JP3701610B2 - 核融合炉の真空排気システム - Google Patents
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- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
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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、大型核融合炉の大容量真空排気システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の大型核融合炉の真空排気システムは、クライオポンプを用いたものと、ターボ分子ポンプに代表される機械式ポンプを用いたものに大別される。しかしながら、クライオポンプは溜め込み式であり、間欠運転にならざるを得ない。又、気体を溜め込む吸着面は１０Ｋ以下の極低温に維持する必要があり、大容量の冷凍設備や冷却媒体を移送する断熱構造の移送配管等が必要となり、余分な冷凍エネルギーが必要となる。
【０００３】
一方、磁場中で運転を可能にしたセラミックターボ分子ポンプ等の機械式ポンプは連続運転が可能であるが、単機当たりの排気速度が小さく、核融合炉の真空排気システムでは数十台以上のポンプを炉心近傍に設置する必要があり、広い設置面積が必要となる問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの問題点を解決し、連続運転が可能で単機あたりの排気速度が大きく、効率的、経済的かつ安全性に優れた大型核融合炉の大容量真空排気システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するべく、液体金属蒸気の噴流で気体を排気するものであり、核融合炉のプラズマ閉じ込め磁場と液体金属に誘起される電流との相互作用で生じる電磁力の方向に該蒸気噴流を生成し、排気することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の態様】
図１に示されるように、核融合炉において、プラズマ２は、プラズマ閉じ込め磁場１の作用により真空容器３の内側に設けられたブランケット４内に発生する。このプラズマの発生の際に用いられた重水（Ｄ）、トリチウム（Ｔ）及びリチウム（Ｌｉ）、その際に生じたＨｅガスが、真空排気システム６によりプラズマ発生領域から除去される。このシステムにおいては、Ｌｉ等の金属が加熱され、その金属蒸気が液体金属ループ１３内において噴射されることによりプラズマ発生領域からの排気が行なわれる。排気処理に使用された金属蒸気は、冷却され、凝縮されて液体状態にされた後に加圧ポンプにより噴射ノズルに循環されて再使用される。
【０００７】
液体金属の噴射は、プラズマ閉じ込め磁場と液体金属に誘起される電流との相互作用で生じる電磁力の方向に、細く絞ったノズルからその金属蒸気を亜音速から超音速の速度で噴出させることにより、行なわれる。即ち、図2に示されるように、第1段から第4段の噴流ノズルへの液体金属供給パイプ中を流れる液体金属の流れ方向に、プラズマ閉じ込め磁場１６の強度の変動に伴って生ずる電流の流れ１７を誘起させ、その電流と閉じ込め磁場とで誘起される電磁力１８の方向に金属蒸気を噴出させる。
【０００８】
プラズマ発生領域からの排気の際には、循環使用される液体金属が、それぞれ、第1段噴流ノズル、第2段噴流ノズル、第3段噴流ノズル及び第4段噴流ノズルより亜音速から超音速の速度で噴射されることにより、真空排気システム６内が真空化され、そして吸気側バルブ７及び吐出側バルブ１４が開放されてプラズマ領域内のガスが排気されると、プラズマ発生領域内が真空状態に維持される。
【０００９】
本発明の真空排気システムが核融合炉のダイバータ（核融合反応で生成されるヘリウム不純物を排気する機器）に組み込まれた場合には、図3に示されるように、磁力線１９の配位を工夫して超高温のプラズマ２の粒子の一部がダイバータ５に流れ込むようにし、それが中性粒子の排気ガスとなって真空排気システムで排気され、その排気ガスの流れ２０がダイバータの排気孔を通してプラズマ領域から除去される。
以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１０】
【実施例】
図４の上図は、各種金属の蒸気圧線図であり、図４の下図は主な金属の物性値である。ここでは、リチウム（Ｌｉ）を使用した場合について説明する。重水素（Ｄ）とトリチウム（Ｔ）を燃料に用いたＤ−Ｔ核融合炉でＬｉは、次の反応によりＴ増殖に用いられる。
【００１１】
6Ｌｉ＋1ｎ→4Ｈｅ＋3Ｔ＋４．８ＭｅＶ
