JPS5912332B2 - 水素の排気方法およびその排気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、たとえば水素プラズマ装置や水素イオン源
等に適用される水素の排気方法およびその排気装置に関
する。

最近、制御熱核融合を目的とした水素プラズマ実験装置
、各種水素プラズマ源、水素イオン源などにおいて、多
量の水素とりわけ、プラズマ中の高エネルギー水素イオ
ン（プロトン）や水素原子を確実に排気し所要空間から
除去することができる装置（広義の真空ポンプ）が要求
されている。

これらの装置に要求される性能面における第一の特徴は
、排気速度がこれまでの常識からすると途方もなく大き
く、最大排気量（例えば単位時間に排気できる最大原子
数）も極めて大きいことである。

例えば制御熱核融合を目的としたトカマク型水素プラズ
マ実験装置では中規模のものでも中性粒子換算１０−５
〜１ ０−’Ｔｏｒｒの水素に対して１０５〜１ ０’
ｌ／Ｓｅｃの排気速度を有し、排気量１ ０ 〜１
０ ０ Ｔｏｒｒ 、１／ｓｅｃに達するものが必要で
あると見込まれている。

しかるにこれらの装置はまだ核融合実用炉には程遠いも
ので、今後臨界実験炉を経て実用炉に至ると、プラズマ
密度が必然的に高くなるため、上述の例より、さらに２
桁程度粒子密度が高い中性粒子に換算して１０−３〜１
０’−２Ｔｏｒｒの水素を取扱う必要があるものと見
込まれている。

水素排気装置に求められる第二の特徴は、プラズマを磁
力線に沿って排気装置へ導き（ダイバータ作用）、高エ
ネルギーの水素イオンや原子を主体としたいわゆる熱い
水素粒子を排気することである。

したがって従来の真空ポンプを用いる場合には一旦粒子
中性化装置等により熱平衡状態の水素分子にしなければ
ならないと考えられる。

これらの目的に使用できるかどうか検討がなされている
真空ポンプには大別して、（［）ケツタポンプ、（１１
）クライオポンプ、（ｉｉｉ）触媒ポンプ、６■）軸流
分子ポンプ、及び（Ｖ）拡散ポンプかある。

ゲッタポンプには、チタン（Ｔｉ ）サブリメーション
ポンプ、スパッタイオンポンプ、バルクゲッタポンプな
どが知られている。

しかるにこれらのポンプはいずれもチタンやジルコニウ
ム（Ｚｒ）合金などの金属に水素を吸着または吸蔵（溶
解）させて排気するものであるため（溜込式）、排気量
に限界があり、既排気量の増加とともに平衡圧が上昇す
る。

またそれぞれの形式のポンプは水素排気に対して固有の
欠点を有している。

例えばチタンサブリメーションポンプは、液体窒素で冷
却した器壁にチタンを蒸着するため定期的に真空を破っ
て器壁を掃除する必要があり、その頻度は蒸着膜が剥離
を起こす恐れのある例えば膜厚０．０５ｇ／ｃｒ／ｉに
なるたびに行なわなければならない。

スパッタイオンポンプでは、ガスのイオンがポンプの陰
極を構成しているチタンに作用してチタンをスパッタさ
せるとともに、ガス及びそのイオンが新しいチタン表面
に吸着ないしはチタンと化合物を作り、その結果活性ガ
スを排気するのであるが、水素排気の場合には水素イオ
ンが軽いため陰極面をスパッタする能力が低く、（スパ
ッタ効率０．０１以下）、本来のスパッタイオンポンプ
の機能が十分なされないと考えられる。

また単位排気速度当りの価格も高くなる。

クライオポンプで水素を排気する場合にはクライオパネ
ルを２．３°に程度に冷却する必要があり、周囲からの
僅かの輻射熱も実効的な器壁温度の上昇をもたらすので
、近くに粒子中性化装置などの強力な熱源が存在する場
合には取付が極めて困難である。

