JP3817538B2 - ヘリカル型核融合装置 - Google Patents

Description

本発明は、複雑な３次元形状のヘリカル型溝付き真空容器を用いるヘリカル型核融合装置に係り、特に、真空容器に設置する真空容器用冷却配管の設置構造に関する。

従来、高温物質を真空中に生成させ、保持するためのヘリカル型溝付き真空容器は、例えば、ヘリカル型核融合装置などに使用されている。ここで、従来の核融合装置では、例えば、特開２００１−５１０８５号公報に記載されているように、内部に生成保持させたプラズマなどの高温物質による輻射熱から真空容器を保護するため、真空容器の内部壁面に冷却配管を設置している。

特開２００１−５１０８５号公報

従来使用されている冷却配管は、真空容器への接触コンダクタンスを大きくし除熱能力を向上させるために、矩形若しくはコの字の断面となっている。また、冷却配管は真空容器に密着させる必要があるため、複雑なヘリカル溝付き真空容器に沿った形状に塑性加工する必要がある。

ここで、複雑なヘリカル溝の進み方向に沿って冷却配管を敷設した場合、冷却配管の形状は敷設する場所により形状が異なるため、冷却配管の形状は多種少量となり、製作工数が増大し、製作コストが高くなるという問題があった。

本発明の目的は、冷却配管の製作コストを低減できるヘリカル型核融合装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、３次元に捩れたヘリカル型溝を有するとともに、内部にプラズマを保持するヘリカル型溝付き真空容器と、このヘリカル型溝付き真空容器の内壁面に設置された冷却配管と、上記ヘリカル型溝に設置されるとともに、磁場を発生する３次元に捩れたヘリカルコイルとを有するヘリカル型核融合装置において、上記冷却配管の一部は、円弧状配管部から構成され、この円弧状配管部が、上記真空容器の３次元に捩れた溝形状を定義するヘリカル基準断面上に設置される形状としたものである。
かかる構成により、冷却配管の製作コストを低減し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、上記冷却配管は、さらに、上記円弧状配管部の端部同士を接続する直線状の形状を有する接続配管部を備え、この接続配管部は、上記ヘリカル溝の進み方向に沿って設置するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、さらに、第２と第３の冷却配管を備え、第２，第３の冷却配管は、ヘリカル基準断面上に設置される直線状配管部と、この直線状配管部の両端部を接続する接続配管部とから構成され、上記直線状配管部は、上記円弧状配管部の設置されるヘリカル基準断面上に設置され、真空容器垂直断面の小半径方向の外周側に行くにしたがい冷却配管の敷設間隔を大きくしたものである。

本発明によれば、冷却配管の製作コストを低減できる。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置の構成について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる真空容器の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる真空容器の外観構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

図１に示すように、内部を真空に保持する真空容器１０は、ドーナツ形状をしている。ドーナツ形状の中心から真空容器１０の中心までの半径Ｒ１（「主半径」と称する）は、例えば、３９００ｍｍである。真空容器１０の表面には、ヘリカル型の溝１０Ａ，１０Ｂが形成されている。

図２には、図１のＡ−Ａ断面である。Ａ−Ａは、真空容器１０のドーナツ形状の中心から半径方向の断面位置である。図２に示すように、真空容器１０の外周側の対向する位置には、それぞれ、ヘリカル型の溝１０Ａ，１０Ｂが形成されている。これらのヘリカル型の溝１０Ａ，１０Ｂの中には、破線で示すようにヘリカルコイル２０Ａ，２０Ｂが配置される。ヘリカルコイル２０Ａ，２０Ｂは、３次元に捩れた形状を有している。

次に、図３を用いて、本実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管の構成について説明する。

図３は、本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管のの構成を示す要部断面図である。図３（Ａ）は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の側面図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。

ここで、図１に示したＢ−Ｂをヘリカル基準断面と称する。ここで、ヘリカル基準断面とは、真空容器１０の３次元に捩れたヘリカル型溝を定義するための基準断面である。真空容器１０のヘリカル溝幅が変わらない限り、ヘリカル基準断面は同一形状である。一般に、ヘリカル型核融合装置の真空容器１０は、このヘリカル基準断面を３次元のヘリカル軌跡に沿って連続的に遷移させることで、ヘリカル溝の形状を定義している。従って、例えば、図１におけるＢ−Ｂ断面の形状と、図１におけるＢ１−Ｂ１断面の形状，Ｂ２−Ｂ２断面の形状は全て等しいものである。

