JPH0836076A

JPH0836076A - 核融合炉用プラズマ緊急停止装置

Info

Publication number: JPH0836076A
Application number: JP6170511A
Authority: JP
Inventors: Takuro Honda; 琢郎本多; Takashi Okazaki; 隆司岡崎; Koichi Maki; 紘一真木; Yasushi Seki; 泰関; Isao Aoki; 功青木
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1996-02-06
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JP3248044B2

Abstract

(57)【要約】【目的】核融合炉において、真空容器外のダイバータ
冷却管部のギロチン破断事故時等の事故時に、構造体の
健全性を保ちながらプラズマを緊急停止させることがで
きるプラズマ緊急停止装置を提供すること。【構成】１０１はダイバータ、１０２はダイバータ冷
却管、１０３は圧力センサ、１０４は制御装置、１０５
は不純物注入装置、１０６は緊急冷却装置、１０７は真
空隔離弁、１０８は下部遮蔽体、１０９はブランケット
である。制御装置１０４は圧力センサ１０３の検知信号
を処理し、冷却材圧力が定常値から急激に減圧すれば不
純物注入装置１０５及び緊急冷却装置１０６の作動を指
令する。この結果、不純物注入装置１０５が、制御装置
１０４の制御信号に基づいて不純物を真空容器内に注入
する。不純物注入装置１０５の作動と同時に緊急冷却装
置１０６が，制御装置１０４の信号により冷却材をダイ
バータの受熱部付近の冷却管に注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，核融合炉において，プ
ラズマを緊急に停止させるプラズマ緊急停止装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】定格運転中の核融合炉において、真空容
器外で主ポンプ付近のダイバータ冷却管がギロチン破断
した場合，約１．５秒で冷却材が全て喪失する。この
時，熱的に最も厳しい負荷を受けるダイバータでは、プ
ラズマが着火した状態が続けば，約１秒から２秒で銅の
冷却管が溶融してしまう。これに対し、こうした緊急時
に働く軽水炉にあるような補助冷却系を設けることが考
えられるが、更にもう一系統の大がかりな冷却ループ系
を設けることになり、現在の核融合炉の設計案では空間
的な余裕がない。

【０００３】また、将来の核融合炉においても経済性を
重視するため、現在より一層コンパクトな炉設計を考え
ていく必要があり、炉内に新たに緊急冷却系ループを設
ける余裕は無いと考えられる。従って、この様な事故事
象時には，速やかにプラズマを停止させる手段が必要で
あった。

【０００４】プラズマを停止させる方法は，ソフトラン
ディングにより緩やかに停止させる方法や，プラズマ内
部の不安定性を誘起しディスラプションで瞬時に停止さ
せる方法がある。ここでソフトランディングとは、プラ
ズマ電流や磁場配位を制御し、プラズマの平衡を保ちな
がら停止させることを言う。この時にかかる時間はコイ
ル等の電源装置に依存するが、実験炉クラスの核融合炉
では２０秒程度要する。従って冷却管破断のような緊急
時には、ディスラプションでプラズマを瞬時に停止する
しかない。このような概念だけは既に考えられていた
が、具体的な方策に欠けていた。

【０００５】また、たとえこの様な緊急停止方法を用い
ても、事故の検知から停止までに余裕を見て２秒程度は
どうしてもかかり、ディスラプションを発生させてプラ
ズマを停止させるだけでは、冷却管ギロチン破断のよう
な早い事故事象の進展には有効でない。

【０００６】従って、定格運転中のダイバータ冷却管ギ
ロチン破断のような事故事象に対して有効な対応策はま
だない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】定格運転中の核融合炉
において、真空容器外での冷却管の破断事故は安全上重
要な検討課題の一つに指摘されている。この中で最も深
刻な事故シナリオは、ダイバータの冷却管のギロチン破
断事故である。ダイバータはプラズマからの熱を受けと
め、不純物をプラズマ外に排気する重要な機器のひとつ
で、熱的に最も厳しい条件に置かれることが予想されて
いる。その有力な構造のひとつは，黒鉛材等の耐熱材料
の中に熱伝導度の高い銅等の冷却管に冷却材を流し、除
熱する構造になっている。例えば、国際熱核融合実験炉
(ITER)の設計では、定格運転時に最大２０MW/m²もの熱
流束を受けて、その黒鉛材表面は1000度程度になり、冷
却管表面付近で約400度になることが予想されている。
除熱のためにダイバータには、流速１０m/s程度で３５
気圧に加圧した冷却水が流される。

