JPS6079287A

JPS6079287A - 核融合装置

Info

Publication number: JPS6079287A
Application number: JP58187049A
Authority: JP
Inventors: 隆司岡崎; 英士福本; 紘一真木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1983-10-07
Publication date: 1985-05-07
Also published as: JPH0154676B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は核融合装置のブランケットに係シ、特にトリチ
ウム増殖材で生成されたトリチウムを効果的に回収する
核融合装置に関する。

〔発明の背景〕

核融合装置の１つの型式であるトカマク型核融合装置を
例に挙げて説明する。

トカマク型核融合装置のボロイダル断面上半分を第１図
に示す。プラズマ１はトロイダルコイル５及びボロイダ
ルコイル６によって発生するトロイダル磁場及びボロイ
ダル磁場によシ閉じ込められる。プラズマ１の外側には
、これを取シ囲むように、トリチウム生産と核融合反応
によって生成した中性子の運動エネルギー金熱エネルギ
ーに変換するブランケット３が設置されている。ブラン
ケット３のうち、プラズマ１に直面した面には、通常第
１壁２と呼ばれる、プラズマ１からの熱輻射及び荷電粒
子の衝突を直接受ける面がある。ブランケット３の外側
には、これを取シ囲むように中性子及びガンマ線の漏れ
を防ぐための遮蔽体４が設置されてｂる。

従来のブランケット３では、第２図に示すように、トリ
チウム増殖材８はトリチウム増殖材冷却流路９でいくつ
かの層に分離されている。プラズマ１で発生する熱の１
０〜２０％を第１壁２で受ける。また、ブランケット３
の内部では、プラズマ１に近い領域の方が発熱密度が高
いために、トリチウム増殖材冷却流路９はプラズマ１に
近い領域の方に散在密度が高くなるように設置されてい
る。通常トリチウム増殖材８としては、Ｌｊ２０が用い
られ、ブランケット内の冷却用冷却材としては軽水が用
いられる。また、冷却流路壁、トリチウム増殖材８及び
プシンケラト容器７には、通常、Ｓ　［１’　Ｓが用い
られる。

トリチウム増殖材８で生成されたトリチウムは、トリチ
ウム増殖材領域を流れるトリチウムキャリア、例えば、
ヘリウムガスにより、連続的に回収される。トリチウム
の連続回収に必要なトリチウム増殖材温度は、トリチウ
ムが熱運動でトリチウム増殖材の結晶格子間から放出す
るのに適した放出最適温度４００　Ｇ−１０００１：”
である。

従来のブランケットにおいては、上記温度範囲内にトリ
チウム増殖材温度を保つように、トリチウムキャリアで
あるヘリウムガス（熱伝導率１．４２ｘｘｏ”Ｗ／ｍＫ
）中に熱伝導率の低いアルゴンガス（熱伝導率１．．６
３　Ｘ　１０”Ｗ／ＩｎＫ）　ｋ混入して、トリチウム
増殖領域内の有効熱伝達率を下げていた。その結果、放
出最適温度範囲の１最低温度以下の温度になるトリチウ
ム増殖材領域を少なくしていた。

ところが、アルゴンガスをヘリウムガス中に混入して、
トリチウム増殖材温度を放出最適温度範囲に保つことは
、次の点に問題がある。

第１の問題は、トリチウムキャリアの熱伝達率の低下に
より、放出最適温度範囲の内の最低温度以下の温度にな
るトリチウム増殖領域を少なくすることができるが、ト
リチウム増殖材中の温度傾斜が大きくなるために、トリ
チウム増殖材中の最高温度の値が高くなることによって
、上記最高温度である１０００ｔ：’を越えてしまうこ
とである。

第２の問題は、トリチウムキャリアとして、ヘリウムガ
スとアルゴンガスの２成分になるために、アルゴンガス
とヘリウムガスを分離しなければならないことである。

ヘリウムガスからトリチウムを分離するには、次に示す
プロセスを取っていた。

（１）ヘリウムガスとトリチウムガスとの混合ガスヲ触
媒酸化反応塔へ入流して、トリチウムガス（Ｔ２）をＴ
　２０にまで酸化させる。触媒にはＣＯを用いる。この
ため、トリチウムキャリア中には、ヘリウムガス（Ｈｅ
）　、　Ｔ　２０　＋　ＣＯ＋　ＣＯ２が含まれている
。

