JP7210469B2 - 中性子遮蔽体兼ソレノイド - Google Patents

Description

本発明は、トカマク核融合炉の分野に関する。特に、本発明は、トカマク、特に球状トカマクの中心柱で使用する中性子遮蔽体兼ソレノイドに関する。

トカマクは、高温の安定したプラズマを提供するために、強いトロイダル磁場、高いプラズマ電流、並びに通常は大きなプラズマ体積及び著しい補助加熱の組み合わせを特徴とする。これにより、トカマクは核融合が起こり得る条件を生成することができる。補助加熱（例えば、数十メガワットの高エネルギーＨ、Ｄ又はＴの中性ビーム入射による）は、核融合が起こるのに必要な十分に高い値まで温度を上昇させるため及び／又はプラズマ電流を維持するために必要である。

問題は、一般的に必要とされる大きなサイズ、大きな磁場、高いプラズマ電流のため、建設コスト及びランニングコストが高く、磁石システムとプラズマの両方に存在する大きな蓄積エネルギーに対処するためにエンジニアリングがロバストでなければならないことである。プラズマは、メガアンペア電流が激しい不安定性において数千分の１秒でゼロまえ減少する「崩壊」の危険性がある。

この状況は、従来のトカマクのドーナツ型のトーラスをその限界まで縮小させ、芯付きリンゴの外観を有すること、すなわち「球状」トカマク（ＳＴ）によって改善することができる。ＣｕｌｈａｍのＳＴＡＲＴトカマクにおけるこの概念の最初の実現は、効率の大幅な向上を実証した。高温プラズマを閉じ込めるのに必要な磁場を１０分の１に減らすことができる。加えて、プラズマの安定性が向上し、建設コストが削減される。

経済的な発電に必要な核融合反応（すなわち、入力電力よりもはるかに多くの出力電力）を得るために、熱融合が起こるのに十分なほどプラズマが熱くなるように、エネルギー閉じ込め時間（プラズマ体積にほぼ比例する）が十分大きくなるように、従来のトカマクは巨大でなければならない。

特許文献１は、中性子源又はエネルギー源として使用するためのコンパクトな球状トカマクの使用を含む代替的なアプローチを記載している。球状トカマクにおける低アスペクト比のプラズマ形状は、粒子閉じ込め時間を改善し、はるかに小さな機械での正味の発電を可能にする。しかしながら、小径の中心柱が必要であり、プラズマ閉じ込め容器及び関連する磁石の設計に課題がある。

トカマクの起動の初期段階では、閉じ込め容器を満たす中性ガスは、プラズマを生成するためにイオン化する必要がある。「ブレークダウン」、「形成」又は「開始」として知られるプロセスは、トカマクのトロイダル状に巻かれたポロイダル磁場（ＰＦ）コイルに時変電流を流すことによって達成される。この時変電流は容器内に「ループ電圧」を生成し、「ループ電圧」が十分に大きい場合、ガスが分解してプラズマを形成する。生成されるループ電圧は、トロイダル磁場コイルの位置と電流の時間変化の関数である。容器内にループ電圧を生成するだけでなく、他のトロイダル状に巻かれた導電性ループ（プラズマ又は閉じ込め容器の壁など）にも電流が誘導される。

最も一般的なプラズマ形成技術は、トカマクの中心柱に巻かれたソレノイドを使用して、時変電流を流し、ループ電圧を生成する。この方法はよく知られており、信頼性が高く、トカマクの大部分で使用されている。しかしながら、球状トカマクのコンパクトな形状により、この方法の実施は問題がある。トーラスの中心には限られたスペースがあり、このスペースはトロイダル磁場コイル、冷却、中性子遮蔽に必要である。球状トカマクのサイズと効率は中央領域のサイズに関連しているため、ソレノイドが占めるスペースはこの効率に直接影響する。ＭＡＳＴやＮＳＴＸなどの現在の球状トカマクはソレノイドを使用しているが、次世代の核融合炉で予想される中性子負荷の増加により、これらのトカマクに使用される設計は、追加の遮蔽が必要になるため実用的ではなくなる。

