JPH04303794A - プラズマ加熱用高周波発射装置 - 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】

〔発明の目的〕

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、核融合炉等で発生する
プラズマを高周波を用いて加熱するプラズマ加熱用高周
波発射装置に係り、特にファラデーシールドの交換を容
易に行うことができるプラズマ加熱用高周波発射装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合炉、あるいは核融合実験装置など
で発生させたプラズマを加熱する手段の一つに、磁場プ
ラズマ中におけるイオンが高周波を吸収したときに起こ
るサイクロトロン運動を利用する方法（イオンサイクロ
トロン共鳴加熱）がある。図８は、このためのイオンサ
イクロトロン共鳴加熱装置１の構成図である。

【０００３】真空容器２はプラズマ３を閉じ込めるトー
ラス型容器であり、この真空容器２のポート部２ａには
、プラズマ加熱用高周波発射装置６が、ベローズ７を介
して挿入される。

【０００４】プラズマ加熱用高周波発射装置６は、ジャ
ケット９の開口部８を通してプラズマ加熱用の高周波を
発射するアンテナ１０を備えている。アンテナ１０は高
周波を伝送する伝送路１１に接続され、増幅器１２を介
して源発振器１３と接続する。

【０００５】このような構成のイオンサイクロトロン共
鳴加熱装置１では、源発振器１３から発せられた高周波
は、増幅器１２で増幅された後、伝送路１１を案内され
、アンテナ１０に達し、アンテナ１０からは、プラズマ
３に向けて高周波が発射される。

【０００６】図９はプラズマ加熱用高周波発射装置６の
開口部８の斜視図、また図１０は図８のＸ−Ｘ線に沿う
矢視図である。図８と対応する箇所には同一の符号を付
して説明する。

【０００７】プラズマ加熱用高周波発射装置６のジャケ
ット９に形成された開口部（端部）８には、アンテナ１
０をすだれ状に覆って、複数本の棒状ファラデーシール
ド１７が取り付けられる。ファラデーシールド１７は、
アンテナ１０の表面をプラズマ３からの熱負荷や粒子に
よる損耗から保護するとともに、プラズマ３の加熱に不
要な電界成分を短絡させる。図１１は図８のＸＩ−ＸＩ
線断面図である。図８ないし図１０と対応する箇所には
同一の符号を付して説明する。

【０００８】プラズマ加熱用高周波発射装置６の稼働時
には、ファラデーシールド１７は、真空容器２のプラズ
マ３を取り囲む壁面２ｂと同一の球面をなす位置まで移
動させられる。したがって、プラズマ３の発生中は、フ
ァラデーシールド１７は真空容器２の壁面２ｂと同じ条
件下に晒され、プラズマ３から壁面２ｂと同じだけの熱
負荷を受け、γ線あるいは中性子線による核発熱も生じ
る。

【０００９】そこで、図１２に示すように、各ファラデ
ーシールド１７の内部に冷却流路１８を形成して、ジャ
ケット９内部の配管（図示せず）と接続している。そし
て、この冷却流路１８に外部から冷却媒体（例えば水）
１９を流通させて、ファラデーシールド１７の熱負荷ま
たは発熱を軽減する。また、アンテナ１０に取り付けら
れた冷却水給排管２０は、その内部に冷却水を流通させ
てアンテナ１０表面の発熱を軽減する。

【００１０】そして、同じく図１２に示すように、最近
では、各ファラデーシールド１７のプラズマ３側に、各
ファラデーシールド１７の外周面に合致するように形成
したファラデーシールド保護板２１をろう付けなどによ
り接合している。このファラデーシールド保護板２１は
、高周波を通過させるグラファイトや炭素系複合材料等
の高融点材料により成型される。また、このファラデー
シールド保護板２１は、ファラデーシールド１７をプラ
ズマ３の熱負荷やプラズマ３からの粒子による損耗から
積極的に保護するとともに、アンテナ５からプラズマ３
に向けて発射される高周波を通過させる。図１３は、フ
ァラデーシールド保護板２１がファラデーシールド１７
に接合されている状態を示す斜視図である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構成に
係る従来のプラズマ加熱用高周波発射装置では、ファラ
デーシールド保護板２１も、長期間運転すればプラズマ
３からの粒子によって損耗する。特に核融合炉の場合は
、中性子に晒されるため、ファラデーシールド保護板２
１の材料自体の強度は、通常時よりも早く低下してしま
う。このため、ファラデーシールド保護板２１は、一定
期間ごとに交換する必要がある。

