JP4737204B2 - 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 - Google Patents
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Description
一般に、パルス的に、すなわち、断続的に熱流束を受け入れる場合、受け入れる固体耐熱材料の熱容量で対応できれば、冷却する必要はない。しかし、熱流束の発生が連続的に行われる連続運転の場合、受け入れる固体耐熱材料の熱容量では対応できなくなり、高効率の熱交換が可能な冷却手段を設けるか、或いは、受熱できる粒子(ビーム)の熱流束を小さくする必要がある。
一例として、DT核融合では、中性子出力の約1/4がα加熱となる。例えば、電気出力百万kW発電炉では、中性子出力が約3GWとなり、α加熱は750MWとなる。定常状態ではこのプラズマ加熱入力はプラズマの損失と等しい。プラズマの損失は放射損失か粒子による損失であり、粒子による損失のほとんどはダイバータレグに流れる。仮に1つのダイバータレグにα加熱の1/4が来るとすると、その主半径が6mであれば、周長は38mであるので、1m当たり5MWがダイバータレグの対抗材表面に入力する。ダイバータレグの厚さは1〜5cmである。
そこで、固体の対抗材では受熱できない熱流束であって、連続運転する場合、液体金属で受熱することが考えられている(非特許文献1)。しかし、磁場中で、液体金属の高速流をつくるには、電磁流体力学的な強い力に対抗するという新たな問題がある。この場合の高速流は、例えば、10〜20m/sの範囲で制御して、平均15m/s程度としている。このように高速流で行うのは、液体金属を蒸発させないようにするために高速としているのである。
非特許文献5によると、一般に磁場B中での速度Vの液体金属が受ける電磁力による圧力損失は概略式(1)で与えられる。
エイ・ワイ・イング(A. Y. Ying)、エム・エイ・アブドゥ(M. A. Abdou)、エヌ・モーリ(N. Morley)、ティ・スケッチリイ(T. Skechley)、アル・ウーリィ(R. Woolley)、ジェイ・バリス(J. Burris)、アル・カイタ(R. Kaita)、ピー・、フォガルティ(P. Forgarty)、エッチ・ヒュアン(H. Huang)、エックス・ラオ(X. Lao)、エム・ナルラ(M. Narula)、エス・スモレンチェフ(S. Smolentsev)、エム・ユーリックソン(M. Ulrickson)、「エクスプロラトリイ スタディズ オブ フローイング リキッド メタル ダイベータ オプションズ フォー フュージョン−リリーヴァント マグネティック フィールズ イン ザ エム・ティ・オー・アル ファシィリティ(Exploratory studies of flowing liquid metal divertor options for fusion-relevant magnetic fields in the MTOR facility)」、Fusion Engineering and Design、Vol.72, pp.35-62 (2004) アル・カイタ(R. Kaita)、アル・マジェスキイ(R. Majeski)、エム・ホーズ(M. Boaz)、ピー・エフシミィオン(P. Efthimion)他(et al.)、「スフェリカル トーラス プラズマ インターアクションズ ウイズ ラージ−エリア リキッド リチウム サーフェスズ イン シディエックス−ユアル(Spherical torus plasma interactions with large-area liquid lithium surfaces in CDX-U)」、Fusion Engineering and Design、Vol.61-62, pp.217-222 (2002) アル・マジェスキイ(R. Majeski)、エス・ジャーディン(S. Jardin)、アル・カイタ(R . Kaita)、ティ・グレイ(T. Gray)、ピー・マルフタ(P. Marfuta)他(et al.)、「リーセント リキッド リチウム リミッタ エクスペリメンツ イン シディエックス−ユアル(Recent liquid lithium limiter experiments in CDX-U)」、Nuclear Fusion、Vol.45, pp.519-523 (2005) ヴイ・エイ・エヴィテイキン(V. A. Evtikhin)、アイ・イー・リュビリンスキ(I. E. Lyublinsky)、エー・ヴィ・ヴェルトコフ(A. V. Vertkov )、エス・ヴイ・ミルノフ(S. V. Mirnov)、ヴィ・ビー・ラザレフ(V. B. Lazarev )他(etal.)、「リチウム ダイベータ コンセプト アンド リザルト オブ サポーティング エクスプリメンツ(Lithium divertor concept and results of supporting experiments)」、Plasma Physics and Controlled Fusion,Vol.44, pp955-977 (2002) 井上晃、「4.核融合炉の冷却方式とその諸問題 4.2 液体金属冷却」、プラズマ・核融合学会誌、Vol.69、pp.1469 (1993)
本発明の目的は、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムを提供することにある。
請求項5の発明によれば、冷却部に設けられた冷却面積拡大部材により、蒸発した金属を冷却する面積を拡大することにより、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気が凝縮する。
請求項3の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
請求項8の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
以下、本発明を、強力中性子源の高速ビームを熱流束とし、この熱流束に液体金属を高速ビーム対抗材として使用する熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムに具体化した第1実施形態を図1を参照して説明する。
図1は熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム(以下、単にエネルギー回収システムという)の概略図である。
(作用)
本実施形態におけるエネルギー回収システムの作用を説明する。