7Ｌｉ＋1ｎ→4Ｈｅ＋3Ｔ＋1ｎ−２．５ＭｅＶ
図2は核融合炉の真空ポートに設置した真空排気システムの断面図である。点線で囲んだ部分が本発明による真空排気システム６を示す。液体金属ループ１３のＬｉを１０００Ｋに加熱、維持すると１０2Pa程度の蒸気圧が得られ、これを液体金属ループ１３内で循環させる。この状態で第1段噴流ノズル８からＬｉ蒸気を噴出させて蒸気噴流の速度が約1000ｍ／ｓの超音速となるようにした。また、ノズル出口の内径を最適化して、第2段噴流ノズル１０、第3段噴流ノズル１１からの蒸気噴流速度を、それぞれ、約７００ｍ／ｓ、５００ｍ／ｓとした。さらに、第4段噴流ノズル１２からの蒸気噴流速度を約２００ｍ／ｓの亜音速となるようにした。
【００１２】
しかる後に吸気側バルブ７及びと吐出側バルブ１４とを開いてプラズマ２からＤＴ及び4Ｈｅガスを排気したところ、吸気口側の実効断面積が１ｍ2で、ＤＴガスの流量３０Ｐａ・ｍ3／ｓに対して５０ｍ3／ｓの実効排気速度が得られた。この時、吸気側バルブ７位置でのＤＴガスの圧力は０．６Ｐａで、しかも吐出側バルブ１４において１０2Ｐａまで昇圧され、トリチウム処理系１５へ移送された。この真空排気システムにより、核融合反応が連続的に維持された。
【００１３】
なお、動作用液体金属は本発明の実施例のＬｉに限定されるものではなく、亜音速から超音速の蒸気噴流を連続かつ安定に形成可能であれば、いずれの液体金属でも良いのはいうまでもない。
【００１４】
【発明の効果】
本発明により、核融合反応の連続運転が可能で単機当たりの排気速度が大きく、効果的、経済的かつ安全性に優れた大型核融合炉の大容量真空排気システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の核融合炉の真空排気システムを示す図である。
【図２】 本発明の核融合炉における、液体金属の流れ方向に電流を流し、その電流とプラズマ閉じ込め磁場とで誘起される電磁力の方向に、金属蒸気を噴出させて気体分子を排気する態様を示す図である。
【図３】 ダイバータにより核融合反応で生成されるヘリウム不純物を排気する態様を示す図である。
【図４】 各種金属の蒸気圧線図である。
【符号の説明】
１：プラズマ閉じ込め磁場
２：プラズマ
３：真空容器
４：ブランケット
５：ダイバータ
６：真空排気システム
７：吸気側バルブ
８：第1段噴流バルブ
９：金属蒸気
１０：第2段噴流バルブ
１１：第3段噴流バルブ
１２：第4段噴流バルブ
１３：液体金属ループ
１４：吐出側バルブ
１５：トリチウム
１６：閉じ込め磁場
１７：電流の流れ
１８：電磁力
１９：磁力線
２０：排気ガスの流れ
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型核融合炉の大容量真空排気システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の大型核融合炉の真空排気システムは、クライオポンプを用いたものと、ターボ分子ポンプに代表される機械式ポンプを用いたものに大別される。しかしながら、クライオポンプは溜め込み式であり、間欠運転にならざるを得ない。又、気体を溜め込む吸着面は１０Ｋ以下の極低温に維持する必要があり、大容量の冷凍設備や冷却媒体を移送する断熱構造の移送配管等が必要となり、余分な冷凍エネルギーが必要となる。
【０００３】
一方、磁場中で運転を可能にしたセラミックターボ分子ポンプ等の機械式ポンプは連続運転が可能であるが、単機当たりの排気速度が小さく、核融合炉の真空排気システムでは数十台以上のポンプを炉心近傍に設置する必要があり、広い設置面積が必要となる問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの問題点を解決し、連続運転が可能で単機あたりの排気速度が大きく、効率的、経済的かつ安全性に優れた大型核融合炉の大容量真空排気システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するべく、液体金属蒸気の噴流で気体を排気するものであり、核融合炉のプラズマ閉じ込め磁場と液体金属に誘起される電流との相互作用で生じる電磁力の方向に該蒸気噴流を生成し、排気することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の態様】
図１に示されるように、核融合炉において、プラズマ２は、プラズマ閉じ込め磁場１の作用により真空容器３の内側に設けられたブランケット４内に発生する。このプラズマの発生の際に用いられた重水（Ｄ）、トリチウム（Ｔ）及びリチウム（Ｌｉ）、その際に生じたＨｅガスが、真空排気システム６によりプラズマ発生領域から除去される。このシステムにおいては、Ｌｉ等の金属が加熱され、その金属蒸気が液体金属ループ１３内において噴射されることによりプラズマ発生領域からの排気が行なわれる。排気処理に使用された金属蒸気は、冷却され、凝縮されて液体状態にされた後に加圧ポンプにより噴射ノズルに循環されて再使用される。