触媒ポンプは化学反応により水素を水蒸気に変換し、水
蒸気を液体窒素冷却面等に凝結させて水素を気相から除
去するものである。

水素を水蒸気に変換する反応器は高温のレニウム（Ｒｅ
）フィラメントとそれに面した酸化銅表面から構成され
ており、フィラメント上で熱解離した水素原子が酸化鋼
表面に直接作用して水蒸気か生成される。

このポンプでは酸化銅が水素原子により還元され消耗す
るので、大きな水素排気量が要求される場合には酸化銅
表面の寿命延長や再生方法について何らかの工夫か必要
である。

以上３種の分類にはいる真空ポンプはいずれも、ガスを
固体の内部または表面に吸蔵、吸着または凝結して気相
から取除くいわば溜込式ポンプである。

しかし制御熱核融合装置等が実用に近づくにつれ取扱う
水素量が増加し、溜込式ポンプでは素子の交換や再生を
頻繁に行なわなければならなくなるため、この採用には
限界がある。

また融合炉において水素（燃料）や反応生成物を循環さ
せる場合も考慮すると困難が多い。

結局多量の水素を取扱う装置では被排気系内（プラズマ
容器内等）から排気系外へガスを排出することのできる
動力学的ポンプの方が適していると考えられる。

軸流分子ポンプと拡散ポンプは動力学的ポンプである軸
流分子ポンプは最近一般の真空装置に広く使用されるよ
うになったが、核融合実験装置等に必要な排気速度の極
めて大きなものを作ることは困難で、構造的に高価なも
のになってしまう欠点がある。

拡散ポンプでは作動液として使用される油や水銀の逆流
によるプラズマ汚染や油の放射化が懸念され、核融合を
目的とした水素プラズマ装置には現在のところ拡散ポン
プの使用は殆んど考えられていない。

この発明は上記点にかんがみてなされたもので、主とし
て水素プラズマ装置や水素イオン源などで熱い水素（高
エネルギー水素イオン、水素原子など）を排気すること
ができる大排気量排気方法およびその排気装置を提供す
ることを目的とするものである。

すなわち、この発明を第１図を参照しながら説明すれば
、水素を排気し得る排気系路１に適度に加熱し得るパラ
ジウム合金等の水素透過膜２を設けて被排気室３と排気
室４とに区劃し、その排気室４に酸素を導入して該水素
透過膜２の面を酸素雰囲気に維持し、前記被排気室３か
らの水素が水素透過膜２を透過したのち前記水素透過膜
２面の液素と反応することにより水蒸気を生成させて排
気系外に排出させることを特徴とする水素の排気方法お
よびその排気装置である。

以下、この発明に係る装置の１実施例を第１図および第
２図を参照しながら説明する。

この発明に係る水素の排気装置は基本的には、高エネル
ギー水素イオン（Ｈ：）や同水素原子（Ｈ米）が射突す
る真空（プラズマ）容器壁つまり排気系路１の一部また
は全部をパラジウム（Ｐｄ）合金板等の水素選択透過膜
２で構成し、この透過膜２により真空（プラズマ）容器
つまり被排気室３と排気室４との空間とを区劃するよう
になっている。

被排気室３内には案内管２１が支持板２２で配設されて
いる。

また、前記被排気室３との対向側には密閉された排気室
４が膨大部を形成して設けられている。

該排気室４には適当量の酸素ガスを流入するための酸素
導入機構２０と、３重に配置されたルーバー状熱遮蔽板
群５ａ、５ｂ、５ｃおよび液体窒素を収納した液体窒素
冷却トラップ６とが配設されている。

