JPH04313692A - 中性粒子入射装置及び核融合装置用真空容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合装置のダイバー
タ、中性粒子入射装置のビームダンプ等、熱負荷の大き
な受熱機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大きい熱負荷を受熱するには、フ
ュージョン　エンジニアリング　アンドデザイン　　９
（１９８９年）２３１頁から２３６頁（Ｆｕｓｉｏｎ　
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＤｅｓｉｇｎ　９，１
９８９，ｐ２３１〜２３６）に記載されているように、
スワールチューブを用いて受熱機器を構成すれば、高い
熱負荷に耐えられることが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来知られて
いるスワールチューブでは、パイプ内を流れている冷媒
を乱流とするために、除熱に最適なツイスト比のスワー
ルテープがパイプに挿入、固定されているので、■必要
な除熱効率を得るためには、非常に大きな流量の冷媒が
必要であり、圧損が非常に大きな値となり、冷媒を供給
するシステムが巨大化する、■大流量を流すために流速
を早くする必要があり、流速を早くすると冷媒によるパ
イプ内面のエロージョンが発生してパイプの寿命が短く
なる、■パイプにスワールテープを挿入する作業に時間
がかかり、スワールチューブの単価が高いため、スワー
ルチューブで構成する受熱機器も価格が高くなる、など
の欠点があった。また、特開昭５８−１１０９９０号公
報には、伝熱管の内壁面に螺旋状突起を設け、突起の間
に形成された空間に断続的に金属製ねじり板を挿入する
技術を開示している。しかし、この技術においても、大
きい圧力損失の発生は避けられなかった。

【０００４】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、スワールチューブよりも限界
熱流束が高く、圧損が少ない受熱用パイプで構成された
受熱機器を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、パイプ内に
乱流発生用の中子を固着してなる受熱用パイプにおいて
、前記中子を該中子の中央部から半径方向に派出した、
管軸にほぼ並行な複数枚のフィン部を備えたものとし、
前記中子を間隔をおいて複数個配置し、各中子はそのフ
ィン部がそれぞれ上流側に隣接配置された中子のフィン
部と周方向の位置をずらすように配置することにより達
成される。

【０００６】上記目的はまた、フィン部の枚数を、３〜
６枚とした請求項１に記載の受熱用パイプによっても達
成される。

【０００７】上記目的はまた、隣接するフィン部をパイ
プ内表面に接する周部部材により相互に連結し、中子を
前記周部部材をパイプ内表面に固着することによりパイ
プに固着した請求項１または２に記載の受熱用パイプに
よっても達成される。

【０００８】上記目的はまた、フィン部の枚数が異なる
中子を同一パイプ中に混在配置した請求項１乃至３のい
ずれかに記載の受熱用パイプによっても達成される。

【０００９】上記目的はまた、パイプ内表面にスズが拡
散含浸されている請求項１乃至４のいずれかに記載の受
熱用パイプによっても達成される。

【００１０】上記目的はまた、冷媒を循環させる受熱用
パイプを密接配置して形成した受熱面と、該受熱用パイ
プに冷媒を循環させるマニホールドとを含んで構成され
た高熱負荷受熱機器において、受熱用パイプを請求項１
乃至５のいずれかに記載の受熱用パイプとすることによ
っても達成される。

【００１１】上記目的はさらに、核融合装置のプラズマ
形成部分に連通して配置される真空タンクと、該真空タ
ンクに装着され高速の荷電粒子を前記真空タンクを通し
て前記プラズマに入射させるためのイオン源と、該イオ
ン源に電源を供給するイオン源電源と、前記真空タンク
に内装され前記イオン源で発生された高速の荷電粒子を
高速の中性子に変換する中性化セルと、前記真空タンク
内の前記高速の中性粒子及び荷電粒子の通路に近接して
配置されて前記荷電粒子の衝突による熱負荷を除去する
ビームダンプと、前記ビームダンプ及びイオン源電源に
接続された冷媒冷却系とを含んで構成されている中性粒
子入射装置において、前記ビームダンプを互いに平行に
面状に密接配置された受熱用パイプと、該受熱用パイプ
に冷媒を循環させるマニホールドパイプとを含んで構成
し、該受熱用パイプを請求項１乃至５のうちのいずれか
に記載の受熱用パイプとすることによっても達成される
。