【０００７】
液体金属の噴射は、プラズマ閉じ込め磁場と液体金属に誘起される電流との相互作用で生じる電磁力の方向に、細く絞ったノズルからその金属蒸気を亜音速から超音速の速度で噴出させることにより、行なわれる。即ち、図2に示されるように、第1段から第4段の噴流ノズルへの液体金属供給パイプ中を流れる液体金属の流れ方向に、プラズマ閉じ込め磁場１６の強度の変動に伴って生ずる電流の流れ１７を誘起させ、その電流と閉じ込め磁場とで誘起される電磁力１８の方向に金属蒸気を噴出させる。
【０００８】
プラズマ発生領域からの排気の際には、循環使用される液体金属が、それぞれ、第1段噴流ノズル、第2段噴流ノズル、第3段噴流ノズル及び第4段噴流ノズルより亜音速から超音速の速度で噴射されることにより、真空排気システム６内が真空化され、そして吸気側バルブ７及び吐出側バルブ１４が開放されてプラズマ領域内のガスが排気されると、プラズマ発生領域内が真空状態に維持される。
【０００９】
本発明の真空排気システムが核融合炉のダイバータ（核融合反応で生成されるヘリウム不純物を排気する機器）に組み込まれた場合には、図3に示されるように、磁力線１９の配位を工夫して超高温のプラズマ２の粒子の一部がダイバータ５に流れ込むようにし、それが中性粒子の排気ガスとなって真空排気システムで排気され、その排気ガスの流れ２０がダイバータの排気孔を通してプラズマ領域から除去される。
以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１０】
【実施例】
図４の上図は、各種金属の蒸気圧線図であり、図４の下図は主な金属の物性値である。ここでは、リチウム（Ｌｉ）を使用した場合について説明する。重水素（Ｄ）とトリチウム（Ｔ）を燃料に用いたＤ−Ｔ核融合炉でＬｉは、次の反応によりＴ増殖に用いられる。
【００１１】
6Ｌｉ＋1ｎ→4Ｈｅ＋3Ｔ＋４．８ＭｅＶ
7Ｌｉ＋1ｎ→4Ｈｅ＋3Ｔ＋1ｎ−２．５ＭｅＶ
図2は核融合炉の真空ポートに設置した真空排気システムの断面図である。点線で囲んだ部分が本発明による真空排気システム６を示す。液体金属ループ１３のＬｉを１０００Ｋに加熱、維持すると１０2Pa程度の蒸気圧が得られ、これを液体金属ループ１３内で循環させる。この状態で第1段噴流ノズル８からＬｉ蒸気を噴出させて蒸気噴流の速度が約1000ｍ／ｓの超音速となるようにした。また、ノズル出口の内径を最適化して、第2段噴流ノズル１０、第3段噴流ノズル１１からの蒸気噴流速度を、それぞれ、約７００ｍ／ｓ、５００ｍ／ｓとした。さらに、第4段噴流ノズル１２からの蒸気噴流速度を約２００ｍ／ｓの亜音速となるようにした。
【００１２】
しかる後に吸気側バルブ７及びと吐出側バルブ１４とを開いてプラズマ２からＤＴ及び4Ｈｅガスを排気したところ、吸気口側の実効断面積が１ｍ2で、ＤＴガスの流量３０Ｐａ・ｍ3／ｓに対して５０ｍ3／ｓの実効排気速度が得られた。この時、吸気側バルブ７位置でのＤＴガスの圧力は０．６Ｐａで、しかも吐出側バルブ１４において１０2Ｐａまで昇圧され、トリチウム処理系１５へ移送された。この真空排気システムにより、核融合反応が連続的に維持された。
【００１３】
なお、動作用液体金属は本発明の実施例のＬｉに限定されるものではなく、亜音速から超音速の蒸気噴流を連続かつ安定に形成可能であれば、いずれの液体金属でも良いのはいうまでもない。
【００１４】
【発明の効果】
本発明により、核融合反応の連続運転が可能で単機当たりの排気速度が大きく、効果的、経済的かつ安全性に優れた大型核融合炉の大容量真空排気システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の核融合炉の真空排気システムを示す図である。
【図２】 本発明の核融合炉における、液体金属の流れ方向に電流を流し、その電流とプラズマ閉じ込め磁場とで誘起される電磁力の方向に、金属蒸気を噴出させて気体分子を排気する態様を示す図である。
【図３】 ダイバータにより核融合反応で生成されるヘリウム不純物を排気する態様を示す図である。
【図４】 各種金属の蒸気圧線図である。
【符号の説明】
１：プラズマ閉じ込め磁場
２：プラズマ
３：真空容器
４：ブランケット
５：ダイバータ
６：真空排気システム
７：吸気側バルブ
８：第1段噴流バルブ
９：金属蒸気
１０：第2段噴流バルブ
１１：第3段噴流バルブ
１２：第4段噴流バルブ
１３：液体金属ループ
１４：吐出側バルブ
１５：トリチウム
１６：閉じ込め磁場
１７：電流の流れ
１８：電磁力
１９：磁力線
２０：排気ガスの流れ