【０００８】真空容器外の主ポンプ付近のダイバータ冷
却管においてギロチン破断が起きた場合、軽水炉の事故
解析で使用されている熱水力事故解析コードを用いた解
析結果によれば、約1.5秒で全ての冷却材が喪失する。
この事故解析コードは軽水炉の安全解析に用いられるも
ので、その解析結果は現段階で信頼がおけると考えられ
る。冷却水の瞬時喪失によって銅の冷却管の場合、その
表面付近の温度は約１秒から２秒で融点に達することが
示されている。その後もプラズマが停止しなければ、ダ
イバータの表面温度の上昇と共に、黒鉛材表面から不純
物がプラズマに混入していき、最終的に制動輻射損失が
増大してプラズマは自然に消滅すると考えられている。

【０００９】しかしこのようにプラズマが自然消滅する
までに、ダイバータは冷却管の溶融や黒鉛タイルの昇華
等で大きく損傷し、次の運転が事実上不可能となる恐れ
がある。真空容器内の構造体がここまで破損すれば、複
雑な構造を有し且つ誘導放射能が高い核融合炉の修理に
多大な時間と労力が必要とされる。

【００１０】この様な事態を避けるために、核融合炉に
おいて異常時にプラズマを停止させる手段が必要とな
る。しかも、ダイバータの冷却管ギロチン破断事故で
は、事象が進展していく時間スケールが前述のように早
いので、その停止系も非常に早い能動的なシステムであ
ることが必要である。その手段として、ディスラプショ
ンを発生させてプラズマを停止させる方法がある。

【００１１】ディスラプションはトカマク型核融合炉に
固有の現象で、何らかの原因でプラズマ内の電磁流体力
学的不安定性（ＭＨＤ不安定性）が誘起され、瞬時にプ
ラズマが消滅する現象である。これまで炉を正常に運転
する立場からは、ディスラプションを極力抑えることが
最大の課題であった。ディスラプション時にはプラズマ
がそれまで保持していたエネルギーを、数１０msの時間
内に構造体に放出する。この時の熱流束は、最大で２０
MJ/m²にも達するが、その熱的影響は構造体の表面に留
まり内部までは及ばない。従って、修理をすることなし
に次の運転に入れるプラズマ停止系として、ディスラプ
ションを発生させて瞬時にプラズマを停止させる方法が
考えらる。

【００１２】しかし、これまでの概算では例えば、不純
物ペレットを高速でプラズマに射出してディスラプショ
ンでプラズマを停止せるまで、異常の検知から早くても
２秒程度は必要である。一方、ギロチン破断後のダイ
バータ冷却管は１〜２秒程度で溶融することから、ディ
スラプションの発生による停止だけは、ダイバータ冷却
管ギロチン破断ような事象にはあまり有効ではない。

【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、核融合炉においてダイバータ冷却管ギロチ
ン破断のような事故時に、核融合炉の構造体の健全性を
保ちながら緊急にプラズマを停止することができるプラ
ズマ緊急停止装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、以下の二点を組み合わせて用いることが重要にな
る。

【００１５】第一に、ディスラプションを発生させる手
段である。ディスラプションの根本的な発生メカニズム
は、まだ良く解明されていないが、これまでの核融合実
験装置の経験から、いくつかの方法でディスラプション
を発生させることができる。例えば、その応答が早く確
実にディスラプションを引き起こす方法として、プラズ
マの密度限界を利用するものと，磁場配位の崩れを利用
するものが考えられる。密度限界とは、運転状態で決ま
ってくるプラズマ中の電子密度の上限値で、これを越え
るとＭＨＤ不安定性が誘起されディスラプションが起き
る。

【００１６】先ず、密度限界によってディスラプション
を引き起こすためには、例えば、プラズマからの制動輻
射パワーを急増させて密度限界を急激に引き下げ，ＭＨ
Ｄ不安定性を誘起させる必要がある。制動輻射を増大さ
せるには、プラズマに不純物を注入すればよい。この手
段として、例えば、固体不純物で作成したペレットを高
速で射出する方法がある。ペレットを加速する方法とし
ては、例えば高圧のガスを利用する。射出器はペレット
を内蔵し、炉の運転中は常に待機状態にしてある。放射
線の影響を防ぐために、射出器本体は遮蔽壁外に設置
し、真空容器内には加速管を通じて射出される。加速管
の途中には、真空容器内との真空を確保するために弁を
設けることも考えられる。この弁は、射出器と連動して
高速で開閉する。射出器には、射出後のガスの逆流防止
のため高速で開閉する弁を設ける。また別の方法とし
て、気体の不純物ガスを用いる場合が挙げられる。例え
ば、高圧ボンベの中に不純物ガスを封入し、事故時に圧
力弁を瞬時に解放して真空容器内に不純物ガスを注入す
る。以上の不純物注入器は、ダイバータの冷却管に取り
付けられた圧力センサと連結され、ギロチン破断時の冷
却材の減圧を検知して作動する。