国際公開第２０１３／０３０５５４号

第１の態様によれば、トカマク核融合炉の中心柱用の中性子遮蔽体が設けられる。中性子遮蔽体は、導電性中性子吸収材料を含む。中性子遮蔽体は、導電性中性子吸収材料がトカマク内でのプラズマの開始のためのソレノイドを形成するように配置されている。

さらなる実施形態は、請求項２以降に記載されている。

例示的な構造による遮蔽体セグメントを示す。 例示的な構造による遮蔽体セグメントを示す。 例示的な構造に従ってソレノイドコイルを形成するために図１及び２のセグメントをどのように配置することができるかを示す。 例示的な構造に従って、図１及び２のセグメントをどのように配置して完全な遮蔽層を形成することができるかを示す。 例示的な構造に従って互いに重ね合わされた２つのこのような遮蔽層を示す。

中性子遮蔽体に導電性材料を使用すると、単一ユニットで中性子遮蔽体とソレノイドを構成することができる。言い換えれば、中性子遮蔽体はソレノイドの形で構成され、プラズマ開始電流がこのソレノイドによって駆動されるように電源が提供される。好適な材料は、導電性（例えば、３００Ｋでの１ＭＳ／ｍよりも大きい導電率を有する）と中性子吸収性の両方でなければならない。中性子遮蔽体は、中心柱に沿って螺旋状の電流経路があるように構成され、ソレノイドを形成することができる。複数の遮蔽層がある場合、交互の層が異なる回転方向の螺旋状の構造物を有することができ、これらの層は、従来の巻き線ソレノイドにおける層と同様に、単一のソレノイドを形成するように上下で交互に接続されることができる。

以下の説明は、任意のトカマクの中心柱用の遮蔽体に適用できるが、球状トカマクの設計によって中心柱の幅に課せられる制約のため、特に球状トカマクに有益である。

電流経路を画定するために遮蔽体内に電気絶縁材料を設けることができる。この絶縁材料は、それ自体が中性子遮蔽体であることができ、中性子遮蔽効果が制限されているかまったくない場合もある。後者の場合、複数の中性子遮蔽層が使用され、プラズマ室から中心柱まで絶縁材料を通る「見通し線」がない（すなわち、それにそって中性子が移動することができるプラズマ室から中心柱までの直線経路がない）ように配置される必要がある。代わりに、中性子遮蔽体は、単一の層のみが使用される場合でも見通し線がないように構成されることができる。そうでなければ、プラズマ室への見通し線を有する中心柱の領域は、はるかに高く、潜在的に有害な放射線量を経験する。

中性子遮蔽体は、互いに接続されて螺旋状の電流経路を形成する、導電性中性子吸収材料の複数のセグメントで構成されることができる。例として、これは、それぞれが螺旋状の構造物のセグメントであるいくつかのセグメントを接続することによって、又はそれぞれが垂直に接続されて概ね螺旋状の経路を形成するいくつかの水平環状円弧セグメントを積み重ねることによって（以下で説明する図３の実施例において詳しく示す）行われる。

セグメントは、電気的な接続と構造的な剛性の両方を提供するために、連動する共働機構によって接続される。代わりに、構造的な接続及び電気的な接続のそれぞれを提供する別個の機構があってもよい（例えば、導電面間に接触があるようにセグメントを所定の位置に保持する、非導電性の連動する共働機能のセット）。構造的な接続を提供する機構は、導電性中性子吸収材料のせん断強度より大きいせん断強度を有することができる。

セグメントは、セグメント間の望ましくない電気的接触を防ぐために絶縁層を有してもよいし、中性子遮蔽体の組み立て中に絶縁層が別個に設けてもよい。セグメントは、電気的な接続を容易にするために配置された導電性中性子吸収材料よりも抵抗率が低い材料を含むことができる。

