JP3783973B2

JP3783973B2 - 減圧容器内におけるダスト回収方法

Info

Publication number: JP3783973B2
Application number: JP06632996A
Authority: JP
Inventors: 資彰 ▲くぬぎ▼; 真人秋場; 昭比古清水; 健彦横峯
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: JPH09253441A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、減圧容器や真空容器（以下減圧容器と略する。）内において、浮遊あるいは減圧容器の内壁に付着しているダストを回収する方法において、特に熱泳動力を利用して減圧容器内におけるダストを、簡易かつ効率的に回収する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、核融合炉等の減圧容器は、プラズマディスラプション時はもとより、正常運転時においても、中性子によるスパッタリング、水素原子によるケミカルスパッタリング、高温域での昇華などの様々な、照射損傷、すなわちエロージョンダメージを受けることが予想され、実際的な核融合炉の開発の大きな妨げとなってきた。
【０００３】
もちろん、核融合炉等の開発において、かかるエロージョンダメージ自体の制御、抑制が必要で、また効果的であるため、核融合炉等の壁材として種々の新規材料が提案、検討されている。しかしながら、完全にエロージョンダメージを防止できる材料は未だ見いだせないのが現状である。
【０００４】
ところが、更に最近では、エロージョンダメージにより核融合炉等の壁材から生じたダストが、核融合炉等の実用化において問題となる可能性があることが指摘されている。
【０００５】
すなわち、エロージョンダメージにより生じた、炉壁における耐熱材料の一つであるグラファイトが削り取られてダスト化し、それが炉壁に付着してファウリング（汚れ）となり、結果として核融合反応を妨げたり、核融合反応の効率を低下させる等のおそれがあるということである。
【０００６】
したがって、かかるファウリングを炉壁等から除去する必要性があるが、まず、真空掃除機を代表とする、吸引方式による機械的な集塵方法が提案、検討された。しかしながら、減圧容器内の、減圧状態や高温状態のまま、吸引方式による機械的な集塵方法を実施することは極めて困難であり、やむなく、減圧状態から大気圧に戻して機械的な集塵方法を取らざるを得なかった。
【０００７】
また、一方で、核融合炉等の減圧容器の場合、巨大でかつ超真空状態の容器であり、所定の真空度を得るためには、数日という長期間を要するという点を鑑みれば、一旦達成された、かかる減圧容器の真空度を、ファウリング除去のために大気圧に戻すことは、実用上、極めて大きな経済的、時間的損失となるという問題があった。
【０００８】
そこで、減圧状態のまま、ダストを除去することが検討され、例えば磁性体粒子と磁場、静電気を帯びた粒子と電場という組み合わせで粒子を除去することが提案されている。
【０００９】
しかしながら、真空容器内に磁場や電場を設けることは、大型の特殊電極、電源等の装置が必要とされるため、設備的に容易でなく、また、ダストの電気的磁気的性質をコントロールすることは、本質的に電気および磁気集塵に適さない低電気抵抗率、低磁化率であるダストの性質改善を減圧容器内で行うことに相当するため、事実上困難であり、かかる方法によるダストの回収方法は未だ実用化されるに至っていないのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題を解決し、減圧容器において浮遊等しているダストを、減圧状態のまま、簡易かつ効率的にダストを回収する方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、減圧容器内において、ダスト付着部位としての低温部と少なくとも低温部よりも高い温度を有する高温部を設け、その間に生じる温度差に基づく熱泳動力を利用して、低温部に当該減圧容器内のダストを付着させて回収することを特徴とする減圧容器内におけるダスト回収方法を構成要件とするものであり、かかる構成要件により、従来の問題が解決されるものである。以下、本発明を構成要件ごとに、詳細に説明する。