【００１７】ディスラプションを発生させる別の方法例
としてプラズマの平衡を保っている制御コイルの電源を
切る方法がある。この時プラズマは位置の安定性を失
い、構造体に衝突してディスラプションを起こす可能性
もあり、不純物注入法の場合と比べ構造体の損傷が大き
くなる恐れがある。

【００１８】第二の手段は、真空容器外でのダイバータ
冷却管ギロチン破断後瞬時に失われる冷却能力を、確保
するための緊急冷却装置である。第一の手段によりプラ
ズマが消えるまでの間（例えば数秒間）、冷却管材の温
度を融点以下の適正温度以下に維持するため、ダイバー
タの受熱部付近の冷却管内に冷却材を注入する。例え
ば，加圧された液体叉は気体の冷却材をタンク内に保持
し、これを圧力弁を通して最も熱的に厳しい受熱部付近
の冷却管に接続しておく。上記の圧力センサが減圧を感
知すると、ディスラプション発生装置に作動信号が送ら
れるのと同時にこの緊急冷却装置を作動させる。緊急冷
却装置の能力は、プラズマが消えるまでの間、受熱部付
近の冷却管を冷却できれば良い。従って、大がかりな冷
却装置を必要としない。

【００１９】また別の方法として、冷却材が瞬時に喪失
しないよう受熱部付近の冷却管の前後を閉鎖弁、例えば
電磁弁で封鎖し、冷却材を保持して冷却機能を保つこと
が考えられる。この閉鎖弁は、冷却材の瞬時喪失を防ぐ
ためのもので、その意味では冷却管を完全密閉するほど
の精度は必ずしも必要ではない。

【００２０】異常事象、例えば、真空容器外ダイバータ
冷却管ギロチン破断が発生した場合、以上の二つの装置
を連動して作動させることが重要である。例えば、大量
の不純物を注入されたプラズマは、不純物による制動放
射損失が急激に増大し、ＭＨＤ不安定性が誘起され、そ
の後ディスラプションを起こして瞬時に消滅する。プラ
ズマの定常状態が崩れてディスラプションが起きるま
で、実験結果によると数100msの時間スケールである。
プラズマを停止するまで、異常あるいは事故の検知から
の時間を含めると数秒かかる（最短で約２秒）。その
間、冷却管には緊急冷却装置によって冷却され融点以下
の適正使用温度に保たれる。ディスラプション時には、
数１０msでプラズマのエネルギが放出される。しかし、
その時の過大な熱負荷の影響は、アーマタイル表面の溶
融・昇華に留まり冷却管付近までは及ばない。

【００２１】以上のようにして、異常事象において、核
融合炉の構造体の損傷を最小限に止め、次の炉の運転再
起動を容易にできる。

【００２２】

【作用】ダイバータの冷却管が真空容器外でギロチン破
断を起こすような異常事象が発生した場合、冷却材は急
激に減圧し冷却能力を喪失する（例えば核融合実験炉ク
ラスでは、１秒から２秒で冷却材は全て喪失する）。こ
の異常事象をセンサ、例えば冷却管に設置された圧力セ
ンサで検知すると、その信号が本発明のプラズマ緊急停
止装置に送られる。センサの信号により、ディスラプシ
ョン発生装置が作動し、これと同時に緊急冷却装置も働
いて、冷却管の温度を融点以下に維持する。

【００２３】ディスラプション発生装置が作動すると、
例えば、大量の不純物を注入されたプラズマは、不純物
による制動放射損失が急激に増大する。この段階で、プ
ラズマの出力が低下して密度限界と呼ばれる電子密度の
上限値も急速に下がる。

