JPH04337495A - 核融合装置のペレット入射装置 - 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ペレット入
射装置に係り、特に、ペレット射出動作中における固体
水素およびペレットの溶解を防止し、入射装置のペレッ
ト繰り返し射出性能を向上させる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合装置のペレット入射装置は、核融
合プラズマの水素同位体燃料を絶対温度１０Ｋ程度の極
低温に冷却固化して固体水素ペレットを作り、さらにペ
レットを数Ｈｚの頻度で核融合装置中心部に繰り返し射
出して、プラズマの密度を制御する装置である。

【０００３】現在、ペレットを高圧ガスで射出する空気
銃方式が盛んに開発されており、従来の技術は、たとえ
ば、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アン
ド・テクノロジーＡ４巻３号（１９８６年）第１１１３
頁から１１１７頁（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ
ｌ．Ａ４（３），１９８６，ＰＰ１１１３−１１１７）
に記載されている。図２は上記文献で示されているペレ
ット入射装置の固体水素生成・射出部で、ペレット加速
時の状態を示す。ノズル８および固体水素生成部５は絶
対温度１０Ｋ程度の極低温状態に冷却されており、ノズ
ル８の中心部で固体水素４を生成する。打ち抜きパイプ
１１によって打ち抜き製造されたペレット３を加速ガス
１７が加速し、ペレット３は打ち抜きパイプ１１内で加
速され、数ｋｍ／ｓの速さで核融合装置にむかって飛ん
で行く。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術では
、図２の加速ガス供給管１および打ち抜きパイプ１１内
を流れるペレット加速ガス１７の熱が、ノズル８および
固体水素生成部５などの極低温部へ侵入することに対し
て考慮されてなかったため、極低温部の温度上昇が起こ
っていた。射出動作を繰り返すことによって温度上昇は
積算され、やがて極低温部の温度が固体水素４の液化点
（１４Ｋ）に達し、固体水素４が溶解してペレットの射
出動作が継続できなくなる。

【０００５】本発明の目的は、装置の極低温部を、加速
ガス供給管および打ち抜きパイプなどの加速ガスの受熱
部と断熱させることによって固体水素の溶解を防止し、
ペレット入射装置の繰り返し射出性能を向上させること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、加速ガス１
７の受熱部と極低温部との間に熱伝導率の小さな断熱空
間を設けることによって達成できる。

【０００７】

【作用】上記手段を加速ガス供給管１および射出管２に
適用した場合を、図４および図５を用いて説明する。図
４の加速ガス供給管１において、内管１３を設けて加速
ガス１７を流す空間１５を設け、内管１３と外管３１と
の間に断熱ギャップ部１４を設けることによって、内管
１３に侵入した加速ガス１７の熱が外管３１および極低
温部へ侵入することを防ぐ。また、図５のペレット射出
管２でも、打ち抜きパイプ１１と射出管２の間に断熱ギ
ャップ部１４を設けることによって、打ち抜きパイプ１
１が受け取った熱が射出管および極低温部に侵入するこ
とを防ぐ。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【０００９】図１０にペレット入射装置２７による核融
合装置２５の密度制御の様子を示す。核融合装置２５の
内部で水素同位体プラズマ２６が核融合反応を起こして
おり、反応が進むにつれてプラズマ２６の燃料密度が減
少し、新たな燃料補給が必要となる。そこで、燃料ガス
貯蔵装置２８からペレット入射装置２７に燃料ガスを送
って固体水素ペレット３を作り、さらに加速ガス貯蔵装
置２９から加速ガスを送ってペレット３を高速射出する
。入射装置２７から射出されたペレット３は接続管３０
通って核融合装置２５内に入り、プラズマ２６の新たな
燃料となる。

【００１０】図１は本発明によるペレット入射装置の固
体水素生成・射出部の一実施例の構造を示し、ペレット
３を射出した瞬間である。本発明に従って加速ガス供給
管１および射出管２およびガス排気部２０の断熱性能を
強化している。

【００１１】装置の中心部にあるノズル８の内部で固体
水素４を生成する。熱交換器９および固体水素生成部５
は、冷却管６内に液体ヘリウムを流すことで、極低温状
態を維持している。電磁弁７はリザーバ１０にためたペ
レット加速ガス１７を加速ガス供給管１に送りこむため
の高速開閉動作弁である。また、打ち抜きパイプ１１は
ペレット３を形造るための鋳型の役目と、射出するため
の銃身の役目の両方を兼ねる。ガス排気部２０は、ペレ
ット射出動作終了後に残る加速ガスの残留分２２を装置
外部に排気する部分である。加速ガス供給管１の内部に
内管１３を設けている。外管３１はステンレス鋼などの
金属で作り、加速ガス供給管１の機械的強度を維持する
。一方、内管１３はポリイミド樹脂や繊維強化樹脂など
の、金属に対して十分の一以下の低熱伝導物質で作り、
内部空間に加速ガス１７を流す。内管１３と外管３１と
は直接接触しておらず、両者の間には断熱空間を設けて
いる。同様に、打ち抜きパイプ１１と射出管２も直接接
触しない構造をとっている。さらにガス排気部２０に関
しても、残留ガス２２との接触表面を低熱伝導物質で作
った熱シールド１９で覆っている。