【００１２】
（減圧容器）
本発明においては、減圧容器内で集塵することを特徴としている。すなわち、本発明は、減圧容器内における、ダスト回収の困難さを解消することを目的とするものだからである。
【００１３】
具体的な、減圧容器とは、核融合炉、真空蒸着機、スパッタリング装置、電子線照射装置、紫外線露光装置等の減圧状態が原理的に必要な装置あるいは、使用便宜的に減圧状態が保持されている装置であれば、適用可能である。
【００１４】
特に、核融合炉の減圧容器が本発明に好適であるが、それは、正常運転時以外のプラズマディスラプション時においても、副反応等を防止するため、高度の真空状態でかつ炉壁を１００〜２００℃の高温に保持しているため、一般的にはダスト回収の困難さが大きいと思われるものの、かかる高温条件を逆に利用して、大きな温度差を生ぜせしめることが可能であり、大きな熱泳動力が容易かつ経済的に得られやすいためである。
【００１５】
さらに、本発明において、減圧容器の圧力は、特に限定されるものではないが、０．０１〜０．０００１ｔｏｒｒの減圧容器において、本発明は好適に適用できるものである。かかる範囲であれば、核融合炉の減圧容器等のように、超真空状態から、紫外線露光装置等の比較的、程度の低い減圧容器等についても、幅広く使用できるためである。
【００１６】
（熱泳動力）
本発明においては、いわゆる熱泳動力を利用して減圧容器内のダストを集塵することを特徴としている。もちろん、熱泳動力により、粒子が移動する現象自体は、学術的には知られていたが、それを利用して減圧容器内のダストを集塵することは、未だ知られていない。
【００１７】
ここで、熱泳動力について簡単に説明すると、下式のシェルマン（Ｓｈｅｒｍａｎ）の補間公式で定義される。
【００１８】

Ｆ：熱泳動力
Ｆ_ｆ：自由分子領域での熱泳動力
Ｆ_ｃ：連続領域での熱泳動力
ａ：粒子半径
λ ：気体分子の平均自由行程
ｋ_α：気体の並進運動に基づく熱伝導率
ｋ_ｇ：気体の熱伝導率
ｋ_ｐ：粒子の熱伝導率
Ｒ：気体定数
Ｃ_ｔ：温度ジャンプ定数
Ｃ_ｐｍ：熱スリップ係数
Ｃ_ｍ：速度スリップ係数
Ｔ：温度
∇Ｔ：温度勾配
なお、かかる式は、
（１）粒子が平行平板間に存在している場合に、平板間隔（Ｈ）と、粒子の中心といずれか近い平板との距離（ｈ）が、同じオーダーであり、
（２）気体分子の平均自由行程（λ）とクヌッセンス数が１よりも小さいことを前提条件としているものである。
【００１９】
すなわち、式で表せば、Ｋｎ_Ｈ＝λ／Ｈ《１，０〈Ｋｎ_ａ＝λ／ａ〈∞となる。
【００２０】
従って、かかる式における温度勾配から明らかなように、本発明において、低温部と高温部と温度差が大きいものほど、熱泳動力が大きく、特に周囲圧力に影響されないこととなる。よって、本発明において、高温部は少なくとも低温部よりも高い温度を有するものであれば、熱泳動力によりダスト回収が可能である限り本発明の構成要素として使用可能である。
【００２１】
但し、具体的には、低温部と高温部と温度差としては、２００〜３５０℃の範囲が好適である。温度差が２００℃未満であると、生じる熱泳動力が小さく、ダストの回収効率が極めて低下するおそれがあるためであり、一方、温度差が３５０℃を超えると、加熱や冷却のための装置が著しく大きくなったり、コストがかかったり、あるいは減圧容器自体あるいは減圧状態に悪影響を及ぼすおそれが生じるためである。