【００２４】一方、プラズマの電子密度はプラズマ出力
程急激に下がらないので、密度限界値に達しＭＨＤ不安
定性が誘起され、ディスラプションを起こして瞬時に消
滅する。その間緊急冷却系も作動し、冷却管には冷却装
置によって冷却され融点以下の適正使用温度に保たれ
る。ディスラプション発生時には、プラズマのエネル
ギが放出されるため非常に大きな熱が核融合炉の構造体
に放出されるが、一般にディスラプションの時間スケー
ルが熱伝導の時間スケールに比べ非常に短いので、その
時の影響はアーマ材の表面の溶融・昇華に留まり冷却管
付近までは及ばない。

【００２５】異常事象を検知するセンサは、冷却管の減
圧状態を検知して直接その信号を停止装置に送るので、
人間の判断を介さず素早い装置の起動が可能で安全性の
面からも信頼性が高い。

【００２６】更にこの装置は、核融合炉の他の異常ある
いは事故時にプラズマを緊急停止させる手段として用い
ることができる。例えば、プラズマが出力の異常上昇を
起こしてその制御能力を失った時、ディスラプション発
生装置のみを作動させてプラズマを停止させることもで
きる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２８】図１には、本発明に係るプラズマ緊急停止
装置の一実施例の構成が示されている。同図は核融合炉
の下部のダイバータ付近の断面を示したものである。同
図において１０１はダイバータ、１０２はダイバータ冷
却管、１０３は圧力センサ、１０４は制御装置、１０５
は不純物注入装置、１０６は緊急冷却装置、１０７は真
空隔離弁、１０８が下部遮蔽体、１０９がブランケット
である。

【００２９】ダイバータ１０１はプラズマからの熱を受
け不純物を排気する役目をする。ダイバータ冷却管１０
２には、加圧した冷却材（例えば、水）を流す。また圧
力センサ１０３により冷却材の減圧状態を検知する。国
際熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）を対象とした解析によれ
ば、冷却材圧力は、ギロチン破断後約０.５秒で定常値
の１/５、約１.５秒でほぼ大気圧まで減圧する。

【００３０】制御装置１０４が圧力センサ１０３からの
信号を処理し、冷却材圧力が定常値から急激に減圧すれ
ば不純物注入装置１０５及び緊急冷却装置１０６の作動
を指令する。

【００３１】この結果、不純物注入装置１０５が、制御
装置１０４から出力される制御信号に基づいて不純物を
真空容器内に注入する。不純物注入装置１０５は安全を
保守的に考慮して、二系統以上が設置される。

【００３２】不純物注入装置１０５の作動と同時に緊急
冷却装置１０６が，制御装置１０４の信号により冷却材
をダイバータの受熱部付近の冷却管に注入する。ここで
緊急冷却装置１０６は下部遮蔽体１０８に一部埋め込む
ことににより、コンパクトな収納を可能とするように構
成されている。真空隔離弁１０７は真空を確保するため
の弁で、不純物注入時には制御装置１０４の信号で瞬時
に解放される。下部遮蔽体１０８は放射線に対する遮蔽
体で、この実施例の場合、この部分に緊急冷却装置１０
６を埋め込む。

【００３３】本実施例により、大がかりな緊急冷却系を
用いなくても、核融合炉の異常あるいは事故時にダイバ
ータの損傷を最小限にして、プラズマを緊急に停止する
ことができる。

【００３４】図２にはトカマク型の核融合炉の構成が示
されている。同図において２０１が炉心プラズマで，燃
料重水素と三重水素をプラズマ状態にして磁場により閉
じ込めたもので、外部の加熱装置により約一億度まで加
熱され核融合反応が起きる。２０２は第一壁であり、こ
の第一壁はプラズマに最も近接した壁でプラズマからの
熱や放射線を受けとめる。ここでは、熱負荷を緩和する
目的で第一壁２０２の表面に黒鉛材等のアーマ材が取り
付けられる。また、第一壁２０２は強制冷却される。

【００３５】２０３はブランケットでプラズマから発生
した中性子を吸収して燃料三重水素を増殖する。この目
的のため、ブランケット内には、中性子の数を増倍して
燃料の増殖率を高める中性子増倍材と中性子を吸収して
三重水素を作る増殖材が充填される。ブランケット内で
も、中性子とこれら物質との核発熱除去のため強制冷却
される。２０４、２０５及び２０６がトロイダルコイ
ル、ポロイダルコイル及びソレノイドコイルで、プラズ
マを閉じ込めるための磁場を発生させる。２０７はプラ
ズマの位置や形状を制御するための制御コイルである。
２０８は真空容器、２０９が排気ダクト、２１０がクラ
イオスタットである。ダイバータは２１１で、プラズマ
からの熱を受けとめ、不純物や核燃焼後の灰であるα粒
子を排気ダクト２０９から排気する。

