬｉＦ（６６）−ＢｃＦ2（３４）溶融塩の温度がＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）塩の融点５１５℃を超えなければ、飽和蒸気圧は１．６×１０-5ｋＰａ程度であり、プラズマヘの不純物混入を抑えることができる。固液混相自由液面流体を支える固体壁と接する部分の液体の温度が５００℃程度以下であれば固体壁として鉄鋼などの一般金属の使用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トカマク型核融合装置の真空容器内プラズマチャンバー下部に自由液面流体を用いた高熱流束除去装置を取り付けた構造の立面片断面図である。
【図２】前記の自由液面流体として固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置装置と固体壁の概念的断面図である。
【図３】プラズマチャンバー下部に相当する傾斜した固体壁上で固液混相自由液面流体を流した概念適用図である。
【符号の説明】
１：真空容器、２：プラズマチャンバー、３：液体注入口、４：固液混相自由液面流体、５：排出口、６：プラズマ、７：トカマク型核融合装置のトーラス中心線、１１：熱流束、１２：自由液面、１３：液体金属または溶融塩、１４：固体壁、１５：浮遊粒子、１６：沈降粒子、２１：沈降粒子、２２：傾斜した固体壁、２３：液体注入口、２４：ＦＬｉＢｅ溶融塩［ＬｉＦ（６６）−ＢｅＦ2（３４）］、２５：ＦｌｉＢｅ塩［ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）］、２６：排出口、２７：高熱流束
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱流束に曝される環境下において、高熱流束を効率的に除去する装置に関するものである。特に、本発明は、核融合炉の真空容器内に設けられたプラズマチャンバー下部の固体壁上面に流される熱流束除去用の液体金属又は溶融塩に金属又は塩から成る浮遊粒子を混入させ、その融解熱を利用したことを特徴とする高熱流束除去装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
代表的な高熱流束除去装置であるトカマク型核融合炉のダイバータとしては、銅合金等でできたダイバータ板上にタングステンなどのアーマー材を接合してプラズマからの熱流束を除去する固体壁ダイパ一夕が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
核融合動力炉においては、経済性を高めるために炉の形状をコンパクトにして核融合出力を高くすることが要求されるため、プラズマからの熱流束が高くなり、固体壁ダイバータでは、熱応力のような厳しい機械力学的状態の観点から、２０ＭＷ／ｍ2を超える高熱流束を除去するのは極めて困難になるという問題がある。
【０００４】
このような問題の１つの解決策として、固体壁上をリチウムやガリウムなどの液体金属や溶融塩ＦＬｉＢｅ（フリーベ：ＬｉＦとＢｅＦ2の二成分混合塩）などの液体を、そのまま流して熱除去するという液体ダイバータが提案されている。
【０００５】
しかし、これらの提案では、液体金属や溶融塩ＦＬｉＢｅは熱流束に曝される液膜表面のみが高温になって飽和蒸気量が増え、プラズマ中への不純物混入の観点から除熱限界は固体壁ダイバータと比べて同程度かそれ以下にしかならないという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明に係る固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置は、傾斜した固体壁上を流れる液体金属または溶融塩に金属または塩から成る浮遊粒子を混入させることで、高熱流束を浮遊粒子の融解熱で吸収し、これを効果的に核融合炉外に搬出して除去し得るよう、液体よりも比重の小さい金属または塩を選択するか、金属または塩で製造した粒子中に重水素またはヘリウムなどの気体を予め注入しておいて浮力を発生させるように工夫したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
一般に液体中に固体の粒子を混入させた固液混相流は、固体の融解熱を利用すれば、融解熱は比熱よりも熱容量が大きいので、非常に大きな熱容量を確保できることが知られている。
【０００８】
固体粒子は、浮力を発生させることにより自由液面上を浮遊し、高熱流束に曝されて融解する。粒子の融点を、プラズマ中への不純物混入の観点から問題とならない液体の飽和蒸気温度以下になるような金属または塩を選択すれば、全ての浮遊粒子が融解するまで液体の表面温度は一定に保たれ、プラズマの生成を継続することができる。
【０００９】
例えば、液体金属としてガリウム（融点３０℃）を使用すれば、浮遊粒子を構成する金属としては、リチウム（融点１８１℃）、すず（融点２３２℃） 等が使用される。又、溶融塩としてＦＬｉＢｅ溶融塩［ＬｉＦ（１６）−ＢｅＦ2（３４）］（融点４５９℃）を使用すれば、浮遊粒子を構成する塩としては、ＬｉＦとＢｅＦ2の成分モル比を変えたＦＬｉＢｅ塩［ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）］（融点５１５℃）等が使用される。なお、上記ＦＬｉＢｅの分子式表示中（ ）内の数値は二成分のモル比を示している。
【００１０】
また、液体の温度は表面温度以上に上昇することはないので、液体金属または溶融塩を支持する固体壁として、粒子の融点付近では強度上問題とならない一般的な材料（例えば鉄鋼）を選択できる。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。先ず図１を参照するが、この図は本発明の固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置の全体構成を、核融合炉を例にして図式的に示したものである。即ち、トカマク型核融合装置の真空容器内プラズマチャンバー下部に自由液面流体を流した構造の立面片断面図である。
【００１２】
図１において、真空容器１内のプラズマチャンバー２下部のインボード側とアウトボード側に液体注入口３をトーラス方向に連続的に一周させて設ける。注入口から流入した固液混相自由液面流体４はプラズマ６からの熱流束、トリチウム等を吸収し、不純物とともに排出口５から強制的に排出させる。本発明においては、この注入口から流入した液体金属または溶融塩に金属または塩から成る浮遊粒子を混入させた高熱流束除去装置を用いる。
【００１３】
（実施例２）
図２に高熱流束１１と固液混相自由液面１２の流体１３を用いた高熱流束除去装置との作動時の関係が拡大して概念的に示されている。即ち、自由液面流体として固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置と固体壁の関係を示した概念的断面図である。
【００１４】