図３（Ａ）に示すように、真空容器１０のヘリカル型溝１０Ａは、垂直壁面１２Ａ，１２Ｂと円弧状壁面１４とから構成される。ここでは、一方のヘリカル型溝１０Ａのみを図示しているが、他方のヘリカル型溝１０Ｂも同様の構成である。ヘリカル型溝１０Ａの内部には、ヘリカルコイル２０Ａが配置される。真空容器１０の内部の中央には、ヘリカルコイル２０Ａが発生する磁場によって、高温物質４０が閉じこめられている。高温物質４０の中心から真空容器１０の外周までの半径Ｒ２は、小半径と称され、例えば、１６００ｍｍである。ヘリカル溝１０Ａの幅Ｗ１は、例えば、１０００ｍｍである。この場合、円弧状壁面１４の半径Ｒ３は、５００ｍｍである。円弧状壁面１４の中心は、ヘリカルコイル２０Ａの中心から真空容器１０の半径方向に距離Ｘ１だけずれた位置である。距離Ｘ１は、ここでは、１００ｍｍであるが、正の場合もあるし、負の場合もある。したがって、ヘリカル基準断面とは、ヘリカルコイル２０Ａの中心から高温物質の方向にＸ１（正若しくは負）だけ離れた位置を、ヘリカル溝の半径Ｒ３の中心として、半径Ｒ３が常に一定になる断面ということもできる。

図３（Ａ）に示すように、ヘリカル型溝１０Ａの内側であって、高温物質４０に近い側である円弧状壁面１４の内周側には、高温物質４０からの輻射熱により加熱される真空容器１０を冷却するため、内部に冷媒を流通させ除熱を行なうコの字型の冷却配管３０が設置されている。

ここで、図３（Ｂ）に示すように、冷却配管３０は、ヘリカル基準断面上に配置される円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、円弧状配管部３０Ａ、３０Ｂ，３０Ｃの端部同士を接続する接続配管部３０Ｘ，３０Ｙとから構成されている。上述したように、ヘリカル基準断面の形状は同一であるため、このヘリカル基準断面上に配置される円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、それぞれ同一寸法形状の配管部材から構成される。また、接続配管部３０Ｘ，３０Ｙは、円弧状配管部３０Ａ、３０Ｂ，３０Ｃの端部同士を接続するものであるため、円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの両端部の距離Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ等しいならば、同一の寸法形状となる。すなわち、本実施形態においては、２種類の寸法形状の配管部材のみを使用することができる。

一方、従来は、図３（Ｂ）に破線で示すように、冷却配管Ｚは、ヘリカル溝の進み方向に敷設されている。従って、コの字の冷却配管の形状は敷設位置によって形状が異なるため、形状が多種少量となり、冷却配管の製作工数が増加することになる。

ここで、図４を用いて、本実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管の断面構成について説明する。

図４は、本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管のの断面構成を示す要部断面図である。なお、図１〜図３と同一符号は、同一部分を示している。

冷却配管３０を構成する配管部材は、断面形状がコ字形である。そして、その端部は、真空容器１０に溶接等により固着されている。また、図３に示した円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、接続配管部３０Ｘ，３０Ｙの接合部分は斜めに切断されており、両者を突き合わせて溶接用により固着される。

ここで、真空容器１の大きさが主半径Ｒ１が３９００ｍｍで、小半径Ｒ２が１６００ｍｍで、ヘリカル溝の幅Ｗ１が１０００ｍｍで、円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂの両端部の距離Ｌ１が５００ｍｍまでの場合、接続配管部３０Ｘ，３０Ｙは、直線で近似できる。ここで直線で近似できるとは、直線状であって断面形状がコ字型の接続配管部３０Ｘ，３０Ｙの端部を、３次元形状のトロイダル型溝の壁面に接触させたとき、両者の間には隙間が生じるが、この隙間が溶接により固着可能な隙間寸法である場合を言う。溶接等により固着可能な隙間寸法は、例えば、２ｍｍである。

このように、円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、従来のように、塑性加工により複雑な３次元形状を製造する必要がなくなり、２次元曲げ加工で行うことができる。したがって、製造工程を減らすことができ、製造コストを低減することができる。円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、図４に示したように、断面形状がコ字形であるため、これを２次元曲げ加工する際には、配管部の幅Ｗ２をある程度の幅よりも狭くする必要がある。真空容器１の大きさが主半径Ｒ１が３９００ｍｍで、小半径Ｒ２が１６００ｍｍで、ヘリカル溝の幅Ｗ１が１０００ｍｍの場合、配管部の幅Ｗ２は、３０ｍｍ以下が適当である。もちろん、加工の仕方によっては、これ以上の幅でも、２次元曲げ加工が可能な場合もある。また、接続配管部３０Ｘ，３０Ｙを直線とすることができるので、従来のように、塑性加工により複雑な３次元形状を製造する必要がなくなる。