Claims (4)
- 核融合炉において、金属をその融点以上に加熱して液体金属とし、その液体金属の流れ方向に電流を流し、その電流とプラズマ閉じ込め磁場とで誘起される電磁力の方向に、細く絞ったノズルからその金属蒸気を亜音速〜超音速の速度で噴出させ、該金属蒸気噴流の中に紛れ込んだ気体分子に一方向の運動量を与えて、その気体分子を排気することを特徴とする、核融合炉の真空排気システム。
- 炉内機器の冷却材に液体金属を用いた核融合炉において、該液体金属を金属蒸気噴流に用いることを特徴とする、請求項１に記載の核融合炉の真空排気システム。
- 核融合炉の炉内機器のダイバータに組み込まれたことを特徴とする、請求項１に記載の核融合炉の真空排気システム。
- 核融合炉の炉内機器のブランケットに組み込まれたことを特徴とする、請求項１に記載の核融合炉の真空排気システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002003856A JP3701610B2 (ja) | 2002-01-10 | 2002-01-10 | 核融合炉の真空排気システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002003856A JP3701610B2 (ja) | 2002-01-10 | 2002-01-10 | 核融合炉の真空排気システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003207587A JP2003207587A (ja) | 2003-07-25 |
| JP3701610B2 true JP3701610B2 (ja) | 2005-10-05 |
Family
ID=27643340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002003856A Expired - Fee Related JP3701610B2 (ja) | 2002-01-10 | 2002-01-10 | 核融合炉の真空排気システム |
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| JP (1) | JP3701610B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104409108A (zh) * | 2014-12-17 | 2015-03-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层 |
| CN109595879A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-04-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种真空烘烤装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116189924B (zh) * | 2023-04-26 | 2023-08-04 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种满足千秒量级等离子体的粒子排除结构及方法 |
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2002
- 2002-01-10 JP JP2002003856A patent/JP3701610B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104409108A (zh) * | 2014-12-17 | 2015-03-11 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层 |
| CN104409108B (zh) * | 2014-12-17 | 2017-01-18 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种应用于磁约束聚变反应堆的双层流液态第一壁包层 |
| CN109595879A (zh) * | 2018-10-16 | 2019-04-09 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种真空烘烤装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003207587A (ja) | 2003-07-25 |
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