【００３６】不純物注入装置としては，例えば、不純物
ペレット注入装置を用いる。これは不純物ペレットを例
えばガス圧等により加速するものである。その構成の一
例を図３に示す。３０１が銃身、３０２がペレット挿入
器、３０３がガス弁開閉機構、３０４が加圧ガスタンク
である。

【００３７】上記構成において挿入器３０２により装填
された不純物ペレットが、ガス弁の開閉機構３０３を作
動させることによりでガス圧で加され、銃身３０１を通
ってプラズマ内に射出される。開閉弁として、例えば電
磁弁を用いる。不純物の候補として、制動輻射損失を増
大させるために高原子番号の元素が望ましいが、あまり
大きな原子番号の物質を注入すると、次にプラズマを再
着火する時に真空容器内の不純物除去が困難になる恐れ
がある。従って、核融合炉の炉壁材料にも使用される、
例えば炭素、ベリリウム等を用いる。ペレットの形状
は、例えば球または円筒状ものが射出に適している。円
筒状のものを射出する場合はその際の加速管との摩擦を
軽減するため、例えば加速管内面は鏡面仕上げを施す。
または、ペレットの安定性を考慮して、例えば加速管内
面に螺旋状の切り込みを付ける方法も考えられる。

【００３８】不純物ペレットを用いた場合のその初速度
は、ペレットの大きさとプラズマ中での蒸発量で決まっ
てくる。確実にプラズマを停止させるためには、不純物
をプラズマの中心付近まで注入する必要がある。国際熱
核融合実験炉を例に取れば、プラズマ表面から約２ｍの
点まで注入するとして、半径５ｍｍのペレットで約500
ｍ/ｓの初速が必要である。図４にペレットの半径と、
プラズマ中の到達距離の関係をペレット初速をパラメー
タに取って示した。

【００３９】以上の不純物ペレットによる方法は、動作
時間が短く不純物がプラズマ深部まで確実に届くので、
プラズマをディスラプションにより確実に停止させるこ
とができ、信頼性も高い。

【００４０】図５に不純物注入装置の他の構成例を示
す。５０１は不純物ガスの放出口、５０２は弁開閉機
構、５０３は高圧の不純物ガスタンクである。開閉弁と
して、例えば電磁弁を用いる。不純物ガスの候補とし
て、制動輻射損失を増大させるために高原子番号の元素
が望ましいが、あまり大きな原子番号の物質を注入する
と、次にプラズマを再着火する時に真空容器内の不純物
除去が困難になる恐れがある。

【００４１】また酸素等の化学的活性の大きいガスは、
高温の第一壁材と化学反応を起こすので避ける。従っ
て、例えばヘリウム等の不活性ガスが最適と考えられ
る。

【００４２】ディスラプションを引き起こすのに必要な
ガスの量は、プラズマ中の燃料ガスと同程度、例えば国
際熱核融合実験炉クラスでは0.001モル程度でよい。し
かし、不純物をガスとして注入する場合、固体のペレッ
トと比べて、プラズマの深部に到達するのに時間がかか
る恐れがある。瞬時に確実にディスラプションを引き起
こすためには必要量の数倍のガスを幾つかの方向からプ
ラズマへ向けて注入する必要がある。

【００４３】一方この方法は、不純物ペレットを打ち込
む方法と比べて、より構造が簡単にできペレットの製造
コスト等に比べ，コストの面からも有利である。

【００４４】図６に磁場配位の崩れを利用したプラズマ
緊急停止装置の他の実施例の構成を示す。同図において
６０１はダイバータ、６０２はダイバータ冷却管、６０
３は圧力センサ、６０４は制御装置、６０５はプラズマ
制御コイルの電源装置、６０６は緊急冷却装置，６０７
はプラズマ制御コイル、６０８はブランケット、６０９
は下部遮蔽体である。

【００４５】ダイバータ６０１はプラズマからの熱を受
け不純物を排気する役目をする。ダイバータ冷却管６０
２には、加圧した冷却材（例えば、水）が流れるように
なっている。圧力センサ６０３はダイバータ冷却管６０
２における冷却材の急激な減圧状態を検知する。国際熱
核融合実験炉（ＩＴＥＲ）を対象とした解析によれば冷
却材圧力は、ギロチン破断後約０.５秒で定常値の１/
５、約１.５秒でほぼ大気圧まで減圧する。