【００２２】
従って、かかるバランスがより良い点から、温度差としては、２００〜３００℃の範囲が最適である。
【００２３】
さらに、かかる式における距離微分温度差および図２に示されるように、本発明において、低温部と高温部との距離は、近いものほど、低温部と高温部間に位置するダストにかかる熱泳動力が大きいこととなり、より粒径の大きなダストが回収できることとなり好適である。
【００２４】
但し、ダストの回収効率を考慮すると、低温部と高温部との距離が近くなると、存在空間量が小さくなり、逆に減圧容器全体のダストの回収効率が低下するおそれがあるため、減圧容器の種類等を考慮して定める必要がある。
【００２５】
従って、具体的には、低温部と高温部の平均距離としては、５〜５０ｍｍの範囲が好適である。平均距離が５ｍｍ未満であると、生じる熱泳動力は大きいものの、ダストの存在空間量が減少し、結果としてダストの回収効率が低下するおそれがあるためであり、また、一方で、平均距離が５０ｍｍを超えると、ダストにかかる熱泳動力がが著しく小さくなり、同様にダストの回収効率が低下するおそれが生じるためである。
【００２６】
よって、かかるバランスがより良好な点から、低温部と高温部の平均距離としては、５〜１０ｍｍの範囲が最適である。
【００２７】
なお、図２に示されるように、減圧容器の種類あるいはダストの種類により回収するダストの平均粒子サイズが異なることを考慮すれば、ダストの平均粒子サイズに応じてかかる低温部と高温部の距離を可変とし、ダストの回収率を向上させることが可能な点で好適である。
【００２８】
また、ダストの回収初期においては、低温部と高温部の距離を比較的狭くしておき、大きな熱泳動力を用いて、大きな粒径のダストを主に回収し、その後、低温部と高温部の距離を比較的広くしておき、今度は小さな粒径のダストを主に回収することも、ダストのトータルの回収効率を上げられる点で好適である。
【００２９】
なお、本発明において、低温部と高温部の距離の可変方法は、特に限定されるものではない。例えば、一本の支柱を容易し、少なくとも２つのクランプにより低温部と高温部を支柱に係合、固定させ、かかるクランプの距離を変えることにより、当該低温部と高温部の距離の変えるのことも利便で好適であるし、あるいはモーター等を用いて、かかるクランプを移動させても良い。また、減圧状態を解除してから、低温部と高温部の距離を手動的に変えるものでも良く、あるいは減圧容器の外から電気的に機械操作をすることにより、減圧状態のまま、低温部と高温部の距離を変えるものでも良い。結果的に回収するダストの種類や、粒径等を変化させることができる点で最適である。
【００３０】
その他、予め、低温部と高温部の距離の異なる複数の低温部と高温部を設けておき、より短時間で、しかも距離を可変することなくダストの回収効率を上げられる点で好適である。
【００３１】
（低温部および高温部）
本発明において、低温部とは、減圧容器内において、ダスト付着部位としての機能及び高温部との間で温度差を生じさせ、かかる温度差に基づく熱泳動力を発生させる機能を有するものと定義される。一方、高温部は、低温部と相俟って、温度差を生じさせ、かかる温度差に基づく熱泳動力を発生させる機能を有するものと定義される。
【００３２】
従って、かかる二つの機能を充足する限り、低温部および高温部の形状、大きさ、材質、数等およびそれらの冷却方法や加熱方法は特に限定されるものではない。例えば、高温部として、核融合炉の加熱された炉壁をそのまま使用することも可能である。
【００３３】
但し、ダストの回収効率、温度の均一性、設置性、製作性等を考慮すれば、低温部および高温部の形状としては概ねプレート状が好適である。具体的には、概ね均一平板で、減圧容器内の機動性、装置制作上の利便性を考慮して、１個が１０×１０〜５０×５０ｍｍ^２の面積を有するプレートタイル状のものが好適である。よって、かかるプレートタイルを数十枚で１ユニット化することにより、低温部を構成することも、あるいは回収箇所に応じて、かかるユニットを複数個組み合わせて低温部とすることも好適である。
