JP3845690B2

JP3845690B2 - 核融合炉の真空排気システム

Info

Publication number: JP3845690B2
Application number: JP2002225591A
Authority: JP
Inventors: 成治廣木; 哲也阿部; 敏西尾; 正芳杉原
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP2004069343A

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。特に本発明は、従来のダイバータにおけるプラズマからの熱負荷を低減化するための放射冷却用不純物ガスを使用することなく、液体金属蒸気をダイバータ部に噴出させてダイバータ部の放射冷却を行うとともに、核融合反応で生成した気体と一緒に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である。
【０００２】
【従来の技術】
核融合炉開発においては、当面の開発目標として重水素（ｄｅｕｔｅｒｉｕｍ，Ｄ）と３重水素（ｔｒｉｔｉｕｍ，Ｔ，トリチウム）を燃料に使い、その核融合反応で発生したエネルギーを発電に利用する事が研究されている。この核融合炉の形式としては、超高温の重水素とトリチウムをプラズマ状態にして、円環状の真空容器と高磁場でプラズマを閉じ込めるトカマク方式が、現在のところ核融合炉として最も実現可能性が高いとされている（文献１：関昌弘編，核融合炉工学概論（日刊工業新聞社，２００１）ｐ１６）。
【０００３】
トカマク型核融合炉の真空排気システムは、図３の従来技術の例で示すように、「ダイバータ」と称する耐熱性のプラズマ対向材で構成される機器の直近に設置され、核融合反応で生成したヘリウムやその他の不純物ガスを、大量の未反応燃料とともに排気する役割を担っている。この核融合炉の真空排気システムは、従来例では図３において、ダイバータ部１，２（４ａ，４ｂ）の排気口１，２（１７ａ，１７ｂ）から真空バルブ（１８）、高真空ポンプ（１９）、真空バルブ（１１）、粗引配管（１２）、粗引ポンプ（１３）の部分に該当し、この真空排気システムで１気圧（１０⁵Ｐａ）以上に昇圧したガスを、トリチウムプラント（１４）へ移送する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、この真空排気システムの高真空ポンプ（１９）には、０．１Ｐａ以下の高真空領域で大排気速度が得られるクライオポンプが主として用いられていた。このため、クライオポンプの吸気口側の真空配管は、コンダクタンスをできるだけ大きくするため、大口径のものが必要とされ、真空排気システムは大型化してしまっていた。
【０００５】
また、核融合プラズマの性能が向上するにつれ、ダイバータに加わる熱負荷が大きくなり、この熱負荷を低減する目的で、図３の不純物ガス導入口（２０）からアルゴンなどの不純物ガスをダイバータ部に注入し、その不純物ガスの放射損失を増大させて熱負荷を低減させる方法（放射冷却）がとられていた（文献２：関昌弘編，核融合炉工学概論（日刊工業新聞社，２００１）ｐ．１８８．）。この場合、不純物ガス導入口（２０）から注入した不純物ガスを排気するために、余分の排気速度が高真空ポンプ（１９）に課せられるため、真空排気システムはさらに大型化してしまう。
【０００６】
一方、クライオポンプは溜め込み式であり溜め込んだ気体を定期的に追い出す再生操作が必要であり、クライオポンプを複数台設置して間欠運転にならざるを得ない。また、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、高コストである。さらに、核融合反応による高エネルギー放射線の照射により極低温の吸着面での発熱があり、余分な冷凍エネルギーが必要となるなどの問題点を有していた。
【０００７】
核融合炉の高真空ポンプとして使用可能な、磁場中での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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの問題点を解決するためになされたもので、核融合炉の真空排気システムが上記放射冷却効果を有しており、且つ除熱性能が高く、装置規模や設置面積が小さく、運転コストも低く、連続運転が可能で排気速度が大きく、効率的、経済的かつ安全性に優れた核融合炉の真空排気システムを提供することを目的としている。
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するべく、核融合炉の真空排気システム内において、液体金属蒸気の噴流と核融合反応で生成した気体との相互作用で該気体を排気し、かつ、ダイバータにおけるプラズマからの熱負荷を低減化するために液体金属蒸気を不純物としてダイバータ部に注入し、放射冷却の作用を行わせることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の核融合炉の真空排気システムにおいては、金属蒸気発生部を設けて金属をその融点以上に加熱して液体金属蒸気を発生させ、その液体金属蒸気を細く絞った円環状ノズルから核融合炉のダイバータ部に亜音速〜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や原子に一方向の運動量を与え、核融合炉の真空容器内を真空排気し、その排気ガスをトリチウムプラントに移送する際に、上記金属蒸気発生部への加熱媒体温度を制御することにより、核融合炉の運転条件に合わせてノズルから噴出する該金属蒸気の温度と圧力を変えるものである。
【００１１】
上記金属蒸気発生部における液体金属蒸気発生用加熱源として、プラズマと核融合炉内機器との相互作用で発生した熱が使用され、又液体金属蒸気を噴出させるノズルがダイバータ部の円周方向に一巡され、かつ、円周方向に一巡されたノズル（円環状ノズル）が２台以上設置される。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を説明する。図２は各種金属の蒸気圧線図であり、表１は各種金属の主な物性値である。ここでは、リチウム（Ｌｉ）を使った場合について説明する。Ｌｉは融点が４５３Ｋ（１８０℃）であり、この温度以上で液体金属となる。
【００１３】
【表１】