図２を参照して固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置の原理及び作用を説明すると、図１のプラズマチャンバー下部に相当する傾斜した固体壁１４に沿って流した液体金属または溶融塩１３は、金属または塩で製造した浮遊粒子１５とともに重力により上方から流入してくる。浮遊粒子１５は液体よりも比重の小さい固体材料で製造するか、比重の大きい材料でも粒子中に気体を注入して製造できる。浮遊粒子１５は高熱流束１１に曝されて徐々に溶融してゆき、気体が放出した一部の粒子１６は、液体金属または溶融塩１３中に沈みながら排出口へと導かれる。
【００１５】
（実施例３）
図３は、プラズマチャンバー下部に相当する傾斜した固体壁上で固液混相自由液面流体を流した概念適用図である。即ち、本発明の核融合炉ダイバータヘの適用例としてＦＬｉＢｅ溶融塩［ＬｉＦ（６６）−ＢｅＦ2（３４）］２４とＦｌｉＢｅ塩［ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）］で製造した浮遊粒子２５から成る固液混相自由液面流体をプラズマチャンバー下部に相当する傾斜した鉄鋼製固体壁２２上に設置した概念図を示している。
【００１６】
ＦｌｉＢｅはＬｉＦとＢｅＦ2の二成分混合塩であるため、それぞれの成分モル比が変わることで融点が異なるのを利用している。ＬｉＦ（６６）−ＢｃＦ2（３４）の融点は４５９℃で、ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）の融点は５１５℃である。
【００１７】
液体注入口２３から流入したＬｉＦ（６６）−ＢｅＦ2（３４）溶融塩２４は、重水素またはヘリウムを内包したＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）塩で製造した浮遊粒子２５を伴いながら高熱流束２７を浮遊粒子２５の融解熱で吸収し、一部溶融して気体を放出後に沈降したＬｉＦ（２５）−ＢｃＦ2（７５）塩の粒子２１とともに排出口２６から流出していく。
【００１８】
【発明の効果】
本発明により、高熱流束を受ける固液混相自由液面流体において浮遊粒子の量を加減することで固体粒子の融解熱を利用した多量の熱除去が可能になり、液体表面の温度を固体粒子の融点付近に維持できる。ＦＬｉＢｅのような二成分混合塩の成分モル比を変えることにより溶融塩と同一成分の塩で浮遊粒子が製造でき、核融合ブラズマヘの影響を少なくできる。
【００１９】
また、ＬｉＦ（６６）−ＢｃＦ2（３４）溶融塩の温度がＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）塩の融点５１５℃を超えなければ、飽和蒸気圧は１．６×１０-5ｋＰａ程度であり、プラズマヘの不純物混入を抑えることができる。固液混相自由液面流体を支える固体壁と接する部分の液体の温度が５００℃程度以下であれば固体壁として鉄鋼などの一般金属の使用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トカマク型核融合装置の真空容器内プラズマチャンバー下部に自由液面流体を用いた高熱流束除去装置を取り付けた構造の立面片断面図である。
【図２】前記の自由液面流体として固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置装置と固体壁の概念的断面図である。
【図３】プラズマチャンバー下部に相当する傾斜した固体壁上で固液混相自由液面流体を流した概念適用図である。
【符号の説明】
１：真空容器、２：プラズマチャンバー、３：液体注入口、４：固液混相自由液面流体、５：排出口、６：プラズマ、７：トカマク型核融合装置のトーラス中心線、１１：熱流束、１２：自由液面、１３：液体金属または溶融塩、１４：固体壁、１５：浮遊粒子、１６：沈降粒子、２１：沈降粒子、２２：傾斜した固体壁、２３：液体注入口、２４：ＦＬｉＢｅ溶融塩［ＬｉＦ（６６）−ＢｅＦ2（３４）］、２５：ＦｌｉＢｅ塩［ＬｉＦ（２５）−ＢｅＦ2（７５）］、２６：排出口、２７：高熱流束
Claims (1)
- 傾斜した固体壁上を流れる液体金属または溶融塩から成る自由液面流体と金属または塩から成る浮遊粒子とから構成される固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002087585A JP3643086B2 (ja) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | 固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002087585A JP3643086B2 (ja) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | 固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003279682A JP2003279682A (ja) | 2003-10-02 |
| JP3643086B2 true JP3643086B2 (ja) | 2005-04-27 |
Family
ID=29233725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002087585A Expired - Fee Related JP3643086B2 (ja) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | 固液混相自由液面流体を用いた高熱流束除去装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JP3643086B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP4737204B2 (ja) * | 2008-01-25 | 2011-07-27 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 | 熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム及び熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法 |
| CN104078084B (zh) * | 2014-07-18 | 2016-08-24 | 中国科学院大学 | 一种强磁场下的连续金属液膜生成装置及方法 |
-
2002
- 2002-03-27 JP JP2002087585A patent/JP3643086B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
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