【００３４】
また、ダストの回収効率およびダスト付着後の再飛散性、ならびに付着したダストの回収を考慮すると、ダスト付着部位としての低温部の表面積が大きくなるよう、低温部の表面に規則正しい微細な凹凸形状や繊維状物が装着されていても良い。さらには取り外し可能なフィンが、低温部表面に立設されているものも、ダストの回収がフィンごと可能となる点で好適である。
【００３５】
さらにまた、低温部および高温部の材質としては、前述のとおり、特に限定されるものではないが、耐熱性、伝熱性、加工性、ダスト回収性等を考慮すれば、金属、セラミック、ガラス、耐熱性ポリマー等が好適である。特に、中性子損傷が少ない点で、核融合炉等の減圧容器にも安心して使用できる点で、耐熱ステンレスや金属間化合物が好適である。
【００３６】
次に、本発明における、低温部と高温部の位置関係を説明する。
【００３７】
図１に示すように、低温部と高温部が重力方向に対して直交する上下関係にあり、その間に侵入したダストを回収するものでも良く、あるいは低温部と高温部の位置が入れ替わった場合も可能であり、さらには、低温部と高温部が重力方向に立設されて、概ね平行関係にある場合も好適である。
【００３８】
また、低温部と高温部のそれぞれの冷却方法や加熱方法は、前述のとおり、特に限定されるものではない。但し、具体的な冷却方法としては、−１００℃以下等の極低温を確保するためには、液体窒素、液体水素等を利用するのが好適であり、またそれ以上の温度の低温雰囲気を確保するためには、一般的な冷却ガス、さらには蒸発性物質の蒸発エンタルピーに基づく冷却効果を利用する、いわゆるクーラー装置を利用するのが好適である。そして、かかる冷媒を低温部の内部に埋設した導管内を通過させることにより、低温部を構成するのが、ダスト回収の妨げとならない点で好適である。
【００３９】
なお、前述の核融合炉の炉壁温度を利用する場合には、特に冷却する必要もなく、室温でもあるいは、逆に低温部の温度を均一に保つために、弱冠加熱することが好適な場合もある。
【００４０】
一方、高温部の具体的な加熱方法としても、特に限定されるものではなく、各種ヒーター、熱媒体等が使用可能である。また、高温部の温度が、上述した低温部の温度よりも高い限り、特に加熱する必要もなく、室温でもあるいは、逆に高温部の温度を均一に保つために、弱冠冷却することが好適な場合もある。
【００４１】
（ダスト）
本発明において、特に回収するダストの種類や粒径は限定されるものではないが、低温部と高温部の平均距離や温度差を調整して、回収できるダストの種類や粒径を制御することも可能である。具体的な回収されるダストの最大粒径としては、１〜２００μｍの範囲が好適である。最大粒径が１μｍ未満となると、回収に極めて長時間を要するおそれがあり、一方、最大粒径が２００μｍを超えるとなると、低温部と高温部の平均距離を極めて狭くしたり、温度差を極めて大きくする必要が生じたりして、回収効率が低下するおそれが生じるためである。
【００４２】
次に、具体的な回収するダストの種類としては、例えば核融合炉の場合には、耐熱性材料として核壁に多用されているグラファイトが主であり、かかるグラファイトの回収効率を考慮して、低温部と高温部の平均距離や温度差を決定しておくのが好適である。
【００４３】
なお、ダストがグラファイトの場合には、密度、粒径の他に、圧力あるいは放射化等によっても、熱伝導率が微妙に変化するため、かかる熱伝導率の変化を予め実験的に把握しておくことが好適である。
【００４４】
【実施の形態】
以下に実施例を挙げて、本発明の実施の形態を説明する。
【００４５】
（実施例１）