（２）　ＣＯ，ＣＯ２その他不純物は、液体窒素温度の
低温吸着トラップで吸着させて取シ除く。

（３）ｉ−ｈｅとＴ２Ｏの混合ガスを液体窒素冷媒のコ
ールドトラップでＴｚＯＪ：氷にし、Ｈｅと分離する。

（４）氷の’ｔ”２０を昇化液化して、電気分解セルで
、Ｔ２ガスに変換する。

以上のような複雑、かつ、困難な技術に加えてアルゴン
ガスが更にトリチウムキャリア中に混入すると、上記プ
ロセスの他に、ヘリウムガスとアルゴンガスを分離する
技術が必要になる。

また、ブランケットまでの配谷系統が、アルゴンガス系
統分だけ増え、配管が更に複雑になる。

このように、トリチウムキャリアにアルゴンガスを混入
してトリチウムの回収を行うことには、上記の欠点があ
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、トリチウム増殖材で生成されたトリチ
ウムを効果的に回収するブランケットを有する核融合装
置を提供することである。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために、本兄明の核融曾装置のブラ
ンケットでは、各領域におけるトリチウム増殖材の最低
温度と冷却用材料の温度差と、トリチウム増殖材の最高
温度と冷却用材料の温度差との比率に従って、上記領域
にある冷却用材料の流路幅を変化させ、かつ、各トリチ
ウム増殖材に取り句けられるトリチウムキャリア管入口
にオリフィスを設置し、上記トリチウム増殖材の最高温
度とトリチウム増殖材の放出最適温度範囲の内の最高温
度との比率に従って上記トリチウムキャリア管の管径を
変化させることビ特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例によって説明する。第３図に、本
発明の一実施例である核融合装置のブランケットの概略
図を示す。第３図において、８はトリチウム増殖材領域
、本例では４つに分割しである、９は各トリチウム増殖
材領域の冷却用流路、１０は冷却用材料、例えば軽水の
流入口、１１は冷却用−材料の流出口、１２はトリチウ
ムキャリア、例えば、ヘリウムガスの流入口、１３はト
リチウムキャリアの流出口である。冷却用材料は、流入
口１０からプランケット容器内に入少、流路９を通って
、核発熱で発生した熱量を吸収して、流出口１１よシブ
ランケラト容器の外に出る。トリチウムキャリアは、流
入口１２よシ各トリチウム増殖材領域に入υ、ポーラス
状のあるいはベレット状等のトリチウム増殖材のすきま
を通って、トリチウム増殖材から生成されたトリチウム
との混入ガスとなって流出口１３よシ、ブランケット容
器の外に出る。

プラズマに近いトリチウム増殖領域程、核発熱量が多い
。従って、トリチウム増殖材温度を放出最適温度範囲で
ある４００ｃ〜１ｏｏｏｃに保つための構造を第４，５
図に示す。第４図は、第３図の縦断面図である。第４図
において、８はトリチウム増殖材、９は冷却用流路、１
ｏは冷却材料の流入口、１２はトリチウムキャリアの流
出口である。トリチウム増殖材の各領域の最低温度は、
各領域の外側を取シ囲むように流れる冷却用材料の流量
できまる。第４図では、核発熱量の多い、プラズマに近
いトリチウム増殖材領域では、それを取シ囲む流量が多
くなるように、流路幅を大きくし、また、核発熱量が少
ない、プラズマから遠く離れたトリチウム増殖材領域で
はそれを取シ囲む流量が少なくなるように、流路幅をせ
まくしたブランケット構造を示す。

第５図は、第３図の横断面図である。第５図（ａ）にお
いて、７はブランケット容器、８はトリチウム増殖材領
域、９は冷却用流路、１ｏは冷却用材料の流入口、１２
はトリチウムキャリアの流出口、１４はオリフィスであ
る。本例では、オリフィスはトリチウムキャリアの流出
口側に設置しであるが、トリチウムキャリアの流入口側
に設置しても良い。各トリチウム増殖領域の最高温度は
、トリチウムキャリアの流量に反比例する。核発熱量が
多くなるプラズマに近いトリチウム増殖領域では、上記
領域内での最高温度は、プラズマから離れたトリチウム
増殖領域内の最高温度よシ高くなる。