【００１２】ファラデーシールド保護板２１を交換する
場合、核融合炉などでは、遠隔操作により交換作業を行
うことが想定されている。しかしながら、ファラデーシ
ールド保護板２１をファラデーシールド１７とともに交
換しようとしても、ファラデーシールド１７はジャケッ
ト９に固着して取り付けられているため、特にプラズマ
加熱用高周波発射装置６が真空容器２のポート部２ａに
収納された状態で、遠隔操作により交換作業を行うのは
困難である。

【００１３】しかも、ファラデーシールド１７内部には
、冷却媒体１９が流通する冷却流路１８が形成されてお
り、この冷却流路１８に連通するジャケット９側の図示
しない冷却配管と冷却流路１８とを切断するための切り
離し作業も遠隔操作により行わなければならず、交換作
業には極めて困難が伴う。

【００１４】そこで、現在ではファラデーシールド１７
をジャケット９に取り付けたまま、ファラデーシールド
保護板２１だけを交換する方法が考えられている。しか
しながら、その場合でもファラデーシールド保護板２１
の数が多く、しかもその大きさも高々数１０ｍｍ程度の
小さいものであるため、ファラデーシールド保護板２１
とファラデーシールド１７との接合を外したり、新しい
ファラデーシールド保護板２１を真空容器２内でろう付
け又はボルト締めしたりする際、遠隔操作によるメンテ
ナンス作業の困難さは免れない。特にろう付け作業には
、信頼性が乏しくなるおそれがある。このため、交換作
業に長い時間がかかり、プラズマ加熱用高周波発射装置
の稼働率の低下が心配されていた。

【００１５】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、ファラデーシールドとこのファラデーシールド
の保護部材の交換が容易で、稼働率を向上させることの
できるプラズマ加熱用高周波発射装置を提供することを
目的とする。 〔発明の構成〕

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るプラズマ加
熱用高周波発射装置は、上述した課題を解決するために
、プラズマを内部に閉じ込める真空容器に開口し、冷却
系を備えたジャケットと、このジャケットに収容され、
前記開口側からプラズマを加熱する高周波を発射するア
ンテナと、この高周波の電界成分を短絡するファラデー
シールドとこのファラデーシールドをプラズマから保護
する保護部材とが一体に構成され、内部に冷却循環系が
形成された電界成分短絡装置とを有し、この電界成分短
絡装置を前記ジャケットに着脱可能に取り付け、前記冷
却系と前記冷却循環系とを熱伝達可能に接続したもので
ある。

【００１７】

【作用】このプラズマ加熱用高周波発射装置は、電界成
分短絡装置をファラデーシールドとファラデーシールド
保護部材とにより一体に構成し、この電界成分短絡装置
をジャケットに挿入して取り付けると、ジャケットの冷
却系の冷熱が電界成分短絡装置の冷却循環系に伝達され
てファラデーシールドを冷却する。この電界成分短絡装
置を交換する際には、ジャケットへの取付具を取り付け
又は取り外すことにより交換することができるので、た
とえ遠隔操作で交換する場合でも極めて容易に交換作業
を行うことができる。

【００１８】

【実施例】以下図１ないし図７を参照して本発明に係る
プラズマ加熱用高周波発射装置の実施例を説明する。

【００１９】図１は本発明に係るプラズマ加熱用高周波
発射装置３０を備えたイオンサイクロトロン共鳴加熱装
置１の構成図、図２は本発明の一実施例に係るプラズマ
加熱用高周波発射装置３０の一部を構成する電界成分短
絡装置５０の切欠斜視図、図３はこのプラズマ加熱用高
周波発射装置３０の要部を拡大して示す縦断面図、図４
は上記プラズマ加熱用高周波発射装置３０の電界成分短
絡装置５０内部に形成された冷却循環系６０とジャケッ
ト３９内部に形成された冷却系との系統図、図５は上記
プラズマ加熱用高周波発射装置３０のジャケット３９に
上記電界成分短絡装置５０を取り付けた状態を示す斜視
図、図６は図５の電界成分短絡装置５０を取り外した状
態を示す斜視図である。これらの図において、図８ない
し図１３と対応する箇所には同一の符号を付して説明す
る。