【００１２】本実施例におけるペレットの射出動作につ
いて以下説明する。

【００１３】まずノズル８内に燃料水素ガスを送りこむ
。次に熱交換器９の温度を調節してノズル８を水素の固
化温度（絶対温度１４Ｋ）以下に冷却し、内部に充填し
た水素ガスを冷却固化する。さらに、生成した固体水素
４をピストン１８で押し下げ、ノズル８の下部でペレッ
トの大きさに断面変形しながら加速ガス供給管１および
ペレット射出管４の接続部まで押し出す。押し出した固
体水素４に打ち抜きパイプ１１を左にスライドさせてパ
イプ１１内に直径１〜５ｍｍ，長さ１〜５ｍｍの円筒形
ペレットを打ち抜き製造する。ペレット打ち抜き後、電
磁弁７を開いてリザーバ１０にためていた高圧ガス１７
を加速ガス供給管１に送りこむ。ペレット３は打ち抜き
パイプ１１内で加速され、数ｋｍ／ｓの速さで核融合装
置に向かって飛んで行く。ペレット射出終了後、打ち抜
きパイプ１１を、再び、右にスライドして元の位置に戻
す。加速ガス供給管１および打ち抜きパイプ１１に残っ
ていた残留ガス２２をガス排気部２０を通して外部に排
気するとともに、固体水素４をピストン１８で再び押し
出して、次の射出動作にひかえる。

【００１４】以上の一連の動作を繰り返すことによって
、ペレット３の繰り返し射出を行う。

【００１５】本実施例を用いた場合のペレット射出動作
時における加速ガス１７の熱侵入の様子を図３を用いて
説明する。図３は図１の中心部の拡大図である。

【００１６】はじめに、ペレット射出時における熱侵入
について説明する。

【００１７】図３において、加速ガス１７は、ノズル８
および固体水素生成部５とは直接接していない内管１３
の中を経由して打ち抜きパイプ１１の中に入り込み、ペ
レット３を加速する。ペレット３が加速している間、内
管１３および打ち抜きパイプ１１は内部を通過する加速
ガス１７から熱を受け取る。しかし、内管１３を低熱伝
導物質で作ったため、内管１３の受熱部からノズル８お
よび固体水素生成部５などの極低温部に向かう熱伝導現
象が抑制される。従来技術では加速ガス供給管１の外管
３１がガス１７の通過部であると同時に管の機械的強度
を保つ部分でもあり、従って、その材質は機械的強度を
保つためにステンレス鋼などを用いる必要があった。本
実施例では、内管１３はガス１７の圧力に耐える程度の
強度をもてば十分であるため、ステンレス鋼の十分の一
程度の熱伝導率しか持たない繊維強化樹脂（ＦＲＰ）や
、百分の一以下の低熱伝導物質であるポリイミド樹脂な
どを使用することができる。すなわち、従来と比較して
、採用する材料各々の熱伝導率にしたがった断熱強化が
可能となる。さらに内管１３と外管３１との間に断熱ギ
ャップ部１４をもうけたことで、構造的に極低温部への
熱伝導現象を抑制している。打ち抜きパイプ１１と射出
管２との間にも断熱ギャップ１４を設けることによって
同様の効果がある。

【００１８】なお、本実施例において、加速ガス供給管
１の内管１３および打ち抜きパイプ１１の受熱部は、加
速ガス１７の熱が逃げにくいために温度上昇を起こす。 しかし、内管１３は固体水素４に直接接触する部分では
ないので加速ガス１７の熱によって温度が上昇しても固
体水素４の溶解の原因とはならない。さらに、打ち抜き
パイプ１１に関しても、ペレット３が通過する時間が通
常１ｍｓ程度と短時間であること、および通過中ペレッ
ト３は打ち抜きパイプ１１と接触しているペレット表面
が蒸発して断熱層を形成することなどから、打ち抜きパ
イプ１１の温度上昇もペレット３の溶解の原因にはなら
ない。すなわち、熱が内管１３および打ち抜きパイプ１
１に滞留してもペレットの射出動作には支障はない。