そこで、トリチウム増殖領域がプラズマに近くなる程ト
リチウムキャリアの流量ヲ多くして、各トリチウム増殖
領域の最高温度を１ｏｏｏｃ以下におさえる。第５図（
ｂ）では、トリチウム増殖領域がプラズマに近くなる程
、トリチウムキャリアの流量を多くするために、トリチ
ウムキャリア管１５の各トリチウム増殖領域への注入あ
るいは注出口にオリフィスを設置し、オリフィスの厚さ
をプラズマに近くなる程薄くしたものを示す。すなわち
、第５図（ｂ）において、（１）はａ　ａ／断面を、（
２）はｂｂ／断面を、（３）はｃ　−ｃ　’断面を、（
４）はｄ　−ｄ／断面金示す。また第５図（Ｃ）はｅ　
−ｅ　’断面を示す。

第６図に、第３〜５図に示したブランケット構造におけ
る、ブランケット増殖領域の温夏分布の１例を示す。第
６図において、核融合出力４４０ＭＷプ之ンケット幅５
０ｃｍ、冷却用材料として軽水、トリチウムキャリアと
してヘリウムガス、トリチウム増殖材としてＬｉｚＯ、
ブランケット容器、トリチウム増殖材のケース、冷却管
、トリチウムキャリア管共にＳＵＳの場合である。トリ
チウム増殖材の温度分布を調節しない場合、領域１の最
高温度が８５５０となシ、各領域の内でもつとも高い。

領域４の最低温度は２１５Ｃで、各領域の内でもつとも
低い。このように、トリチウム増殖材の放出最適温度４
００Ｃ〜１０００　Ｃの範囲に含まれない領域がある。

従来技術として、アルゴンガスをヘリウムガスに混入し
たトリチウムキャリアを用いる場合、冷却用材料とトリ
チウム増殖材との間を流れるトリチウムキャリアの熱伝
達率が小さくなるので、冷却用材料に最も近い所のトリ
チウム増殖領域の温度は、トリチウムキャリアとしてヘ
リウムガスのみを用いる場合に比べて尚くなる。これに
伴い、各領域のトリチウム増殖材の最高温度が上がる。

本発明では、各トリチウム増殖領域間を流れる冷却用材
料の流路を、各領域のトリチウム増殖材の最低温度と冷
却用材料の温度差と、上記領域のトリチウム増殖材の最
高温度と冷却用材料の温度差との比率に従って、従来の
一率５簡の冷却用材料流路幅を５ｍｍ、５聴、１６鮨。

２．４簡に変吏する。これによって、各領域の最低温度
を放出最適温度内にする。次に各領域（１〜４）のトリ
チウムキャリアの流量ヲオリフイスで調節する。第６図
では、第３，４領域の最低温度を４００Ｃ７：で上げた
ために第３，４領域の最高温度が１ｏｏｏｔ：’近くま
で高くなるので、トリチウムキャリア泥倉を第２．３．
４領域共に１．２倍にしたものである。この例では、オ
リフィス７！−第１゜２領域のトリチウムキャリア注入
、注出口にオリフィス金板り付けた。

トリチウムキャリアの流量について示す。核融合出力４
４０ＭＷの場合、冷却用材料とヘリウムガスの両者で冷
却すべき熱量は３５２ＭＷである。

ヘリウムガスの流量でトリチウム増殖材温度をコントロ
ールするには、上記３５２ＭＷの内の１０チである３５
ＭＷ分′ｌｃ調節して、上記トリチウム増殖材温度差を
約１００Ｃまで変動させる必要がある。トリチウムキャ
リアとして、例えばヘリウムガスを用いる場合その定圧
比熱ＣはＣ＝５．２Ｊ／ｇ、にである。冷却用材料の温
度差が、ブランケットの入口と出口で５００の場合、ト
リチウムキャリアのブランケットの入口と出口での温度
差を５０Ｃとする。ブランケット内に流すべきトリチウ
ムキャリアガスの流量Ｘは、上記温度差をΔＴ（＝５０
Ｃ）熱量Ｗ（−３５ＭＷ）とすると、Ｘ＝Ｗ／Ｃ−ΔＴ
よシ、Ｘ＝］４１に７／　ｓｆ６る。

以上結果、トリチウム増殖材温度は放出最適温此４ｔｌ
ＯＣ〜１０００　Ｃ内に保つことができる。寸だ、アル
ゴンガスを使用しないので、トリチウムキャリアから、
アルゴンガスを分離する必要がなく、トリチウム回収系
が複雑にならない。

以下、本発明の他の実施例を示す。Ｍ７，８図は冷却用
材料の流路幅のＡ節にスペーサーを使用した実施例であ
る。第７．８図において、１６はスペーサーでおる。こ
の実施例では、各トリチウム増殖領域間の冷却用材料の
流路幅９は一定である。流路に設置するスペーサーの本
数で冷却用材料の流量を調節する。トリチウム増殖領域
はプラズマに近い程、核発熱量が多いので、プラズマに
近いトリチウム増殖領域間程、スペーサーの数を少なく
する。