【００１２】上記目的はさらに、核融合プラズマを生成
保持する真空容器であって、その内部に荷電粒子のエネ
ルギを熱として吸収するダイバータ板を備えた核融合装
置用真空容器において、前記ダイバータ板を、互いに平
行に面状に密接配置された受熱用パイプと、該受熱用パ
イプに冷媒を循環させるマニホールドパイプとを含んで
構成し、該受熱用パイプを請求項１乃至５のうちのいず
れかに記載の受熱用パイプとすることによっても達成さ
れる。

【００１３】

【作用】フィン部の位相を順次ずらし、かつ間隔をおい
て中子がパイプ内に装着されているので、パイプ内を流
れる冷媒は前記フィン部に当たって乱流となり、伝熱特
性が向上する。また、前記フィン部を備えた中子は管軸
方向に断続して配置されているとともに、前記フィン部
はほぼ管軸に平行しているので、冷媒が前記フィン部か
ら受ける抵抗が少なく、中子による圧力損失の増加が抑
止される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例である受熱用パ
イプを図１，２を参照して説明する。図示の受熱用パイ
プは、内部に直径ｄの冷媒通路１Ａを備えたパイプ１と
、該パイプ１の内部に間隔ｄで固定された複数の中子２
Ａ，２Ｂ，２Ｃ…とからなっている。パイプ１に受熱さ
れた熱負荷を除熱する冷媒は、矢印７の方向に流れる。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面を示す。中子２Ａ
，２Ｂ，２Ｃ…は同一の形状で、パイプ１の中心軸とほ
ぼ同じ位置に該中心軸と並行に配置された中子軸部２Ｆ
と、該中子軸部２Ｆから半径方向に２枚づつ組になって
放射状に派出し中子の全長に亘って延在する６枚のフィ
ン部２Ｄと、該６枚のフィン部２Ｄの互いに組になった
２枚を前記パイプ１の内周面上で中子の全長に亘って結
合する３枚の周部２Ｅとを含んで形成されている。フィ
ン部２Ｄは前記中心軸と並行な平面をなし、その軸方向
長さはパイプ１の直径と同じくｄである。前記組をなす
２枚のフィン部２Ｄは互いにほぼ３０度の角度をなし、
三つのフィン部の組は、パイプ断面に互いにほぼ９０度
の角度をおいて均等に配置されている。

【００１５】図２において、実線で示された中子断面は
中子２Ａを示し、破線で示された中子断面は中子２Ａの
下流端から間隔ｄだけ離して配置された中子２Ｂを示し
ている。図示のように、中子２Ｂのフィン部２Ｄは、中
子２Ａのフィン部２Ｄに対して位相がずらされており、
パイプ断面上で、中子２Ａのフィン部２Ｄの丁度中間に
来るように配置されている。また、パイプ１内面及び中
子２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…表面には、スズが拡散含浸されて
いる。このスズの拡散含浸により、パイプ内面の高度が
向上し、冷媒によるエロージョンが減少してパイプの寿
命が長くなった。

【００１６】図３は、横軸にＲｅ数、縦軸に管内熱伝達
率をとって各種パイプの伝熱特性を示す。図の特性Ａ，
Ｂ，Ｃは、内径１４ｍｍ，外径１８ｍｍの銅管（無酸素
銅＋０．２％Ａｇ）に本願発明を適用した実施例を示し
、それぞれフィン６枚，４枚，３枚の場合を示す。中子
の長さはいずれも約１８ｍｍである。特性Ｄは、同一寸
法，同一材料のスワールチューブ、特性Ｅは同一寸法，
同一材料の平滑管の場合を示す。図３から、従来用いら
れていたスワールチューブより伝熱特性が優れているこ
とがわかる。