【００１４】
図１は本発明による一実施例を示したものである。金属蒸気を噴出させる円環状ノズル１〜７（６ａ〜６ｇ）及び直線状ノズル（７）のうち、ここでは、円環状ノズル１〜３（６ａ〜６ｃ）を液体金属蒸気送り管１（８ａ）と蒸気発生部１（１０ａ）につなぎ、加熱媒体１（１６ａ）で２次側加熱を行う。また、円環状ノズル４〜６（６ｄ〜６ｆ）を液体金属蒸気送り管２（８ｂ）と蒸気発生部２（１０ｂ）につなぎ、加熱媒体２（１６ｂ）で２次側加熱を行う。さらに、円環状ノズル７（６ｇ）と直線状ノズル（７）を液体金属蒸気送り管３（８ｃ）と蒸気発生部３（１０ｃ）につなぎ、加熱媒体３（１６ｃ）で２次側加熱を行う。なお、Ｌｉ液体金属やＬｉ金属蒸気が接するダイバータ部等の内壁面の構造材表面には、腐食防止用セラミックス被覆を施し、かつ、融点（１８０℃）以上に加熱して液体金属状態を維持する。
【００１５】
このような構成において、プラズマ放電前の真空容器（３）内の超高真空排気時には、液体金属蒸気送り管１（８ａ）から円環状ノズル１６（６ａ〜６ｃ）に充満するＬｉ蒸気圧力が１００Ｐａ以上となるように、加熱媒体１（１６ａ）の温度を調整して液体金属溜（１５）から蒸気発生部１（１０ａ）に流れ込んだ液体Ｌｉを７３０℃以上に加熱する。この時、壁面（５）は２００℃とすることにより、円環状ノズル１６（６ａ〜６ｃ）から噴出したＬｉ蒸気は壁面（５）に向かって斜め下方向に超音速の蒸気噴流を形成し、壁面（５）で液適化して真空排気連結管（９）内を流れて液体金属溜（１５）に戻る。このＬｉ蒸気噴流内に紛れ込んだ核融合反応で生成した自由分子流のガス分子の多くは、Ｌｉ蒸気の流れとともに斜め下方向の運動量を持つようになる。
【００１６】
同様に、液体金属蒸気送り管２（８ｂ）から円環状ノズル４〜６（６ｄ〜６ｆ）に充満するＬｉ蒸気圧力も１００Ｐａ以上となるようにする。一方、液体金属蒸気送り管３（８ｃ）から円環状ノズル７（６ｇ）及び直線状ノズル（７）に充満するＬｉ蒸気圧力は１０００Ｐａ以上となるように、加熱媒体３（１６ｃ）の温度を調整して液体金属溜（１５）から蒸気発生部３（１０ｃ）に流れ込んだ液体Ｌｉを８６０℃以上に加熱する。
【００１７】
このような構成により、プラズマ放電前は、真空容器（３）内が１０^-5Ｐａまで排気され、かつ、粗引配管（１２）の入口で１００Ｐａ以上に圧縮され、さらに粗引ポンプ（１３）で１０⁵Ｐａ（１気圧）以上に昇圧されてトリチウムプラント（１４）に移送される。
【００１８】
プラズマ放電中は、ダイバータ部１，２（４ａ，４ｂ）での中性ガス（プラズマ放電の際にイオン化されなかったガス）圧力が０．１〜１０Ｐａとなるように運転され、中性ガスによるダイバータ部の放射冷却を行わせながらプラズマ（１）における核融合反応を維持するには、おおよそ、ダイバータ部１，２（４ａ，４ｂ）での中性ガス圧力に対してＬｉ金属蒸気圧力を３％以下とする必要がある。
【００１９】
このためには、液体金属蒸気送り管１（８ａ）から円環状ノズル１〜３（６ａ〜６ｃ）に充満するＬｉ蒸気圧力を０．００３〜０．３Ｐａとし、液体Ｌｉを３６７〜４８５℃に加熱、維持する。また、液体金属蒸気送り管２（８ｂ）から円環状ノズル４〜６（６ｄ〜６ｆ）に充満するＬｉ蒸気圧力は１００Ｐａ以上となるようにし、さらに、液体金属蒸気送り管３（８ｃ）から円環状ノズル７（６ｇ）及び直線状ノズル（７）に充満するＬｉ蒸気圧力は１０００Ｐａ以上となるようにする。
【００２０】
かかる構成により、プラズマ放電中でも真空排気が可能で、粗引配管（１２）の入口でプラズマ排ガスは１００Ｐａ以上に圧縮され、さらに粗引ポンプ（１３）で１０⁵Ｐａ（１気圧）以上に昇圧されてトリチウムプラント（１４）に移送される。
【００２１】
なお、動作用液体金属は本実施例の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言うまでもないが、プラズマに不純物が混入すると放射冷却等によりプラズマ温度が低下してしまい、その温度低下の影響は不純物の原子番号をＺとすると、概ねＺ²に比例する。このため、Ｚの大きな液体金属を作動流体に使う場合には、プラズマ放電中、液体金属蒸気送り管１（８ａ）から円環状ノズル１〜３（６ａ〜６ｃ）に充満する蒸気圧力を実施例で示したＬｉの場合よりも小さくする必要がある。
【００２２】
【発明の効果】
本発明により、真空排気システムがプラズマ放電中にダイバータ部の放射冷却効果を有しており、除熱性能が高く、装置規模や設置面積が小さく、運転コストも低く、連続運転が可能で排気速度が大きく、効率的、経済的かつ安全性に優れた核融合炉の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】各種金属の温度−蒸気圧特性を示す図である。
【図３】従来の核融合炉の真空排気システムを示す図である。