【００２０】図１に示すように、真空容器２はプラズマ
３を閉じ込めるため、トーラス状に形成されており、こ
の真空容器２のポート部２ａには、プラズマ加熱用高周
波発射装置３０が、ベローズ７を介して挿入される。こ
のプラズマ加熱用高周波発射装置３０は、移動機構４を
具備した架台５に支持される。

【００２１】プラズマ加熱用高周波発射装置３０は、ジ
ャケット３９に収容され、このジャケット３９のプラズ
マ３側には開口部３８が形成される。このプラズマ加熱
用高周波発射装置３０は、この開口部３８にアンテナ４
０を備え、このアンテナ４０から開口部３８を通してプ
ラズマ加熱用の高周波を発射する。

【００２２】このアンテナ４０は、同軸管４１を介して
高周波を伝送する伝送路１１に接続される。この伝送路
１１は、プラズマ加熱用高周波発射装置３０から架台５
を貫通して引き出され、増幅器１２を介して源発振器１
３と接続する。また、この伝送路１１には、増幅器１２
とプラズマ加熱用高周波発射装置３０との間に、増幅器
１２側から、ダミーロード１４と切替接続可能な切替器
１５およびインピーダンス整合器１６が接続される。そ
して、伝送路１１の架台５に近接する部分には、伸縮部
１１ａが設けられる。

【００２３】このように構成されたイオンサイクロトロ
ン共鳴加熱装置１では、源発振器１３から発せられた高
周波は、増幅器１２で増幅された後、伝送路１１を案内
され、切替器１５、インピーダンス整合器１６を経由し
、プラズマ加熱用高周波発射装置３０内のアンテナ４０
に達する。そして、アンテナ４０からは、プラズマ３に
向けて高周波が発射される。

【００２４】プラズマ加熱用高周波発射装置３０に高周
波を送る必要がないときは、切替器１５からダミーロー
ド１４に高周波を送る。なお、インピーダンス整合器１
６は、アンテナ４０から輻射される高周波電力の効率を
改善する。

【００２５】アンテナ４０の内部には、アンテナ４０を
冷却する図示しないアンテナ冷却流路が形成される。こ
のアンテナ冷却流路には、アンテナ冷却用配管４２を介
して外部からアンテナ冷却用冷却水が導入される。

【００２６】ところで、図３に示すように、アンテナ４
０が収容されたジャケット３９の開口部３８には、冷却
部４３が形成される。この冷却部４３は、ジャケット３
９の長手方向に形成された凹陥部４４と、この凹陥部４
４を囲むようにジャケット３９内部に形成された空隙部
４５とから構成される。この冷却部４３は、この空隙部
４５に外部から冷却水が導入されて、凹陥部４４で熱交
換を行い、冷却系４６の一部を構成している（図４の右
方参照）。

【００２７】ジャケット３９の開口部３８には、電界成
分短絡装置５０がこの開口部３８を覆うように、ボルト
等（図示せず）を介して着脱可能に取り付けられる。こ
の電界成分短絡装置５０は、図２に示すように、ファラ
デーシールド部５１を有し、放熱部５５が突出して形成
された本体５２に、板状のファラデーシールド保護部材
５３を接合して構成される。

【００２８】本体５２に形成されたファラデーシールド
部５１は、複数本の棒状ファラデーシールド５１ａが、
それぞれ所定の間隔を置いて平行に配置されている。こ
のファラデーシールド部５１は、アンテナ４０のプラズ
マ３側前面に配置され、アンテナ４０の表面をプラズマ
３からの熱負荷やプラズマ３から放出される粒子による
損耗から保護するとともに、プラズマ３の加熱に寄与し
ない不要な電界成分を短絡させる。

【００２９】この本体５２は、内部に冷却水ジャケット
５６が形成される。また、ファラデーシールド５１ａの
内部には、冷却流路５１ｂが形成される。この冷却流路
５１ｂには、冷却媒体１９（例えば水等）を流通させて
、プラズマ３からの熱負荷やγ線、あるいは中性子によ
る核発熱を冷却し、熱負荷を軽減するようになっている
。

【００３０】ファラデーシールド保護部材５３は、本体
５２にプラズマ３側前面を覆うように接合されているが
、ファラデーシールド部５１に対応する部分には、プラ
ズマ３側の面のみを覆うようにスリット５４が形成され
る。

【００３１】このファラデーシールド保護部材５３は、
グラファイトや炭素系複合材料等の一体物で成型され、
ファラデーシールド部５１の表面をプラズマ３からの熱
輻射や、プラズマ３から放出される粒子による損耗から
守るとともに、アンテナ４０から発射される高周波を通
過させる。