このトラップ６は熱絶縁ガイシ２３を介してパイプ１３
．１４により排気室４内の上部に固定されている。

水素選択透過膜２は排気系路１の外周面に設けられたヒ
ータなどの加熱装置７により例えば５００℃前後に加熱
される。

なお、案内管２１からの破線は磁力線を示す。

ところで、このような装置において被排気室３から水素
が排気できる理由を次のように説明する。

第２図において、まず、水素透過膜２の被排気室３側の
表面に射突した水素イオンや原子は、膜２との相互作用
の結果、表面に吸着したのち溶解するか、大きい運動エ
ネルギーのため表面層に打込まれ、表面のすぐ内部での
水素濃度が高くなる。

これらの水素の一部は表面で再結合し水素分子として被
排気室３側へ脱離するが、大部分は水素の拡散係数が大
きいたとえばパラジウム合金膜２内を濃度勾配にしたが
って濃度の低い反対側つまり排気室４の表面に向って拡
散移動する。

一方、水素透過膜２の裏面は酸素雰囲気に維持されてお
り、薄い金属酸化膜が形成されている（酸素が吸着して
いると考えてもよい）。

そのため固体中拡散により透過膜２の裏面側に達した水
素はこの酸化膜を還元しくあるいは吸着酸素と結合して
）水蒸気となって脱離する。

水蒸気は透過膜２の裏面を含む排気室４内に設けられた
液体窒素トラップ６の表面に速かに凝結し気相から除去
される。

このようにして水素透過膜２の裏面側の水素濃度は常に
薄めらイ１、膜２内に水素の濃度勾配が形成されて水素
の拡散が促進される。

水素透過膜２の温度は膜中の水素の拡散速度と膜裏面に
おける水蒸気生成の反応速度、水蒸気脱離（蒸発）速度
などに関係するが、実験の結果パラジウム合金板を用い
た場合には５００°Ｃ前後がもつとも適している。

しかして、真空（プラズマ）容器つまり被排気室３内の
高エネルギー水素粒子は案内管２１に導ひかれ点線で示
した磁力線に沿って水素透過膜２表面に導かれる（ダイ
バータ作用）。

また水素透過膜２の加熱はこの高エネルギー水素粒子の
衝撃（運動・エネルギー→熱エネルギー変換）により行
なわれる（加熱装置７の例）。

酸素導入機構２０は酸素ボンベ８、酸素純化装置９、可
変流量弁１０などから構成されており、パイプ２６を介
してノズル１１から水素透過膜２の裏面に向けて均一に
酸素が噴射するようにしである。

可変流量弁１０は例えば排気室４内の酸素圧力を圧力計
（真空計）１２により読取り、電気回路（図示せず）に
より自動的に流量を調整して排気室４の圧力を一定に保
つためのものである。

熱遮蔽板群５は図示したように、たとえばステンレス鋼
板の短冊をルーバ状に配ダルてなる３重の独立した遮蔽
板構体５ａ。

５ｂ、５ｃからなり、水素透過膜２からの輻射熱を効果
的に遮断する一方気体の流れに対するコンダクタンスを
減少させないように工夫しである。

液体窒素トラップ６は液体窒素の導入パイプ１４および
導出パイプ１３のほかは空間を形成している排気室４と
断熱されている。

排気室１４にはバルブ１５（通常は閉）を介して補助ポ
ンプ１６がパイプ１９により接続しである。

これは液体窒素トラップ６の表面に凝結した水蒸気を定
期的に排気室４外へ排出するためのもので、このときに
はバルブ１５を開放し、トラップ６の温度を常温または
さらに高い温度にする。

この頻度は水素排気量にもよるが、通常は少ない。

なお、排気室４内の水蒸気、酸素以外の残留ガスを減少
させる目的でこのほかに小型の補助真空ポンプ（例えば
軸流分子ポンプ）１７をパイプ２４を介し接続して常時
運転することも可である。

第３図はこの発明の他の実施例を示すもので、第１図と
同一部分は同一符号で丁し重複する部分の説明を省略し
である。

すなわち第１図における水蒸気を凝結して排気する液体
窒素トラップ６を用いる代りに、排気室４内の水蒸気、
酸素等を排気室４から室外へ大径パイプ２５を介して排
出するため軸流分子ポンプ等の動力学的ポンプ１８を設
けてもよい。