【００４６】制御装置６０４が圧力センサからの信号を
処理し、冷却材圧力が定常値から急激に減圧すれば緊急
停止装置の作動を指令する。制御コイルの電源装置６０
５が、制御装置６０４の信号によりプラズの平衡一を崩
すようにマプラズマ制御コイルにより生成される磁場を
制御または電源を遮断する。

【００４７】一方、緊急冷却装置６０６が，制御装置６
０４の信号により冷却材をダイバータ６０１の受熱部付
近の冷却管に注入する。この方法は，ディスラプション
を発生させるための新たな機器を必要としない利点があ
る。図７には緊急冷却装置の具体的構成が示されてい
る。同図において７００はダイバータ、７０１は圧力
弁、７０２は冷却材タンク、７０３は下部遮蔽体、７０
４は弁動作機構、７０５はダイバータ冷却管、７０６は
加圧器、７０７は圧力センサ、７０８はブランケット、
７０９は制御装置である。冷却材タンク７０２をダイバ
ータ７００裏側の下部遮蔽体７０３に埋め込むことでコ
ンパクトに納める。この際タンクは、中の冷却材の温度
が上がらないように断熱加工を施す。通常時には加圧器
７０６で加圧した状態で保持されている。冷却材として
は、通常のサイクルで用いているものと同じ物質（例え
ば、水、不活性ガス等）を用いる。保持しておくべき冷
却材の量は，不純物注入装置が作動して、プラズマがデ
ィスラプションを起こすまで冷却できればよい量であ
る。国際熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）を対象とした伝熱
解析によれば、通常の冷却機能の10％程度が確保できれ
ば十分と考えられる。例えばそのＩＴＥＲを例に取れ
ば、通常時の冷却水の流量を約9000kg/m²/sとすれば、
その十分の一の流量を２秒程度保てれば良い。その全量
はＩＴＥＲのダイバータでは、およそ５から１０ｍ³で
ある。

【００４８】本実施例によれば、大規模な緊急冷却系を
設けずに、ディスラプションでプラズマが消えるまでダ
イバータの健全性を保つことが可能になる。

【００４９】図８には緊急冷却系の構成の一例が示され
ている。同図において８０１は圧力弁、８０２はブラン
ケット、８０３はブランケットまたは第一壁の冷却管、
８０４は弁作動機構、８０５はダイバータ冷却管、８０
６は圧力センサ、８０７はダイバータ板、８０８は制御
装置、８０９は下部遮蔽体である。

【００５０】上記構成において、異常あるいは事故をセ
ンサ８０６が検知し，制御装置８０８に以上あるいは故
障を示す検知信号が送られる。制御装置８０８から出力
される制御信号により弁８０１が弁作動機構８０４によ
って解放され、ブランケット、下部遮蔽体あるいは第一
壁の冷却管８０３から冷却材を一部もらい受ける。

【００５１】一般に、ダイバータの冷却材圧力はブラン
ケットの冷却材圧力より高いので、冷却材が逆流しない
ようにダイバータ冷却材圧力が低くなってから弁８０１
は解放される。ブランケットや第一壁は、熱容量が大き
いため温度変化が緩やかで、一部冷却材をダイバータの
方にとられても、プラズマがディスラプションで消える
までその健全性を十分保つことができる。

【００５２】また冷却材伝熱解析結果によれば、ダイバ
ータでは通常の冷却機能の１０％程度をプラズマが停止
するまでの２秒程度が確保できれば十分と考えられるの
で、プラズマ停止後は弁８０１は閉じられる。

【００５３】本実施例によれば、緊急冷却用の冷却材タ
ンクを新たに設ける必要がなく、構成が簡単にできる利
点がある。

【００５４】図９には、本発明に係るプラズマ緊急停止
装置の他の実施例の構成が示されている。同図は核融合
炉の下部のダイバータ付近の断面を示したものである。
同図において９０１はダイバータ、９０２はダイバータ
冷却管、９０３は圧力センサ、９０４は制御装置、９０
５は不純物注入装置、９０６は冷却管封鎖装置、９０７
が下部遮蔽体、９０８はブランケットである。