【００３２】電界成分短絡装置５０の放熱部５５は、本
体５２からジャケット３９側に突出して形成され、凹陥
部４４に着脱自在に嵌合される。この放熱部５５の内部
には、冷却媒体１９が流通する内部通路５７が形成され
、冷却部４３と熱交換できるようになっている。

【００３３】ファラデーシールド部５１の冷却流路５１
ｂと放熱部５５の内部流路５７とは、冷却水ジャケット
５６を介して連通され、独立した閉路を構成している。 そして、冷却水ジャケット５６の内部には、循環ポンプ
５８が配設され、この循環ポンプ５８の駆動によりこの
閉路内に充填された冷却媒体１９を循環させる。図４に
示すように、これら冷却流路５１ｂ、冷却水ジャケット
５６、内部流路５７および循環ポンプ５８により、電界
成分短絡装置５０の独立した冷却循環系６０を構成して
いる。次に、上記実施例に係るプラズマ加熱用高周波発
射装置３０の作用について説明する。電界成分短絡装置
５０をジャケット３９の開口部３８に挿入して取り付け
ると、冷却部４３と放熱部５５とが熱交換可能に嵌合す
る。

【００３４】プラズマ加熱用高周波発射装置３０が作動
すると、アンテナ４０からプラズマ３に向けて高周波が
発射される。冷却循環系６０は、循環ポンプ５８の駆動
により閉路内に充填された冷却媒体１９を循環させ、放
熱部５５を介して外部の冷却媒体が流通する冷却部４３
と熱交換を行い、ファラデーシールド部５１を冷却する
。

【００３５】真空容器２内でファラデーシールド部５１
とともにファラデーシールド保護部材５３を交換する際
には、これらが一体になった電界成分短絡装置５０を、
ジャケット３９から接続具を外して引き抜けば、遠隔操
作によっても短時間で容易に取り外すことができる。ま
た、別の新しい電界成分短絡装置５０を、ジャケット３
９に取り付ける際にも、同じ遠隔操作で容易に取り付け
ることができる。

【００３６】図５は、電界成分短絡装置５０がジャケッ
ト３９に取り付けられている状態を示し、図６は電界成
分短絡装置５０が着脱時にジャケット３９から分離して
いる状態を示している。図７は、本発明に係るプラズマ
加熱用高周波発射装置の他の実施例を示す斜視図で、図
１ないし図６と同一部分には、同一の符号を用いて説明
する。

【００３７】電界成分短絡装置７０の本体７２は、ジャ
ケット８９側に突出する放熱部７５が放熱面積を広くと
るよう筒状に形成される。この放熱部７５の内部には、
冷却媒体が流通する内部流路（図示せず）が形成され、
電界成分短絡装置７０内部に設けられた独立した冷却循
環系（図示せず）の一部を構成している。

【００３８】さらに、ジャケット８９の開口部８８には
、この筒状の放熱部７５を嵌合可能に受け入れる冷却部
８３が冷却面積を広くとって形成される。この冷却部８
３は、ジャケット８９の長手方向に形成された凹陥部８
４と、この凹陥部８４を囲むようにジャケット８９内部
に形成された空隙部（図示せず）とから構成される。 この冷却部８３は、空隙部に外部から冷却水が導入され
て、凹陥部８４で放熱部７５と熱交換を行い、ジャケッ
ト８９側の冷却系の一部を構成している。

【００３９】また、本体７２のファラデーシールド部７
１には、複数の棒状ファラデーシールド７１ａがそれぞ
れ所定の間隔を置いて平行に配置される。このファラデ
ーシールド部７１の内部には、図示しない冷却流路が形
成される。

【００４０】そして、板状のファラデーシールド保護部
材７３が、本体７２のプラズマ３側の前面に接合されて
いる。このファラデーシールド保護部材７３は、上記実
施例と同様に、ファラデーシールド部７１のプラズマ３
側を覆い、ファラデーシールド部７１の間隙に対応して
スリットが形成されている。

【００４１】このため、電界成分短絡装置７０がジャケ
ット８９の開口部８８に取り付けられると、放熱部７５
が冷却部８３に嵌合し、ジャケット８９側の冷却系（図
示せず）と電界成分短絡装置７０の冷却循環系（図示せ
ず）とが、熱交換面積を広くとって効率的に熱交換でき
るようになっている。次に、本実施例に係るプラズマ加
熱用高周波発射装置９０の作用について説明する。