液体金属の温度や蒸気圧は熱入力でほとんど決まる。蒸気圧p[Pa]、温度T[K]の単位面積当たりの蒸発量J[atoms/m2sec]は、
冷却板の面積は、フィン52等の冷却面積を拡大する冷却面積拡大部材を使用すれば、広くすることができる。例えば、単位長さ当たりの冷却板の面積を5m2とすると、冷却板での冷却量は、1MW/m2となる。これは十分冷却媒体で冷却可能な値である。冷却板での熱流束は直接当たらないため大きくなく、冷却媒体の流量や温度に自由度があり、発電効率の良い値を選択可能である。
単位面積当たり蒸発するリチウムの質量Mvは、
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
次に第2実施形態を、図2を参照して説明する。
第2実施形態は、核融合炉のダイバータ対抗材システムに具体化したものである。図2に示すように、ダイバータ対抗材システムのダイバータ室100は、蒸発室110と差動排気室120とに区分されている。差動排気室120と蒸発室110とには、それぞれダイバータレグを導入するための第1スリット122と、第2スリット112が形成されている。
さて、上記のように構成されたダイバータ対抗材システムでは、図2のAに示すように、プラズマから放射された多数の中性子線は熱流束として、ダイバータ磁力線に沿ってダイバータ室100の差動排気室120、蒸発室110内に、第1スリット122、第2スリット112を介してそれぞれ導入される。貯留部114に貯留された液対金属としてのリチウムLiの表面に熱流束が当たり、その表面にあるリチウムが沸点以上に加熱されると金属蒸気となり、大きな潜熱を熱流束から奪う。
しかし、本実施形態では、この熱流束に耐えることが可能となるだけでなく、最終的には、ダイバータにくるα加熱も発電に利用することが可能となる。すなわち、高温熱媒体(例えば、ヘリウムや炭酸ガス)の使用が可能となり、高効率発電が可能となる。
なお、説明の便宜上、変形例では図2のBに示すように、核融合炉のダイバータ対抗材システムの右半分の構成のみが図示されているが、実際は図2の左半分の構成も、右半分の構成が略対称状に設けられているものと理解されたい。又、第2実施形態で説明した構成と同一構成、又は相当する構成については同一符号を付して、その説明を省略する。
管路190、循環ポンプ180、第1貯留部160、第2貯留部170により液体金属循環システム195が構成されている。
○ 前記各実施形態では、液体金属をリチウムとしたが、リチウムに限定されるものではなく、例えば、ナトリウム金属であってもよく、いずれの液体金属も融点以上、沸点以下で図示しない加熱源で加熱して液体状態となっていればよい。
40…液体金属循環システム、42…ウィック(浸み出し部)、50…冷却部、
52…フィン、54…管路、56…回収溜まり部(貯留部)、58…排気口、
60…冷却媒体循環システム、
110…蒸発室、112…第2スリット、120…差動排気室、
122…第1スリット、150…冷却部、
154…冷却媒体循環システムの管路、160…第1貯留部、
170…第2貯留部、195…液体金属循環システム。
Claims (9)
- 熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室と、
前記差動排気室に隣接して設けられて前記差動排気室を通過した前記熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室とを備え、
前記蒸発室には前記熱流束に当てられて同熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属が配置され、
前記蒸発室には蒸発した金属を凝縮させる冷却部が設けられ、
前記冷却部には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システムを備えていることを特徴とする熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。 - 前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
- 前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする請求項2に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
- 前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする請求項3に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
- 前記冷却部には、蒸発した金属を凝縮させる冷却面積拡大部材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のうちいずれか1項に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
- 内部が真空雰囲気に管理された差動排気室を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室に熱流束を導入し、前記蒸発室内で、前記熱流束を液体金属に当てて同液体金属を蒸発させ、前記蒸発室に設けられるとともに冷却媒体循環システムにより冷却媒体が内部を通過する冷却部にて蒸発した液体金属を凝縮させ、
前記冷却媒体循環システムで冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収することを特徴とする熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。 - 前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
- 前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする請求項7に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
- 前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記熱流束が当たるように配置されていることを特徴とする請求項8に記載の熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
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