図１に示す、減圧容器内において、上部に低温部（大きさ：１１，３００ｍｍ^２、厚さ：４ｍｍ、ステンレス製）として、内部に液体チッソの導管が配管され、冷却可能なプレート板を用意した。そして平行して、低温部の下部側に平均距離として１０ｃｍ離して、室温に保持された高温部（大きさ：１７，７００ｍｍ^２、厚さ：５ｍｍ、ステンレス製）のプレート板を設けた。
【００４６】
それから、減圧容器内の圧力を減圧手段として真空ポンプを用い、０．０１ｔｏｒｒにまで減圧した。そして、それと同時に、液体チッソを減圧容器外部より、低温部の導管に流入させた。そして、所定の圧力に減圧されたことを圧力計により確認するとともに、低温部の温度と高温部の温度差が、２１５．８°Ｋに保持されていることを温度計により確認した。
【００４７】
それから、予め減圧容器内に設置しておいた、グラファィト粒子が入った小容器を減圧容器の外部から解放し、低温部にグラファィト粒子が熱泳動力により付着したことを光学顕微鏡により確認した。そして、同時に、画像処理装置により付着したグラファイトの粒度分布を測定した。図２に、測定されたグラファイトの最大粒径を示す。
【００４８】
なお、同様の条件の低温部と高温部をもう一組同一減圧容器内に設け、平均距離を別の一組の平均距離と変えて実験をした。その結果、異なる粒度分布のグラファイトが回収されたことが確認された。
【００４９】
（実施例２〜５）
前記平均距離を、１ｃｍ、３ｃｍ、５ｃｍおよび７ｃｍに変えて、実施例１の実験を繰り返した。
【００５０】
それぞれ図２に、測定されたグラファイトの最大粒径の結果を示す。
【００５１】
（実施例６〜１０）
前記減圧容器内の圧力を、０．０１〜０．０００１Ｔｏｒｒに変えて、実施例１〜５の実験を繰り返したところ、図２に示す結果と同様の結果が得られた。
【００５２】
（実施例１１）
前記実施例１の減圧容器のかわりに、核融合炉実験炉を用いて同様の実験を行った。すなわち、プラズマディスラプション時に、０．０００１Ｔｏｒｒに保持されている核融合炉実験炉内に、実験ポートを利用して、外部から低温部としての、冷却板を挿入した。また、核融合炉内壁（壁温度２１０℃）を高温部として利用し、冷却板と核融合炉内壁の距離を１０ｃｍに保持して、温度差を２１５．８°Ｋになるよう、液体チッソを利用して冷却板の温度を室温になるよう調整した。
【００５３】
その結果、所定の粒径のグラファイト粒子が、冷却板に回収されたことが確認された。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、減圧状態においても、簡易な方法でかつ効率的にダストを集塵することが確認された。従って、結果的にまた、複数の異なる平均距離を有する低温部と高温部を設ければ、異なる粒度分布のグラファイトが効率的に回収できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するための構成図。
【図２】低温部と高温部の平均距離と回収されるグラファイトの最大粒径の関係を示す図。
【符号の説明】
１：低温部
２：高温部
３：冷却装置
４：加熱装置
５：減圧容器
６：減圧手段
７：ダスト粒子

Claims

減圧容器のダスト付着部位としての低温部と低温部よりも高い温度を有する高温部を設け、その間に生じる温度差に基づく熱泳動力を利用して、低温部に減圧容器内のダストを付着させて回収する減圧容器内におけるダスト回収方法において、
前記減圧容器が核融合炉の減圧容器であり、前記低温部と高温部の少なくとも一方がプレート状であり、前記低温部と高温部の温度差が２００〜３５０℃の範囲であり、前記低温部と高温部の距離が可変であってその平均距離が５〜５０ｍｍの範囲であり、前記低温部が液体窒素により冷却されており、前記高温部が室温に保持されており、前記減圧容器の圧力が０．０１〜０．０００１トル（ torr ）であり、且つ前記ダストの最大粒径が１〜２００μｍであることを特徴とする、前記方法。