【００４２】電界成分短絡装置７０をジャケット８９の
開口部８８に挿入して取り付けると、冷却部８３と放熱
部７５とが熱交換可能に嵌合する。これら冷却部８３と
放熱部７５とは、それぞれ伝熱面が大きいため、熱交換
の効率が上がり、より高い熱負荷に耐えることができる
。

【００４３】また、熱負荷が一定であれば、冷却部８３
と放熱部７５とをジャケット８９の長手方向長さを短縮
し、コンパクト化を図ることができる。このように、長
手方向長さが短くなると、電界成分短絡装置７０をジャ
ケット８９に取り付ける際の位置決めを容易に行うこと
ができる。

【００４４】そして、電界成分短絡装置７０を真空容器
２内で交換する際にも、取付具の取り付けまたは取り外
しだけでジャケット８９への着脱が可能となるので、遠
隔操作により短時間で容易に交換することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係るプラ
ズマ加熱用高周波発射装置は、プラズマ側に開口し、冷
却系を備えたジャケットと、このジャケットに収容され
、前記開口側からプラズマを加熱する高周波を発射する
アンテナと、この高周波の電界成分を短絡するファラデ
ーシールドとこのファラデーシールドをプラズマから保
護する保護部材とが一体に構成され、内部に冷却循環系
が形成された電界成分短絡装置とを有し、この電界成分
短絡装置を前記ジャケットに着脱可能に取り付け、前記
冷却系と前記冷却循環系とを熱伝達可能に接続したので
、冷却系を切断するための繁雑な作業は必要なく、ファ
ラデーシールドやファラデーシールド保護部材を交換す
る際に、真空容器内部で遠隔操作により短時間でしかも
容易に行うことができ、稼働率を向上させて経済性を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ加熱用高周波発射装置を
備えたイオンサイクロトロン共鳴加熱装置の構成図。

【図２】本発明の一実施例に係るプラズマ加熱用高周波
発射装置の一部を構成する電界成分短絡装置の切欠斜視
図。

【図３】図２のプラズマ加熱用高周波発射装置の要部を
拡大して示す縦断面図。

【図４】図２のプラズマ加熱用高周波発射装置の電界成
分短絡装置内部に形成された冷却循環系とジャケット内
部に形成された冷却系とを示す系統図。

【図５】図２のプラズマ加熱用高周波発射装置のジャケ
ットに電界成分短絡装置を取り付けた状態を示す斜視図
。

【図６】図５の電界成分短絡装置をジャケットから取り
外した状態を示す斜視図。

【図７】本発明の他の実施例に係るプラズマ加熱用高周
波発射装置を示す斜視図。

【図８】従来のイオンサイクロトロン共鳴加熱装置の構
成図。

【図９】従来のプラズマ加熱用高周波発射装置の斜視図
。

【図１０】図８のＸ−Ｘ線に沿う矢視図。

【図１１】図８のＸＩ−ＸＩ線に沿う矢視図。

【図１２】図１１のＸＩＩ　−ＸＩＩ　線に沿う断面図
。

【図１３】従来のファラデーシールド保護板を示す斜視
図。

【符号の説明】

３　　プラズマ ６，３０，９０　　プラズマ加熱用高周波発射装置９，
３９，８９　　ジャケット １０，４０　　アンテナ １７，５１ａ，７１ａ　　ファラデーシールド４３，８
３　　冷却部 ４６　　冷却系 ５０，７０　　電界成分短絡装置 ５１，７１　　ファラデーシールド部 ５３，７３　　ファラデーシールド保護部材５５，７５
　　放熱部 ６０　　冷却循環系

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマを内部に閉じ込める真空容器に開
   口し、冷却系を備えたジャケットと、このジャケットに
   収容され、前記開口側からプラズマを加熱する高周波を
   発射するアンテナと、この高周波の電界成分を短絡する
   ファラデーシールドとこのファラデーシールドをプラズ
   マから保護する保護部材とが一体に構成され、内部に冷
   却循環系が形成された電界成分短絡装置とを有し、この
   電界成分短絡装置を前記ジャケットに着脱可能に取り付
   け、前記冷却系と前記冷却循環系とを熱伝達可能に接続
   したことを特徴とするプラズマ加熱用高周波発射装置。