JPS63131499A - クライオポンプの排気及び再起動方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は核融合中性粒子入射装置（以下車にＮＢＩ装置
という）等に用いられるクライオポンプの排気及び再起
動方法に関し、詳細には液体ヘリウムによって冷却され
ているクライオパネルに付着凝固させるべきガス分子を
選択し、クライオポンプの再起動を安全かつ効率的に実
施できる方法に関するものである。

［従来の技術］ クライオポンプを使用するＮＢＩ装置の概略を第２図に
示して説明する。ＮＢＩ装置は真空弁１０及び高速シャ
ッタ９を介して核融合炉２と接続される。核融合炉２の
運転時には真空弁１０を開とし、核融合炉２及びＮＢＩ
装置１は、図示しない真空ポンプによって高真空に保持
されている。中性粒子Ｂの入射に際しては高速シャッタ
９を開放し、イオン源ガス配管４を通じて供給される重
水素（以下Ｄ２という）をイオンビーム発生器５でイオ
ン化して加速する。そしてイオン中性化セル６で中性化
させてから核融合炉２中へ高速度で入射する。一方中性
化セル６によって中性化されなかったイオンＡは偏向磁
石８によって運動の向きを変えられ、ビームダンプ７に
よって運動エネルギーを吸収した後クライオポンプ３ｂ
に吸着凝固させて排気する。

また核融合炉２から逆流してくるＤ２やトリチラム（以
下車にＴ２という）等は矢印Ｃに示す如くクライオポン
プ３ａに吸着排気される。こうして所要の中性粒子が入
射されると中性粒子の発生を止め、高速シャッタ９を閉
じて次の入射に備える。

上述の様にクライオポンプ３ａ、３ｂには重水素（Ｄ２
）、トリチウム（Ｔ２）及び水素（Ｎ２）等が夫々吸着
排気され高度の真空が得られる。クライオポンプの構造
としては第３図に示す様なものが一般に使用される。ク
ライオポンプ３は液体ヘリウム（ＬＨｅ）が供給される
クライオパネル１１及び該クライオパネル１１を常温の
輻射熱から遮断するためのシールド板１３．バッフル（
ブラインド状の反射板をも含む）１２によって構成され
ている。シールド板１３＆びバッフル１２には液体窒素
（ＬＮ２　）が供給されて一１９６℃まで冷却される。

尚クライオパネル１１は液体ヘリウムの沸点温度（約−
２６９℃）に保たれている。

［発明が解決しようとする問題点］ ＮＢＩ装置運転中に装置内に侵入するＮ２゜Ｄ２，７２
等のガス分子は前述の如くクライオパネル１１に付着凝
固されるが、ＮＢＩ装置内部には各種機器からの脱ガス
などで生成する酸素（０２）や窒素（Ｎ２）等の一般ガ
ス分子なども混在しておりこれらのガス分子もクライオ
パネル１１表面に付着されていく。その結果クライオポ
ンプの運転を継続し、クライオパネルに次第にＮ２．Ｄ
２．Ｔ２が蓄積すると、ガス化した時０２と反応しＮＢ
Ｉ装置内に大爆発を起こす危険がある。

そこでクライオポンプは一定量のガス蓄積が完了したと
ころで（Ｎ２　、Ｄ２　、Ｔ２の許容蓄積量はガス分圧
で約１１　Ｔｏｒｒ）運転を中止し、クライオポンプの
再生を行ないその後再起動を行なう。

通常クライオポンプの再生を行なうときは、ＬＨｅとＬ
Ｎ２の供給を止めて昇温し、凝固したガスをクライオパ
ネル１１から脱離させ、該脱離ガスをターボ分子ポンプ
等の真空ポンプ１８によってクライオポンプ外へ排出さ
せる。そして排出したガスのうちＮ２　＊　Ｄ２　、Ｔ
２は回収装置１９で回収し、残りの０２．Ｎ２は放出管
２０から廃棄してしまう、そしてクライオパネルの温度
が常温以上になり、クライオパネルに付着したガスが完
全に除去された後、冷却用のＬＨｅ及びＬＮ２を供給し
てクライオポンプの再起動を行なう。

ところが前述の様にクライオパネル１１に付着したＮ２
．Ｄ２．Ｔ２，０２．Ｎ２が同時に脱着されると混合ガ
スとなってＮＢＩ装置、真空ポンプ及び回収装置等で大
爆発を起こす危険があるので、Ｎ２．Ｄ２．Ｔ２と０２
．Ｎ２とを別々に分けて回収する必要がある。