【００１７】図４は、横軸にＲｅｍ数、縦軸に管内圧力
損失をとって図３に示した各パイプの圧力損失特性を示
す。図４の特性Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、それぞれ図３の
特性Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを示すパイプの特性である。図
４から、フィン３枚の場合は、管内圧力損失がスワール
チューブの場合よりもすくないことがわかる。本実施例
によれば、パイプ１中を流れる冷媒は、パイプ中の中子
のフィン部２Ｄの位相ずれにより、流路を乱され乱流と
なる。したがってパイプ外面に熱負荷が加わった場合、
パイプ内表面近傍に作られる冷媒の高温層が該乱流によ
り速やかに除去されるので、パイプ自体の伝熱効果が上
がり、パイプ表面単位面積あたりの熱負荷耐量が大きく
なった。また、フィン枚数を３枚とすれば、圧力損失も
スワールチューブの場合よりも小さくなる。

【００１８】上記実施例においては、フィン部枚数は三
組６枚であるが、３枚以上であれば従来のスワールチュ
ーブを上回る十分な乱流発生効果が得られる。しかし、
枚数が多くなるにつれ管内圧力損失が増加するので、こ
の点から６枚以下とするのが好ましい。また、上記実施
例では隣接するフィン部を周部２Ｅで連結し、該周部２
Ｅの外周面をパイプ内表面に固着することによって中子
をパイプに固定しているが、周部２Ｅを設けず、フィン
部２Ｄの外周端にパイプ内表面に平行な面を形成し、該
面をパイプ内表面に固着することによって中子をパイプ
に固着してもよい。さらに、上記実施例では、各中子は
同一形状であって、フィン部枚数も同一であるが、同一
パイプに内装される中子を同一形状とすることはかなら
ずしも必要ではなく、フィン部枚数の異なる中子を同一
パイプ中に混在させてもよい。フィン部の枚数は同一と
し、その周方向の配置を均一な角度間隔でなく、異なる
角度間隔としてもよい。但しこれらの場合でも、隣接す
る中子のフィン部の位相をずらして配置する点は前記実
施例と同様である。図５は、フィン部の枚数を３，４，
５とした中子の例及びフィン部の枚数を３としその中子
軸部位置を管軸に対して偏心させるとともにフィン部の
周方向の配置角度を異なる角度間隔とした例を示す。ま
た、フィン部２Ｄは、上記実施例においては平板状をな
しているが、その一部に軽目穴様の穴を設けたり、その
穴の縁を左右にひねって乱流発生を促進させるようにし
てもよい。また、前記実施例では、中子の間隔はｄとし
たが、この間隔は、発明者らの知見によれば、１／３ｄ
〜１ｄとするのが適当である。

【００１９】図６は本発明の第２の実施例である中性粒
子入射装置を示し、該中性粒子入射装置に装着されたビ
ームダンプは前記第１の実施例で説明した受熱用パイプ
を用いて構成したものである。図示の中性粒子入射装置
は、核融合装置へ高速中性粒子を入射してプラズマを加
熱するもので、核融合装置のプラズマ形成部分に連通し
て配置された真空タンク１４と、該真空タンクに装着さ
れ高速の荷電粒子を前記真空タンク１４を通して前記プ
ラズマに入射するためのイオン源１１と、該イオン源１
１に電源を供給するイオン源電源１２と、前記真空タン
ク１４に装着され前記イオン源１１で発生された高速の
荷電粒子を高速の中性粒子に変換する中性化セル１３と
、前記真空タンク１４内の前記高速の中性粒子及び荷電
粒子の通路を取り囲むように配置され荷電粒子の進路を
偏向させる偏向コイル２０と、該偏向コイル２０に近接
して配置されたビームダンプ１５と、前記真空タンク１
４を真空排気するクライオポンプ１６と、該クライオポ
ンプ１６に接続されて液体ヘリウムを循環させる液体ヘ
リウム循環系１７と、前記真空タンク１４に接続された
補助真空排気系１８と、前記ビームダンプ１５及びイオ
ン源電源１２に接続された純水冷却系１９とを含んで構
成されている。イオン源１１で発生した高速荷電粒子の
うち、前記中性化セル１３で中性化されなかったものは
、偏向コイル２０によりプラズマに向かう中性粒子の通
路からそらされ、ビームダンプ１５に導かれる。ビーム
ダンプ１５は、衝突する荷電粒子のエネルギを吸収し、
そのエネルギを熱に変えて除去する。