次に、例示的な構造について説明する。しかしながら、特に固結された炭化物（超硬合金）を様々な形状に鋳造する能力の観点から、他の多くの構造が可能であることは当業者には明らかであろう。

図１及び２は、例示的な構造による遮蔽体セグメント１を示す。遮蔽体セグメントは、環状の円弧を形成する上面２及び底面３を有し、遮蔽体セグメントは、上面と底面との間で概ね垂直に延びる側面を有する。絶縁層４が、螺旋状の構造物において次のセグメントに接続する部分を除くセグメントの上面と、セグメントの端面の１つとに設けられている。次のセグメントへの接続は、例えば突起５及び対応する凹部６など、上面の一端と底面の反対端にある相補的な連結機構を用いて行われる。突起５は、セグメントにさらなる剛性を提供するために、導電性中性子吸収材料よりも高いせん断強度を有する材料から作られている。代わりに、各セグメントにおいて上面と下面の両方に凹部を設け、両方の凹部にダボ又は同様の接続部を挿入してセグメントを接続してもよい。

電気的な接続は、絶縁材料と同じレベルまで延びる上面の導電性領域７を使用することで達成される（そうでなければ、導電性中性子吸収材料と絶縁層の厚さの間に隙間がある） 。これは、導電性中性子吸収材料の延長部であってもよいし、異なる導電性材料、中性子遮蔽体の残りの部分よりも高い導電率を有するもの、例えば銅のパッチであってもよい。

図３は、各セグメントの突起又はダボ５が次のセグメントの穴にロックされている状態でセグメントをどのように配置してソレノイドコイルを形成するか、及びセグメントをどのように配置して概ね螺旋形状を形成するかを示している。図４に示すように、弧の角度が１８０度より少し小さい場合、２つの「直列」セグメント１ａ及び１ｂを有し、それぞれが別個の螺旋を画定することにより、完全な遮蔽層が提供される。図４はまた、中心柱のクライオスタット８の周りにセグメントがどのように配置されているかを示している。

絶縁層を通る見通し線が存在するのを防ぐために、図５に示すように、遮蔽セグメントの第２の層１２を第１の層１１に重ねることができる。第２の層のセグメントは、第１の層のセグメントの外側半径に対応する（又はそれよりもわずかに大きい）内側半径を有し、第２の層のセグメントの相補的な連結機構は、第１の層の相補的な連結機構と比較して上面／下面の両端に設けられる。これにより、第２の層が第１の層を包み込むことができ、第２の層が逆の回転方向で巻き付けられることが確実になる。したがって、第１の層及び第２の層は、上部又は底部で接続されて、単一のソレノイドを形成することができる。代わりに、第２の層が同じ向きで巻かれ、並列に接続されてもよい。第２の層は、絶縁層を通る見通し線を避けるために第１の層から軸方向及び回転方向にずらされている。

導電性中性子吸収材料にはいくつかの可能性がある。これまでの研究では、固結された炭化物、ホウ化物、又はホウ炭化物、例えば、炭化タングステンの中性子遮蔽体の材料としての適合性が示されている（ＷＯ ２０１６／００９１７６ Ａ１を参照）。これらの材料は導電性である（金属バインダーと、多くの場合、炭化物／ホウ化物集合体が導電性であるため）。固結された炭化物は、炭化物の粒子が集合体として機能し、金属バインダーがマトリックスとして機能する金属マトリックス複合材料である。固結された炭化物は、焼結プロセスによって形成され、焼結プロセスにおいて、材料はバインダーが液体になるまで加熱されるが、炭化物粒子は固体のままである。それにより、炭化物粒子は液体バインダーに埋め込まれ、液体バインダーは固化する。これにより、炭化物又はバインダーを単独で使用するよりも優れた品質の材料が得られる。延性バインダーは、炭化物セラミックの本来の脆性を相殺し、炭化物粒子は、結果として得られる複合材料をバインダー単独よりもはるかに硬くする。金属バインダーにより、固結された炭化物は一般に高い熱伝導率を有し、不均一な加熱により材料が受ける熱応力を低減する。固結された炭化物又はホウ化物の線熱膨張係数は、一般に４～５×１０^-6の範囲である。固結された材料は、スパッタリング（エネルギー粒子による材料の外面のアブレーション）にも耐性がある。例えば、固結された炭化タングステンは一般に、純タングステンの４分の１のスパッタリング速度である。