【００５５】ダイバータ９０１はプラズマからの熱を受
け不純物を排気する役目をする。ダイバータ冷却管９０
２には、加圧した冷却材（例えば、水）が流れる。圧力
センサ９０３により、冷却材の急激な減圧状態を検知す
る。国際熱核融合実験炉（ＩＴＥＲ）を対象とした解析
によれば冷却材圧力は、ギロチン破断後約０.５秒で定
常値の１/５、約１.５秒でほぼ大気圧まで減圧する。

【００５６】制御装置９０４が圧力センサ９０３からの
検知信号を処理し、冷却材圧力が定常値から急激に減圧
すれば不純物注入装置９０５及び冷却管封鎖装置９０６
の作動を指令する。この結果、不純物注入装置９０５
が、制御装置９０４の信号により不純物を真空容器内に
注入する。不純物注入装置は安全を保守的に考慮して、
二系統以上が設置される。冷却管封鎖装置９０６は、制
御装置９０４から出力される制御信号に基づいて冷却材
をダイバータの受熱部付近の冷却管で封鎖し、保持す
る。ここで冷却材を封鎖し、保持する手段として、例え
ば電磁弁を用いる。冷却管は必ずしも密封される必要は
なく、プラズマがディスラプションで消えるまで、冷却
材が瞬時に全て喪失することを防ぎ、ある程度保持され
ればよい（例えば、定常時の１０％程度）。

【００５７】本実施例によれば、大がかりな緊急冷却系
を用いなくても（緊急用の冷却材を別に保持しておく必
要もない）、核融合炉の異常あるいは事故時にダイバー
タの損傷を最小限にして、プラズマを緊急に停止でき
る。

【００５８】図１０には、冷却管封鎖装置の具体的構成
が示されている。同図において１００１はダイバータ受
熱部の冷却材の入口、１００２は冷却材出口、１００３
は冷却管封鎖装置、１００４は制御装置、１００５は圧
力センサ、１００６はエアバック状の封鎖弁、１００７
はガスリザーバ、１００８は弁作動機構、１００９は下
部遮蔽体、１０１０はダイバータ板である。

【００５９】上記構成において、センサ１００５で真空
容器外のダイバータ冷却管のギロチン破断を検知する
と、その検知信号が制御装置１００４に送られ、ダイバ
ータ受熱部の冷却材の入口１００１と、出口１００２に
設置された冷却管閉鎖装置１００３が瞬時に閉じて、冷
却材の瞬時喪失を防止する。

【００６０】閉鎖弁は、冷却管の入口、出口に設置され
た、エアーバッグ状１００６のもので、作動信号により
瞬時に高圧ガスにより膨張し流路を塞ぐ。この弁は、必
ずしも完全に流路を密閉する必要はなく、不純物注入装
置が作動してプラズマが消えるまでの数秒間、冷却材を
保持できれば良い。

【００６１】本実施例は、ガス圧で膨張するエアバック
状の弁で流路を塞ぐもので、動作速度が早く信頼性も高
い利点がある。

【００６２】

【発明の効果】これまで核融合炉において、その異常
時、例えばダイバータ冷却管部のギロチン破断事故時に
は、ダイバータの冷却管の溶融を伴う構造体の大きな損
傷が予測され、これを防止する有効な手段がなかった
が、本発明によれば、炉の損傷を最小限に抑え容易に再
起動できる状態でプラズマを緊急停止することが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ緊急停止装置の一実施例
を示す構成図である。