【００２０】図７は、真空タンク１４内のビームダンプ
１５を示す斜視図で、供給管７Ａにより前記純水冷却系
１９に接続された入り側マニホールドパイプ６Ａと、戻
り管７Ｂにより同じく前記純水冷却系１９に接続された
出側マニホールドパイプ６Ｂと、一端を前記入り側マニ
ホールドパイプ６Ａに他端を前記出側マニホールドパイ
プ６Ｂに接続され互いに平行に密接して配置された複数
の受熱用パイプ５とを含んで構成されている。入り側マ
ニホールドパイプ６Ａと出側マニホールドパイプ６Ｂは
互いに並行に、かつ交互に配置され、密接配置された受
熱用パイプ５は面をなしている。受熱用パイプ５は、前
記図１に示した形状のものが用いられている。この受熱
用パイプ５には、前記純水冷却系１９により、純水が冷
媒として循環されている。

【００２１】高速荷電粒子及び中性粒子は図の右奥から
左手前に向けて進むが、中性粒子がそのまま進んでプラ
ズマに入射するのに対し、高速荷電粒子は図示されてい
ない偏向コイルでその進路を図の上方もしくは下方に（
電荷の極性によって分かれる）曲げられ、ビームダンプ
を構成する受熱用パイプ５に衝突する。高速荷電粒子が
受熱用パイプ５に衝突すると、該高速荷電粒子は減速さ
れ、高速荷電粒子が持っていたエネルギは熱に変わって
受熱用パイプ５が加熱される。この熱は、受熱用パイプ
５の内表面に接している純水を加熱するが、受熱用パイ
プ５を流れる純水は中子の存在のために乱流となってお
り、前記加熱された純水は速やかにパイプ内表面から離
れて新たな純水がパイプの内表面に接するようになる。 このため、受熱用パイプ５は、前記高速荷電粒子により
加えられる高い熱負荷に耐える。本実施例によれば、受
熱用パイプ５の熱負荷が高くなるので冷媒循環量が少な
くて済み、受熱用パイプ５の管内圧力損失が少なくて済
むので冷媒を循環させる冷媒冷却系の圧力を低くするこ
とができ、冷媒冷却系を小型化する効果がある。

【００２２】図８は、本発明の第３の実施例である、ダ
イバータを備えた核融合装置の真空容器を示す。図は、
核融合のためのプラズマを閉じ込めるドーナツ型の真空
容器の断面で、そのＤ型断面の内面下方に前記第１の実
施例に記載された受熱用パイプで構成されたダイバータ
板２４が配置されている。冷媒循環用の配管は図示を省
略してある。ダイバータ板２４は、図７に記載されたビ
ームダンプと同様に、受熱用パイプを平行にかつ平板状
に密接配置して構成されている。真空容器内でプラズマ
を形成する荷電粒子の一部は、図示されていないダイバ
ータコイルにより、ダイバータ板２４に導かれ、そのエ
ネルギは熱負荷としてダイバータ板２４、すなわち該ダ
イバータ板２４を形成する受熱用パイプを流れる冷媒に
加わり、図示されていない冷媒循環系配管を通って除去
される。本実施例によれば、受熱用パイプの熱伝達率が
向上し、管内圧力損失の増加が抑止されるので、ダイバ
ータ板の熱負荷耐量が上昇し、冷媒循環装置が小型化さ
れた。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、受熱用パイプに内装す
る中子を、その中心部から半径方向に平板状にかつ管軸
にほぼ並行に派出する複数のフィン部を備えて構成し、
該中子を断続的にかつ前記フィン部の位相をずらせて配
置したので、受熱用パイプの内部を流れる冷媒の乱流発
生が促進され伝熱効果が向上するとともに、中子による
冷媒の圧力損失の増加が抑止され、受熱用パイプの熱負
荷耐量の増加、冷媒循環設備の小型化の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。

【図３】本発明に係る受熱用パイプ及び従来の受熱用パ
イプの熱伝達率特性を示すグラフである。

【図４】本発明に係る受熱用パイプ及び従来の受熱用パ
イプの管内圧力損失特性を示すグラフである。

【図５】本発明に係る受熱用パイプの中子の他の形状例
を示す横断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例の要部構成を示すブロッ
ク図である。