またクライオポンプの再起動は該ポンプ全体が常温以上
にまで昇温された後再冷却して行なうものであるから、
再冷却するときに大量のＬＨｅ。

ＬＮ２の供給が必要であった。

そこで本発明者らは、混合ガスによって引き起こされる
大爆発の危険性を回避し、しかも冷却用ＬＨｅ、ＬＮ２
の使用量が少なくて済むクライオポンプの排気及び再起
動方法について種々研究を積み重ね、本発明を完成する
に至った。

［問題点を解決するための手段］ 上述の問題点を解決した本発明方法は、ＬＮ２が供給さ
れるバッフル及びシールド板表面に吸着剤を設けて０２
やＮ２等を吸着し、前記クライオポンプの再生時にはク
ライオパネルをＬＮ２沸点以下近傍まで昇温し、該クラ
イオパネルに付着凝固されているＮ２．Ｄ２．Ｔ２を気
化脱着する方法である点に要旨が存在する。

［作用］ 高真空下に保たれたＮＢＩ装置内部で発生するガス成分
のうちＮ２．Ｄ２．Ｔ２ガスだけがクライオパネルに付
着凝固されるようにする為に、他のガス成分であるＮ２
や０２等はクライオパネルとは別に設けた吸着剤、即ち
ＬＮ２を供給するシールド板やバッフルの表面に設ける
吸着剤に吸着させてしまう。これによ゛って０２の完全
除去及びＮ２．Ｔ２．Ｄ２等との分離除去が可能となる
のでＮＢＩ装置内で爆発を起こすのを防止できる。

クライオパネルに対するガス蓄積が飽和に達する以前に
ＮＢＩ装置の運転を止めて、クライオポンプ内のガス成
分をＮＢＩ装置外へ除去するが、この方法としてＮ２．
Ｄ２．Ｔ２の沸点がＬＮ２の沸点よりの低いことを利用
する。即ちＬＮ２の供給を続けたままクライオパネルへ
のＬＨｅの供給を中止して徐々にＬＮ２沸点以下近傍温
度まで昇温し、該クライオパネルに凝固させたガス成分
であるＮ２．Ｄ２．Ｔ２を先にガス化させて、クライオ
ポンプ外に設けた真空ポンプによって引き出し、常法に
よって夫々回収する。吸着剤は大量のＮ２やｏ２を吸着
できるのでその都度脱着するということをせず、破過状
態に達してから一気に脱着する。こうしてクライオパネ
ルからのＮ２゜Ｄ２．Ｔ２の脱着が完了すると再びＬＨ
ｅをクライオパネル内に供給してクライオポンプを再起
動させる。こうして再生・再起動を繰返すうちに吸着剤
に対するＮ２，０２の破過が近づくので、それ以前にＮ
２と０２の脱着を行なう、該脱着に際しては、前記要領
でクライオパネルに付着したガス成分（Ｎ２．Ｄ２．Ｔ
２）を除去した後、クライオポンプ全体を常温近傍まで
昇温させ、吸着剤に吸着されていたＮ２．０２を真空ポ
ンプによってクライオポンプ外へ取り出してしまう。

［実施例］ 本発明に使用されるクライオポンプの概略図を第１図に
示して説明する。クライオパネル１１′ＥＬびシールド
板１３．バッフル１２の配設は第２図に示したものと同
様であり、相違する点はクライオパネル１１を常温の輻
射熱から遮断するためのシールド板１３及びバッフル１
２（バッフルは輻射熱だけをさえぎり、ガス分子は透過
できる様に構成したものを総称し、第１図に示す形の他
波形状のブラインド等も含まれる）表面に活性炭等の吸
着剤２１を被覆している点である。

従って吸着剤を被覆した点以外は自由に設計変更できる
。シールド板１３−又はバッフル１２への吸着剤の取付
は手段は特に制限を受けないが、代表的なものを例示す
ると、第４図（ａ）に示す様に、球状又は１ａ維束状の
吸着剤２１ａを金網２２によって包み込んでシールド板
１３等に固定させるか、或は第４図（ｂ）に示す様にシ
ールド板１３の形状に合わせて吸着剤２１ｂを成形した
ものを取付けるのが良い。