【００１９】以上、本実施例において、ペレット射出中
に生じる加速ガス１７の熱エネルギ受熱部から極低温部
への熱の侵入量を低減することができる。熱侵入量が低
減することによって極低温部は、従来の冷却能力の範囲
あるいは若干の性能向上で熱除去が可能となり、従って
固体水素４の温度上昇を防ぐことができる。

【００２０】つぎに、ペレット射出終了後の熱侵入につ
いて述べる。

【００２１】打ち抜きパイプ１１がもとの位置に戻り、
残留ガス２２がガス排気部２０に充満する。この場合に
も、熱シールド１９が受熱部となることで、固体水素生
成部５への熱侵入量を低減する。従来技術における受熱
部表面が銅および銅合金であったことに比べると、本実
施例による熱シールド１９の受熱部表面の熱伝導率は、
繊維強化樹脂を用いた場合は百分の一，ポリイミド樹脂
の場合は千分の一以下まで低減することができる。従っ
て、残留ガス２２による熱侵入量を従来に比べると無視
できる程度まで防止でき、ペレット射出時と同様、熱侵
入は従来の冷却技術で除去可能となる。

【００２２】以上の効果より、ペレット入射装置に本実
施例を用いることで、ペレットの全射出動作中における
固体水素生成部５の温度上昇を抑制し、固体水素４の溶
解を防ぐことができる。この結果、従来以上の繰返し射
出頻度および射出数の向上を達成することができる。

【００２３】本発明の他の実施例である加速ガス供給管
１およびペレット２射出管の構造を図４および図５を用
いて説明する。

【００２４】図４において、内管１３を低熱伝導物質で
作ることに加えて、さらに断熱ギャップ部１４を真空状
態にすること、もしくは、低熱伝導物質を充填すること
もしくは液体ヘリウムなどの冷媒を充填することによっ
て加速ガス供給管１の断熱効果を高める事ができる。　
断熱ギャップ部１４を積極的に真空状態にすることで内
管１３から外管３１への熱伝導をほぼ完全に防ぐことが
できる。また、低熱伝導物質を充填したり、単に空間を
設けているだけでも従来の金属熱伝導よりも十分の一以
下の断熱性能が達成できる。さらには、液体ヘリウムな
どの冷媒を充填したり、外界との間を循環させることに
よって、除熱も可能である。その結果、加速ガス供給管
１の内管１３が加速ガス１７から受け取った熱が極低温
部へ侵入する経路を、図中のパイプストッパ１２の部分
に限定させ、熱伝導をさらに抑制することが可能である
。ストッパ１２に低熱伝導物質を用いることによってさ
らに断熱効果を高めることが可能であり、以上の結果と
して、加速ガス供給管１から固体水素生成部５およびノ
ズル８などの極低温部への熱侵入をさらに抑制すること
ができる。

【００２５】図５においても、打ち抜きパイプ１１を低
熱伝導物質で作ることで断熱効果を高めることができる
。その結果、ガスから受け取った熱が極低温部へ伝わる
侵入路は固体水素４を打ち抜く先端部に限定され、加速
ガス供給管１と同様の断熱効果を達成することができる
。

【００２６】以上の結果より、二実施例をともに組み合
わせることで、加速ガス１７からの熱侵入による固体水
素４の溶解を防ぐことができる。

【００２７】図６に本発明の他の実施例を示す。本実施
例は、図３の実施例に加えて、さらに内管１３が得た熱
がストッパ１２経由で極低温部へ侵入することを防止す
ることを目的としている。図中、ストッパ１２は内管１
３とのみ接合し、加速ガス供給管１の外管３１とは接触
させていない。ストッパ１２と外管３１との間にも断熱
ギャップ部１４を設ける。従って内管１３の受熱部から
侵入した熱はストッパ１２に滞留し、外管３１および極
低温部への熱伝導を防止できる。本構造では断熱ギャッ
プ部に冷媒を充填することは不可能だが、真空断熱を施
すことは可能であるため、真空断熱と上述の熱の滞留効
果とを合わせることによって極低温部への熱の侵入を図
３と比較してさらに抑制することができる。

【００２８】図７に本発明の他の実施例を示す。本実施
例は、図３で示した構造に加えて、加速ガス供給管１お
よびペレット射出管２とノズル８および固体水素生成部
５との間にも外側断熱ギャップ部２３を設けることで、
加速ガス１７の熱侵入をさらに抑制している。外側断熱
ギャップ部２３は、単なる真空断熱空間にしたとしても
、低熱伝導物質を充填した場合でも、従来技術における
外管３１およびペレット射出管２と極低温部との間の熱
伝導率を十分の一以下に低減することができる。すなわ
ち、加速ガス供給管１の外管および射出管２に侵入して
きた熱を極低温部へ送らずに滞留させることができる。 さらには、たとえば断熱ギャップ部１４に冷媒を充填す
ることによって、内管１３の熱のみならずストッパ１２
およびストッパ１２と接合している外管３１の熱も極低
温部へ侵入する前に除去することができる。