【図７】図６に示す実施例の部分の詳細を示す斜視図で
ある。

【図８】本発明の第３の実施例の要部構成を示す断面図
である。

【符号の説明】

１　　パイプ ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ　　中子 ２Ｄ　　フィン部 ２Ｅ　　周部 ２Ｆ　　中子軸部 ５　　受熱用パイプ ６Ａ　　入り側マニホールドパイプ ６Ｂ　　出側マニホールドパイプ ７Ａ　　供給管 ７Ｂ　　戻り管 １１　　イオン源 １２　　イオン源電源 １３　　中性化セル １４　　真空タンク １５　　ビームダンプ １６　　クライオポンプ １７　　液体ヘリウム循環系 １８　　補助真空排気系 １９　　純水冷却系 ２０　　偏向コイル ２４　　ダイバータ板 ２５　　真空容器 ３０，３１，３２，３３　　中子

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　パイプ内に乱流発生用の中子を固着し
   てなる受熱用パイプにおいて、前記中子は間隔をおいて
   複数個配置されていることと、前記中子は該中子の中央
   部から半径方向に派出した、管軸にほぼ並行な複数枚の
   フィン部を備えていることと、各中子はそのフィン部が
   それぞれ上流側に隣接配置された中子のフィン部と周方
   向の位置をずらすように配置されていることとを特徴と
   する受熱用パイプ。
2. 【請求項２】　　フィン部の枚数は、３〜６枚であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の受熱用パイプ。
3. 【請求項３】　　隣接するフィン部がパイプ内表面に接
   する周部部材により相互に連結されており、中子は前記
   周部部材をパイプ内表面に固着することによりパイプに
   固着されていることを特徴とする請求項１または２に記
   載の受熱用パイプ。
4. 【請求項４】　　フィン部の枚数が異なる中子が同一パ
   イプ中に混在配置されていることを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれかに記載の受熱用パイプ。
5. 【請求項５】　　パイプ内表面にスズが拡散含浸されて
   いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
   の受熱用パイプ。
6. 【請求項６】　　冷媒を循環させる受熱用パイプを密接
   配置して形成した受熱面と、該受熱用パイプに冷媒を循
   環させるマニホールドとを含んで構成された高熱負荷受
   熱機器において、受熱用パイプが請求項１乃至５のいず
   れかに記載の受熱用パイプであることを特徴とする高熱
   負荷受熱機器。
7. 【請求項７】　　核融合装置のプラズマ形成部分に連通
   して配置される真空タンクと、該真空タンクに装着され
   高速の荷電粒子を前記真空タンクを通して前記プラズマ
   に入射させるためのイオン源と、該イオン源に電源を供
   給するイオン源電源と、前記真空タンクに内装され前記
   イオン源で発生された高速の荷電粒子を高速の中性子に
   変換する中性化セルと、前記真空タンク内の前記高速の
   中性粒子及び荷電粒子の通路に近接して配置され冷媒を
   その内部に循環させて前記荷電粒子の衝突による熱負荷
   を除去するビームダンプと、前記ビームダンプ及びイオ
   ン源電源に接続された冷媒冷却系とを含んで構成されて
   いる中性粒子入射装置において、前記ビームダンプは互
   いに平行に面状に密接配置された受熱用パイプと、該受
   熱用パイプに冷媒を循環させるマニホールドパイプとを
   含んで構成されていることと、該受熱用パイプは請求項
   １乃至５のうちのいずれかに記載の受熱用パイプである
   こととを特徴とする中性粒子入射装置。
8. 【請求項８】　　核融合プラズマを生成保持する真空容
   器であって、その内部に荷電粒子のエネルギを熱として
   吸収するダイバータ板を備えた核融合装置用真空容器に
   おいて、前記ダイバータ板は、互いに平行に面状に密接
   配置された受熱用パイプと、該受熱用パイプに冷媒を循
   環させるマニホールドパイプとを含んで構成されている
   ことと、該受熱用パイプは請求項１乃至５のうちのいず
   れかに記載の受熱用パイプであることとを特徴とする核
   融合装置用ダイバータ板。