固結されたホウ化物も同等であるが、炭化物ではなくホウ化物粒子を集合体として使用する。ホウ炭化物粒子も使用することができる。

炭化物／ホウ化物及びバインダーの選択は、反応器内の条件によって導かれる。高中性子束に耐える必要があるため、コバルトやニッケルなど、中性子照射により放射性になる多くの元素及び同位体の使用が妨げられる。高磁場では、強磁性材料を使用する場合、結果として生じる力が反応器内に大きな応力を生じるため、構造を考慮する必要がある。炭化物の選択についても同様の考慮事項が存在する。また、材料は当然ながら、遮蔽体の後ろのコンポーネントに到達する中性子束を減らすことができなければならない。炭素は必然的に減速材として機能し、核分裂中性子を減速させ、使用される可能性のある他の元素の選択の自由度を高めることができる（多くの元素が高速の中性子よりも低速の中性子の効果的な吸収体であるため）。ホウ素－１０は効果的な中性子吸収体である。

炭化物の有望な候補は、炭化タングステン（中性子吸収が良好であり、機械的特性がよく研究されているため）、ホウ化タングステン、及び（炭素の減速特性をホウ素の中性子吸収と組み合わせる）炭化ホウ素である。材料の構造特性と中性子特性のバランスをとるために、複数の炭化物が使用される場合がある。さらに、炭化物に加えて他の物質を固結された材料に加えてもよく、例えば、ホウ素を遮蔽体に導入するために大部分が炭化物の複合物にホウ化物を加えることができ、その逆も同様である。ホウ化タングステンを固結された炭化タングステンに添加すると、耐腐食性を高めることができる。使用できるホウ炭化物は、タングステンホウ炭化物、具体的には三元タングステンホウ炭化物を含む。材料に添加することができる他の物質は、酸化物又は窒化物を含み、例えば、材料の構造特性を改善するために窒化チタンを添加することができる。

炭化タングステン又はタングステンホウ炭化物の他の代替物は、周期表の第６周期（又はそれ以上の周期）に対応する元素のホウ化物及び／又は炭化物を含む。これらの元素の融点は第６周期を横切って上昇し、第６属（タングステン）でピークに達する。したがって、主な候補元素は、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウムである。白金族金属は理論的には中性子遮蔽体に適している可能性があるが、オスミウム化合物は非常に有毒であり、イリジウムと白金のコストは非常に高いため、有用性が低いと考えられている。レニウムもまた、非常に高価で非常に希少である。したがって、最も可能性の高い３つの候補は、ハフニウム、タンタル、及びタングステンである。これらのうち、タングステン（その化合物を含む）は最も安価でかつ最も広く入手可能であり、粉末法による加工が容易である。

他の好適な遮蔽材料は、周期表の第６周期の純金属、及びこれらの金属を含む合金又は化合物を含み、導電性バインダーとこのような金属の非導電性化合物を含む集合体とを含む複合材料を含む。

Claims (22)