【００２９】図８に本発明の他の実施例を示す。本実施
例は加速ガス供給管１のみならず打ち抜きパイプ１１が
得た熱も、外部から冷媒を流して除去することを目的と
している。図８で示した構造に加えて、冷却管６を加速
ガス管１および射出管２の外側に設けている。加速ガス
供給管１の先端部は、内管１３と外管３１とを直接接合
させて、熱伝導を良くしている。また、打ち抜きパイプ
１１と射出管２も直接接触させて、熱伝導を良くしてい
る。この構造をとることで、ペレット射出中に加速ガス
管１およびストッパ１２および打ち抜きパイプ１１が温
度上昇しても、冷却管６に冷媒を流すことによって、固
体の熱伝導性の良さを利用して冷却できる構造となって
いる。本実施例によって、受熱部から極低温部へ向かう
熱の大部分を除去することができる。

【００３０】図９に本発明の他の実施例を示す。本実施
例は熱シールド１９に侵入した残留ガス２２の熱をも外
部へ除去することを目的とする。低熱伝導率物質で作っ
た熱シールド１９と固体水素生成部５との間に冷媒だめ
２４を設ける。冷媒だめ２４は液体ヘリウムなどを貯蔵
することができ、外界から注入できる構造にする。ペレ
ット射出動作中、冷媒を循環させることによって、残留
ガス２２から受け取った熱シールド１９の熱を外部に除
去することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、固体水素生成部への加
速ガスの熱侵入を抑制でき、ペレット射出動作中の固体
水素の溶解を防ぐことができる。従って、運転時間が数
百秒の実用炉に必要な数百〜千個の繰り返しペレット射
出が可能となる。また、射出に必要なガス放出総量を増
加することが可能となり、ペレットのより高速射出が実
現できる。さらに、繰り返し射出数を増加できるため、
小さなペレットを高頻度で炉に供給することが可能とな
り、従来と比較してより安定したプラズマの密度制御が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す固体水素生成・射出部
の断面図。

【図２】従来のペレット入射装置の固体水素生成・射出
部の断面図。

【図３】本発明のペレット入射装置の一実施例の断面図
。

【図４】本発明の一実施例である加速ガス管の断面図。

【図５】本発明の一実施例である射出管の断面図。

【図６】本発明のペレット入射装置の第二の実施例の断
面図。

【図７】本発明のペレット入射装置の第三の実施例の断
面図。

【図８】本発明のペレット入射装置の第四の実施例の断
面図。

【図９】本発明のペレット入射装置の第五の実施例の断
面図。

【図１０】ペレット入射装置による核融合装置のプラズ
マ密度制御の様子を示す説明図。

【符号の説明】

１…加速ガス供給管、２…ペレット射出管、５…固体水
素生成部、８…ノズル、１２…ストッパ、１３…内管、
１４…断熱ギャップ部、１７…加速ガス、１９…熱シー
ルド、２０…ガス排気部、２３…外側断熱ギャップ部。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体水素生成部とガス排気部およびノズル
   からなる極低温部と、加速ガス供給管と打ち抜きパイプ
   およびペレット射出管からなる加速ガスの受熱部から構
   成される核融合装置のペレット入射装置において、前記
   極低温部と前記加速ガスの受熱部との間に熱伝導率の小
   さな空間を設けたことを特徴とするペレット入射装置。
2. 【請求項２】核融合装置のペレット入射装置において、
   極低温部と加速ガスの受熱部との間に加速ガスの熱を滞
   留させる空間を設けたことを特徴とするペレット入射装
   置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記加速ガス供給管の
   内部および前記ペレット射出管の内部に加速ガス通過部
   と断熱部を設けたペレット入射装置。
4. 【請求項４】請求項３において、前記加速ガス通過部と
   他の構成要素とを非接触構造としたペレット入射装置。
5. 【請求項５】請求項１において、前記加速ガス供給管お
   よび前記ペレット射出管と、固体水素生成部およびノズ
   ルとの間に断熱部を設けたペレット入射装置。
6. 【請求項６】請求項１において、前記加速ガス供給管お
   よび前記ペレット射出管に冷却管を設けたペレット入射
   装置。
7. 【請求項７】請求項１において、前記極低温部で、加速
   ガスとの接触部表面に断熱部を設けたペレット入射装置
   。