第９図は、本発明の他の実施例である。第９図（ａ）で
は、トリチウムキャリアの流量を調節するために、オリ
フィスを用いないで、トリチウムキャリア管の管径を円
節したものである。核発熱量が多くなるプラズマに近い
トリチウム増殖領域和、トリチウムキャリア管１５のト
リチウム増殖領域への注入あるいは注出口の管径をふと
くしたブランケット構造である。第９図（ｂ）において
、（１）はａａｔ断面を、（２）はｂ−ｂ’断面を、（
３）はｃ−ｃ’断面を、（４）はｄ　ｄ／断面を示す。

第１０図は本発明の他の実施例である。第１゜図におい
て、７はブランケット容器、８はトリチウム増殖領域、
ｌＯは冷却用材ト［のブランケットへの流入口、１１は
冷却用材料のブランケットからの流出口、１２はトリチ
ウムキャリアのブランケットへの注入口、１３はトリチ
ウムキャリアのブランケットからの注出口、１７は冷却
用材料の流路を管で構成したもの、１８は各トリチウム
増殖領域間の冷却用材料の流路を・Ｕで構成したもの、
１９はプラズマに面するブランケット壁である。

冷却用材料は、流入口１０からプシンケラト容器７内に
入シ、冷却管で構成され１ζ流路１７゜１８を渡れて、
核発熱で発生し２だ熱量を吸収して、流出口１１よりブ
ランケット容器７の外へ出る。

トリチウムキャリアは、注入ロ１２Ｊ、リブランケット
容器７内の各トリチウム増殖領域に入シ、トリチウム増
殖材のすきまを通って、トリチウム増殖材から生成され
たトリチウムとの混合ガスとなって注出口１３より、ブ
ランク”ツト容器７の外に出る。

本実施例では、冷却管を並べで、冷却用材料の流路を形
成して、ブランケット構造の強度を高めたものである。

各トリチウム増殖領領の最低温度は、各領域を取シ囲む
ように流れる冷却用材料の流量できまる。

トリチウム増殖材の温度をトリチウムの放出に適した４
００Ｃ〜１ｏｏｏｃに保つ必要がある。各トリチウム増
殖領域の最低温度を４００Ｃ以上に保つために、核発熱
量の多い、プラズマに近いトリチウム増殖領域では、そ
れを取り囲む冷却用材料の流量が多くなるように、冷却
管１８の管径を太くシ、また、核発熱量が少なく、プラ
ズマから遠くはなれたトリチウム増殖領域では、それを
取シ囲む冷却用材料の流量が少なくなるように、冷却管
１８の管径をほそくする。この冷却管の管径の変化の仕
方は、第６図のところで示した方法を用いる。

各トリチウム増殖領域の最高温度は、トリチウムキャリ
アの流量に反比例する。トリチウム増殖材の温度は上記
の４００ｃ〜１０００ｃに保つ必要がある。各トリチウ
ム増殖領域の最高温度を１０００Ｃ以下にするために、
トリチウム増殖領域がプラズマに近くなる程、核発熱量
が多く、上記領域の最高温度が、プラズマから遠く離れ
た領域の最高温度より尚くなるので、トリチウムキャリ
アの流量を多く流す。例えば、第５図、第９図に示した
方法で、トリチウムキャリアの流Ｍを各領域で変化させ
る。

第１１図は本発明の他の実施例である。第１１図におい
て、７はプシンケラト容器、８はトリチウム増殖領域、
１０は冷却用材料のブランケットへの流入口、１１は冷
却用材料のブランケットからの流出口、１２はトリチウ
ムキャリアのブランケットへの注入口、１３はトリチウ
ムキャリアのブランケットからの注出口、１７は冷却用
材料の流路を管で構成したもの、１８は各トリチウム増
殖領域間の冷却用材料の流路を看で構成したもの、１９
ｉ；ｊプ、９．＜マに面したプランケラＨ！：、２０は
各トリチウム増殖領域へのトリチウムキャリア注入口で
ある。注入口２０には、トリチウムキャリアの流量調節
器２１．例えば、トリチウム増殖材の温度に伴って流量
を変化させる、バイメタルで構成された流量調節器が設
置しである。