1. トカマク核融合炉の中心柱用の中性子遮蔽体であって、
   前記中性子遮蔽体は導電性中性子吸収材料を含み、
   前記中性子遮蔽体は、前記導電性中性子吸収材料がトカマク内でのプラズマの開始のためのソレノイドを形成するように配置されている、中性子遮蔽体。
2. 前記中性子遮蔽体は、前記導電性中性子吸収材料によって形成された前記ソレノイドの巻きを分離するように配置されている電気絶縁材料を含む、請求項１に記載の中性子遮蔽体。
3. 前記中性子遮蔽体は、前記核融合炉の運転中のプラズマの位置と中心柱との間の直線経路が前記中性子吸収材料を通過するように配置されている、請求項１又は２に記載の中性子遮蔽体。
4. 前記中性子遮蔽体は、放射状に配置された複数の層から形成され、
   各層は、前記複数の層の他の層の前記中性子吸収材料の隙間を覆うように配置されている中性子吸収材料を含む、請求項３に記載の中性子遮蔽体。
5. 各層がソレノイドを形成するように構成され、
   交互の層が反対の巻き方を有し、
   隣接する層が層の上部又は底部で直列に接続されている、請求項４に記載の中性子遮蔽体。
6. 前記中性子遮蔽体は、前記導電性中性子吸収材料の複数の弓形のセグメントから構成され、
   前記セグメントは、螺旋状の電流経路を提供するように接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
7. 各セグメントが、各セグメントの一方の面の一端にある第１の連結機構と、各セグメントの反対側の面の反対端にある第２の相補的な連結機構とを含み、
   前記セグメントは、第１のセグメントの第１の連結機構を後続のセグメントの第２の連結機構と接続することによって接続されている、請求項６に記載の中性子遮蔽体。
8. 前記第１のセグメントの弓形上面の一端が、前記連結機構によって、前記後続のセグメントの弓形底面の反対端に接続されている、請求項７に記載の中性子遮蔽体。
9. 前記第１の連結機構は突起であり、前記第２の連結機構は相補的な凹部である、請求項７又は８に記載の中性子遮蔽体。
10. 前記第１の連結機構はダボであり、前記第２の連結機構は相補的な穴である、請求項７又は８に記載の中性子遮蔽体。
11. 前記第１の連結機構は、前記導電性中性子吸収材料よりも大きなせん断強度を有する材料から形成されている、請求項７から１０のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
12. 前記第１の連結機構及び／又は第２の連結機構は、前記導電性中性子吸収材料よりも高い導電率を有する材料から形成されている、請求項７から１１のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
13. 各セグメントは、それぞれの後続のセグメントと接触する電気接続領域と、セグメント間の唯一の接続が各セグメントの前記電気接続領域を介するように配置されている絶縁材料の層とを含む、請求項７から１２のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
14. 前記電気接続領域は、前記導電性中性子吸収材料よりも高い導電率を有する材料を含む、請求項１３に記載の中性子遮蔽体。
15. 前記電気接続領域は、金属で作られているパッチを含む、請求項１４に記載の中性子遮蔽体。
16. 各セグメントは、２つの円弧とそれらの端を結ぶ線とによって画定される上面及び底面を有し、
    前記円弧は共通の角度及び中心を有し、
    各セグメントは、前記上面と前記底面との間に垂直に延びる側面を有する、請求項６から１５のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
17. 各円弧の前記角度は１８０度未満であり、
    前記セグメントは２つ以上の螺旋状の電流経路を提供するように配置されている、請求項１６に記載の中性子遮蔽体。
18. 前記セグメントは２層に配置され、
    第２の層が第１の層の半径方向外側に配置され、前記核融合炉の運転中のプラズマの位置と中心柱との間の直線経路が前記中性子遮蔽体を通過するように、前記第１の層から軸方向及び回転方向にずらされている、請求項６から１７のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
19. 前記導電性中性子吸収材料は、バインダー及び集合体を含む固結された炭化物及び／又はホウ化物であり、
    前記集合体は、炭化物及び／又はホウ化物の化合物の粒子を含み、
    前記バインダーは金属を含む、請求項１から１８のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
20. 前記集合体は、炭化タングステン、ホウ化タングステン、三元タングステンホウ炭化物のうちの１つ以上を含む、請求項１９に記載の中性子遮蔽体。
21. 前記導電性中性子吸収材料は、１０⁶Ｓ／ｍよりも大きい３００Ｋでの導電率を有する、請求項１から２０のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。
22. 前記導電性中性子吸収材料は、周期表の第６周期の金属を含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の中性子遮蔽体。

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