なお、冷却配管の断面形状は、コ字型としているが、例えば、Ｃ字型や、Ｃ字型の高温物質４０側の一面をフラットとしたような形状でも同様の効果を得ることができる。つまり、真空容器１に接する側が開放されているものであればよいものである。

また、真空容器１０の内部面を冷却する場合、特に冷却する必要があるのは、高温物質４０から近い部分である。すなわち、円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの部分が冷却に寄与する割合が大きく、接続配管部３０Ｘ，３０Ｙが冷却に寄与する割合は少ないものである。そこで、接続配管部３０Ｘ，３０Ｙについては、断面形状がコ字状のものを用いるのでなく、例えば、パイプ状のものとして、このパイプ状の接続配管部の両端を、それぞれ、円弧状配管部の端部に溶接等により接続固着するようにしてもよいものである。パイプ状の配管の断面形状は、円形としてもよく、また、ロ字型としてもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却配管の製作コストを低減することができる。

次に、図５を用いて、本発明の他の実施形態によるヘリカル型核融合装置の構成について説明する。本実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる真空容器の外観構成は、図１，図２に示したものと同様である。
図５は、本発明の他の実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管の構成を示す要部断面図である。図５（Ａ）は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の側面図である。なお、図１，図２，図３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、図５（Ａ）に示すように、ヘリカル型溝１０Ａの内側であって、高温物質４０に近い側である円弧状壁面１４の内周側には、高温物質４０からの輻射熱により加熱される真空容器１０を冷却するため、内部に冷媒を流通させ除熱を行なうコの字型の冷却配管３０が設置されている。さらに、垂直壁面１２Ａ，１２Ｂのそれぞれの内周側には、高温物質４０からの輻射熱により加熱される真空容器１０を冷却するため、内部に冷媒を流通させ除熱を行なうコの字型の冷却配管３０’、３０”が設置されている。

ここで、図３（Ｂ）に示すように、冷却配管３０’は、ヘリカル基準断面上に配置される直線状配管部３０Ａ’，３０Ｂ’，３０Ｃ’と、直線状配管部３０Ａ’、３０Ｂ’，３０Ｃ’の端部同士を接続する接続配管部３０Ｘ’，３０Ｙ’，３０α，３０βとから構成されている。冷却配管３０”も同様に構成されている。ここで、直線状配管部３０Ａ’，３０Ｂ’，３０Ｃ’は、円弧状配管部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと同一のヘリカル基準断面上に配置されている。

したがって、コの字の冷却配管３０，３０’，３０”の配置は、高温物質４０に近いヘリカル溝の冷却配管３０の敷設間隔である寸法Ｌ３は、高温物質４０から離れた真空容器垂直断面の小半径方向の外周側部分における冷却配管３０’の敷設間隔である寸法Ｌ４よりも小さくなっている。すなわち、真空容器垂直断面の小半径方向の外周側に行くにしたがい冷却配管の敷設間隔を大きくしているので、熱負荷に比例して真空容器１０の冷却を行なうことができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却配管の製作コストを低減することができる。

本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる真空容器の外観構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管のの構成を示す要部断面図である。 本発明の一実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管のの断面構成を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態によるヘリカル型核融合装置に用いる冷却配管の構成を示す要部断面図である。

符号の説明

１０…真空容器
２０…コイル
３０…冷却配管
４０…高温物質

Claims (3)

1. ３次元に捩れたヘリカル型溝を有するとともに、内部にプラズマを保持するヘリカル型溝付き真空容器と、
   このヘリカル型溝付き真空容器の内壁面に設置された冷却配管と、
   上記ヘリカル型溝に設置されるとともに、磁場を発生する３次元に捩れたヘリカルコイルとを有するヘリカル型核融合装置において、
   上記冷却配管の一部は、円弧状配管部から構成され、
   この円弧状配管部が、上記真空容器の３次元に捩れた溝形状を定義するヘリカル基準断面上に設置される形状であることを特徴とするヘリカル型核融合装置。
2. 請求項１記載のヘリカル型核融合装置において、
   上記冷却配管は、さらに、上記円弧状配管部の端部同士を接続する直線状の形状を有する接続配管部を備え、
   この接続配管部は、上記ヘリカル溝の進み方向に沿って設置されることを特徴とするヘリカル型核融合装置。
3. 請求項１記載のヘリカル型核融合装置において、さらに、
   第２と第３の冷却配管を備え、
   第２，第３の冷却配管は、ヘリカル基準断面上に設置される直線状配管部と、この直線状配管部の両端部を接続する接続配管部とから構成され、
   上記直線状配管部は、上記円弧状配管部の設置されるヘリカル基準断面上に設置され、
   真空容器垂直断面の小半径方向の外周側に行くにしたがい冷却配管の敷設間隔を大きくすることを特徴とするヘリカル型核融合装置。
   
   

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