Claims

金属をその融点以上に加熱して液体金属とし、その液体金属蒸気を細く絞ったノズルから亜音速〜超音速の速度で真空空間に噴出させ、該金属蒸気噴流の中に紛れ込んだ気体分子や原子に一方向の運動量を与えて、該気体分子や原子を圧縮、昇圧、移送するとともに、核融合炉の運転条件に合わせてノズルから噴出する該金属蒸気の温度と圧力を変えることを特徴とする、核融合炉の真空排気システム。
該液体金属蒸気の発生用加熱源に、プラズマと炉内機器との相互作用で発生した熱を使うことを特徴とする、請求項１記載のシステム。
該液体金属蒸気を噴出させるノズルが、該核融合炉のダイバータ部の内壁面から離れてその円周方向に一巡させて取り付けられた円環状ノズルからなり、且つ該円環状ノズルが２台以上設置される、請求項１又は請求項２記載のシステム。
核融合炉の運転条件に合わせて、２台以上設置した該円環状ノズルから噴出する該液体金属蒸気の温度と圧力を、各々の該円環状ノズルで独立に変えることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
該液体金属蒸気が、該円環状ノズルから該核融合炉のダイバータ部の内壁面に向けて噴出され、該壁面で液滴化され、核融合反応で生成した気体分子や原子と共に真空排気連結管内を流れて液体金属溜に移送され、該液体金属溜からの液体金属が蒸気発生部に送られて加熱媒体で加熱されて液体金属蒸気とされ、該蒸気が液体金属蒸気送り管を通して該円環状ノズルに循環されることを特徴とする、請求項３又は請求項４記載のシステム。
該核融合反応で生成した気体分子や原子が、該液体金属溜で液体金属から分離され、粗引配管を通して粗引ポンプにより排出されることを、特徴とする請求項５記載のシステム。