従ってクライオポンプ稼動時には、０２＋Ｎ２の各ガス
分子は吸着剤２１に吸着されるが、Ｎ２．Ｄ２．Ｔ２ガ
ス分子は吸着剤２１には吸着されず、ＬＨｅが供給され
るクライオパネル１１表面に付着凝固される。このよう
にＮＢＩ装置で発生したガスはＮ２．Ｄ２．Ｔ２の群と
０２゜Ｎ２等の群に夫々分離して排気又は吸着される。

クライオポンプ３での排気を停止して、付着或は吸着し
たガス成分を脱着して再起動させるには、まずクライオ
パネル１１に吸着凝固したＮ２．Ｄ２．Ｔ２を脱離する
為にＬＨｅの供給を停止し、クライオパネル温度をＬＮ
２の沸点以下近傍温度まで徐々に昇温させる。その結果
吸着されていたＮ２．Ｄ２．Ｔ２は徐々に脱離されてく
る。これをターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１８によっ
てクライオポンプ３からＮＢＩ装置の外へ取り出し、回
収装置１９により回収して再利用又は貯留する。

またＮ２，０２等が吸着剤２１に破過状態近くまで吸着
されて吸着剤２１を再生する必要が生じた場合には、ひ
き続いてＬＮ２の供給を停止して常温近傍までの昇温を
行ない、０２．Ｎ２の脱着を行なうか、又は吸着剤を交
換してしまう。この場合Ｈ２，Ｄ２．Ｔ２の沸点はＮ２
の沸点より低いため、上述のクライオパネルの昇温過程
で全て除去されてしまっており、真空ポンプ１８によっ
てクライオポンプ外へ取り出されるガス中には）１２．
Ｄ２，７２等が混入している恐れはなく、そのまま排出
管２０から排出してしまっても構わない。常温までの昇
温による０２．Ｎ２等の脱着取出しはしばしば実施する
必要はなく、クライオパネル１１のＬＮ２沸点までの昇
温による脱離回数に対して数分の１回で十分である０例
えば排気面積６ｄ、排気速度３．８Ｘ１０５ぶ７秒のク
ライオポンプにおいては、シールド板及びバッフルを常
温からＬＮ２沸点まで冷却するのに要するＬＮｚ量は約
３２０にｇであり、クライオパネルを常温からＬＨｅ沸
点温度まで冷却するのに必要とするＬＨｅ量が約４２８
０　Ｋｇであフたが、クライオパネルに付着したＮ２．
Ｄ２．Ｔ２をり、Ｎ２沸点まで昇温して脱離する本発明
方法を利用した場合には、（１）該脱離中の保冷に使わ
れるＬＮ２量約１００Ｋｇと（２）クライオパネルをＬ
Ｈｅ沸点温度まで冷却させるのに要するＬＨｅ量約２０
０Ｋｇだけで済ませることができる。従ってタライオボ
ンブの再起動時に使用されるＬＮ２　、及びＬＨｅ量を
大巾に削減することができるようになった。

［発明の効果］ ＮＢＩ装置のタライオポンブの排気及び再起動に本発明
を採用することにより、ＮＢＩ装置の稼動中にタライオ
ポンブ内でＮ２．Ｄ２．Ｔ２ガス等が０２ガスと混合さ
れて爆発を起こす危険性、及びタライオポンブの再生時
に上記ガスの混合が起こって爆発を誘引する危険性が回
避できる。

またタライオボンブの再起動時に消費されるＬＮ２．Ｌ
Ｈｅ量を削減することが可能となり、運転コストを大幅
に低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法に使用するタライオボンプの実施例
を示す概略説明図、第２図はＮＢＩ装置を示す概略図、
第３図は従来使用されるタライオボンブの例を示す概略
説明図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は吸着剤の固着手段
を夫々示す説明図である。 １・・・中性粒子入射装置（ＮＢＩ装置）２・・・核融
合炉 ３．３ａ、３ｂ・・・タライオボンプ ４・・・イオン源ガス配管 ５・・・イオンビーム発生器 ６・・・イオン中性化セル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 核融合炉の中性粒子入射装置内に組込まれたクライオポ
   ンプによってガス成分を真空排気する方法であって、液
   体窒素が供給されるバッフル及びシールド板表面に吸着
   剤を設けて酸素や窒素等を吸着し、前記クライオポンプ
   の再起動時にはクライオパネルを液体窒素沸点以下近傍
   まで昇温し、該クライオパネルに付着凝固されている水
   素、重水素、トリチウムを気化脱着させることを特徴と
   するクライオポンプの排気及び再起動方法。