【図２】核融合炉の構造の一例を示す鳥瞰図である。

【図３】本発明に係るプラズマ緊急停止装置の主要構成
機器であるディスラプション発生のための不純物注入装
置の構成図である。

【図４】図３の不純物注入装置において、ペレットの半
径とプラズマ中の到達距離との関係をペレット初速をパ
ラメータにして示した特性図である。

【図５】不純物注入装置の他の実施例を示す構成図であ
る。

【図６】ディスラプション発生のために磁場制御装置を
用いた本発明に係るプラズマ緊急停止装置の他の実施例
を示す構成図である。

【図７】本発明に係るプラズマ緊急停止装置の主要構成
機器である緊急冷却装置の一実施例を示す構成図であ
る。

【図８】本発明に係るプラズマ緊急停止装置の主要構成
機器である緊急冷却装置の他の実施例を示す構成図であ
る。

【図９】本発明に係るプラズマ緊急停止装置の主要構成
機器である緊急冷却装置の他の実施例を示す構成図であ
る。

【図１０】本発明に係るプラズマ緊急停止装置の主要構
成機器である緊急冷却装置の他の実施例を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１０１ダイバータ１０２ダイバータ冷却管１０３圧力センサ１０４制御装置１０５不純物注入装置１０６緊急冷却装置１０７真空閉鎖弁１０８下部遮蔽体１０９ブランケット２０１プラズマ２０２第一壁２０３ブランケット２０４トロイダルコイル２０５ポロイダルコイル２０６ソレノイドコイル２０７制御用コイル２０８真空容器２０９排気ダクト２１０クライオスタット２１１ダイバータ３０１銃身３０２ペレット挿入器３０３弁開閉機構３０４加圧ガスタンク５０１ガス放出口５０２弁開閉機構５０３不純物ガスタンク６０１ダイバータ６０２ダイバータ冷却管６０３圧力センサ６０４制御装置６０５制御コイル電源６０６緊急冷却装置６０７プラズマ制御コイル６０８ブランケット６０９下部遮蔽体７０１圧力弁７０２冷却材タンク７０３下部遮蔽体７０４弁作動機構７０５ダイバータ冷却管７０６加圧器７０７圧力センサ７０８ブランケット７０９制御装置８０１圧力弁８０２ブランケット８０３ブランケット、下部遮蔽体または第一壁の冷却
管８０４弁作動機構８０５ダイバータ冷却管８０６圧力センサ８０７ダイバータ板８０８制御装置８０９下部遮蔽体９０１ダイバータ９０２ダイバータ冷却管９０３圧力センサ９０４制御装置９０５不純物注入装置９０６緊急冷却装置９０７下部遮蔽体９０８ブランケット１００１受熱部冷却材入口１００２受熱部冷却材出口１００３冷却管封鎖装置１００４制御装置１００５圧力センサ１００６エアバック状封鎖弁１００７ガスリザーバ１００８弁作動機構１００９下部遮蔽体１０１０ダイバータ板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者真木紘一茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者関泰茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者青木功茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核融合炉の異常時にプラズマを停止させ
る緊急停止装置において、核融合炉の異常状態を検出する異常検出手段と、該異常検出手段の検出出力に基づいてディスラプション
を誘起しプラズマを停止させるディスラプション発生装
置と、前記異常検出手段の検出出力に基づいてディスラプショ
ンでプラズマが停止するまでの間、核融合炉の構造体の
冷却機能を一時的に確保するための緊急冷却系とを有す
ることを特徴とするプラズマ緊急停止装置。
【請求項２】前記ディスラプション発生装置は、ディ
スラプションを発生させるためにプラズマの制動放射損
失を増大させる原子番号の元素を有するペレットと、該
ペレットをプラズマに射出する入射装置とからなる不純
物注入装置を有することを特徴とする請求項１に記載の
プラズマ緊急停止装置。
【請求項３】前記ディスラプション発生装置は、ディ
スラプションを発生させるためにプラズマの制動放射損
失を増大させる原子番号のガスをプラズマに注入する不
純物注入装置を有することを特徴とする請求項１に記載
のプラズマ緊急停止装置。
【請求項４】前記ディスラプション発生装置は、ディ
スラプションを発生させるためにプラズマの磁場平衡配
位を崩す磁場制御装置を有することを特徴とするプラズ
マ緊急停止装置。
【請求項５】前記緊急冷却系は、ディスラプションの
発生によりプラズマが停止するまでの間，冷却材を構造
体の受熱部付近に配置された冷却管に冷却材タンクまた
は他の冷却管より注入することにより，プラズマが停止
するまで構造体の冷却機能を確保することを特徴する請
求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ緊急停止装
置。
【請求項６】前記緊急冷却系は、ディスラプションで
プラズマが停止するまで冷却材を構造体の受熱部付近に
配置された冷却管内に封鎖して保持し，プラズマが停止
するまでの間構造体の冷却機能を確保することを特徴す
る請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ緊急停止
装置。
【請求項７】前記元素は炭素であることを特徴とする
請求項２に記載のプラズマ緊急停止装置。
【請求項８】前記元素はベリリウムであることを特徴
とする請求項２に記載のプラズマ緊急停止装置。
【請求項９】前記ガスは不活性ガスであることを特徴
とする請求項３に記載のプラズマ緊急停止装置。
【請求項１０】前記ガスはヘリウムであることを特徴
とする請求項９に記載のプラズマ緊急停止装置。