冷却用材料は、流入口１０からブランケット容器７内に
入シ、冷却管で構成された流路１７゜１８を流れて、核
発熱で発生した熱量を吸収して、流出口１１よシブラン
ケラト容器７の外へ出る。

トリチウムキャリアは、注入口１２よＱブランケット容
器内に入シ、流量調節器２０を通って各トリチウム増殖
領域へ入る。上記トリチウムキャリアは上記トリチウム
増殖材のすきまを通って、上記トリチウム増殖材で生成
されたトリチウムとの混合ガスとなって注出口１３よシ
、ブランケットの外に出る。

本実施例では、各トリチウム増殖領域に入るトリチウム
キャリアの流量ヲ、トリチウム増殖材の温朋変化に伴っ
て、変えるところに特徴がある。

このトリチウムキャリア流量調節器２０は、各領域内で
トリチウム増殖材が最高温度になる所に設置される。例
えば、流量調節器２０を各トリチウム増殖領域のほぼ中
央に設置した場合、第１１図４／Ｃｙｌ＜すように、ト
リチウムキャリア庄出口１３は、上記トリチウム増９Ｆ
４９Ｍ域内をトリチウムキャリアが一様に流れるように
、上記トリチウム増ｍ領域内の２箇所に設置する。トリ
チウム増殖材の温度がトリチウムの放出に適した４００
ｃ〜１０００ｔ；に保つための、冷却用材料の流布及び
トリチウムキャリアの流量を調節するには、第３図〜第
１０図に示したいずれの方法も用いることができる。

本実施例では、トリチウム増殖材の温度変化に伴って、
トリチウムキャリアの流量を変化させることができるの
で、想定核融合出力が変動してブランケットでの核発熱
量が変化しても、トリチウムの放出に適した４００ｃ〜
１０００ｔ：”にトリチウム増殖材の温度を保つことが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、アルゴンガスをトリチウムキャリアに
混入しないで、トリチウム増殖材の温度をトリチウムの
放出に適した温度範囲に保つことができるので、トリチ
ウム増殖材で生成されたトリチウムを効果的に回収する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核融合装置のボロイダル断面上半分を示す図、
第２図は従来の核融合装置のブランケットの概略図、第
３図は本発明の一実施例である核融合装置のブランケッ
トの概略を示す図、第４図は本発明のブランケットの縦
断面図、第５図は本発明のブランケットの横断面図、第
６図はブランケット増１ｌｆｉ領域の温度分布を示す図
、第７図は本発明の他の実施例のブランケットの縦げ［
面図、第８図は本発明の他の実施例のブランケットの立
体図、第９図は本発明の他の実施例の横障ｒ曲図、第１
０図及び第１１図は本発明の他の実施例の立体図である
。１・・・プラズマ、２・・・第１壁、３・・・ブランケ
ット、４・・・遮蔽体、５・・・トロイダルコイル、６
・・・ホロイダルコイル、７・・・ブランケット容器、
８・・・トリチウム増殖材、９・・・トリチウム増殖冷
却流路、１０・・・冷却用材料の流入口、１１・・・冷
却用材料の流出口、１２・・・トリチウムギヤリアの注
入口、１３・・・トリチウムキャリアの注出口、１４・
・・オリフィス、１５・・・トリチウムキャリア管、１
６・・・スヘーサー、１７・・・冷却用材料の流路、１
８・・・トリチウム増殖領域間の冷却用材料の流路、１
９・・・プラズマに面したブランケット壁、２０・・・
各トリチウム増殖領域へのトリチウムキャリア注入口、
２１・・・ト１ノチ渫　１　図第２ス

Claims

【特許請求の範囲】

１、プラズマの外側を取シ囲むように設置された核融合
装置のブランケットにおいて、各領域におけるトリチウ
ム増殖材の最低温度と冷却用材料の温度差と、上記領域
のトリチウム増殖材の最高温度と冷却用材料の温度差と
の比率に従って、上記領域にある冷却用材料の流路幅を
変化させ、かつ、谷トリチウム増殖材に取シ付けられる
トリチウムギヤリア管入口にオリフィスを設置し、上記
トリチウム増殖材の最高温度とトリチウム増殖材のトリ
チウム放出最適温度範囲の内の最高温度との比率に従っ
て上記トリチウムキャリア管の管径を変化させることに
よシ、各領域のトリチウム増殖材温度を、トリチウムが
トリチウム増殖材から放出するのに適した放出最適温度
範囲に保つことを特徴とする核融合装置。