結局排気室４内で酸素は水素のキャリヤの役割をなすの
で（水蒸気の形で）、排気室４内の水蒸気圧を減少させ
ることにより透過膜２裏面の実効的な水素圧力が低下し
、真空（プラズマ）被排気室３から水素が排気できるの
であり、この発明を実施するにあたりこの趣旨に沿うも
のであれば上記の実施例に限定されるものではない。

なお以上の説明から明らかなように、この発明によれば
水素選択透過膜２は裏面で水素を酸化する酸化剤の作用
を兼ね備えている。

この膜２の材料には純パラジウムのほか、銀（Ａｇ ）
、金（Ａｕ）など１種類以上の元素を含むパラジウム
合金が適しているが、その他にニッケル（Ｎｉ）（合金
）などを使用することもできる。

裏面は水素透過膜２と同一材料（使用状態では薄い酸化
層が形成されている）であるほか、銅（Ｃｕ）などの使
用温度（室温〜１０００°Ｃ）で酸化物生成の自由エネ
ルギー（絶対値）が水素より小さい金属の薄膜を蒸着や
メッキ等により形成してもよい。

また被排気水素の様態はイオン、原子などのいわゆる熱
い水素のほか、分子状水素であってもよいことはいうま
でもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る水素の排気装置の１実施例を１
部側面で示す縦断面図、第２図は第１図におけるＡ部を
拡大して示す縦断面図、第３図はこの発明に係る水素の
排気装置の他の実施例を１部側面で示す縦断面図である
。 １・・・・・・排気系路、２・・・・・・水素透過膜、
３・・・・・・被排気室、４・・・・・・排気室、５・
・・・・・熱遮蔽板群、６・・・・・・液体窒素冷却ト
ラップ、７・・・・・・加熱装置、８・・・・・・酸素
ボンベ、９・・・・・・酸素純化装置、１０・・・・・
・可変流量弁、１１・・・・・・ノズル、１２・・・・
・・圧力計（真空計）、１３・・・・・・液体窒素の導
入パイプ、１４・・・・・・液体窒素の導出パイプ、１
５・・・・・・バルブ、１６・・・・・・補助ポンプ、
１７・・・−・・小型補助ポンプ、１８・・・・・・動
力学的ポンプ、１９・・・・・・パイプ、２０・・・・
・・酸素導入機構、２１・・・・・・案内管、２２・・
・・・・支持板、２３・・・・・・熱絶縁ガイシ、２４
・・・・・・パイプ、２５・・・・・・大径パイプ、２
６・・・・・・パイプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水素を排気し得る排気系路に適度に加熱し得るパラ
   ジウム合金等の水素透過膜を設けて被排気室と排気室と
   に区画し、その排気室に酸素を導入して該水素透過膜面
   を酸素雰囲気に維持し、前記被排気室からの水素が前記
   水素透過膜を透過したのち前記水素透過膜面の酸素と反
   応することにより水蒸気を生成させることを特徴とする
   水素の排気方法。 ２ 排気系路と、この排気系路内に収納されたパラジウ
   ム合金等の水素透過膜と、この膜により区画された被排
   気室および排気室と、この排気室に配設された少くとも
   酸素導入機構および水蒸気を排気する装置とを具備して
   なることを特徴とする水素排気装置。 ３ 前記排気室の水蒸気を排気する装置が液体窒素等の
   冷媒で冷却されたタライオパネルからなり前記酸素導入
   機構が圧力監視装置と直結された制御装置により自動的
   に制御される可変流量弁とからなり、前記排気室内の〔
   水蒸気圧〕／〔酸素圧〕の比を十分小さくほぼ一定値に
   保つようにしたことを特徴とする特許 水素排気装置。