JPH0566281A

JPH0566281A - 核融合装置真空壁の再組立方法

Info

Publication number: JPH0566281A
Application number: JP3095787A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Makino; 野吉延牧; Keizo Honda; 多啓三本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1993-03-19

Abstract

(57)【要約】【目的】溶接継手部にギャップや目違いが生じる核融
合装置真空壁の再組立において、溶接継手部の熱変形を
極力抑制しつつ、開先ギャップを完全に埋めるようにし
た真空壁の再組立を可能とする。【構成】核融合装置真空壁の分解後の再組立におい
て、真空壁（３）を構成する複数のセグメント（１５、
１６）間の極小な開先ギャップ（Ｇ）の両開先エッジ
（Ｅ）より少し離れた位置にレーザ光（ＬＢ）を少なく
とも２カ所照射し、開先ギャップ（Ｇ）を溶融金属で埋
めつくしてセグメント（１５、１６）を溶接して一体化
し、プラズマの周りに真空バウンダリを形成する真空壁
（３）を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、分解修理後の再組立を
配慮した核融合装置真空壁の再組立方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の核融合装置とその真空壁を図７か
ら図１４について説明する。真空壁３内に高温プラズマ
を閉じ込めて核融合反応を発生させるプラズマ核融合装
置１は、例えば図７にその概略を示すような構成となっ
ている。すなわち、この核融合装置１は、プラズマ２の
周りに真空バウンダリーを形成する多数のセグメントか
らなる真空壁３を有する。

【０００３】さらに、この真空壁３の外側にはトロイダ
ルコイル５とポロイダルコイル６とが設置され、これら
トロイダルコイル５およびポロイダルコイル６の電磁力
によって真空壁３の内側にプラズマ２が閉じ込められ
る。また、この核融合装置１にはプラズマ２中に発生し
た不純物を装置の外部へ排出するための不純物除去装置
７やそれに接続された真空排気ダクト８が設けられてい
る。これらの構成要素のうち、不純物除去装置７は、プ
ラズマ２の表面から高温負荷を受けたりあるいは中性子
の衝突等により損傷を受ける可能性が高い。そこで、従
来からすでに不純物除去装置７を核融合装置１の耐用寿
命中に定期的に分解、再組立することが配慮されてい
る。

【０００４】これに対し、図７に示したトロイダルコイ
ル５や真空壁３は核融合装置１の炉心を形成する基本構
造物であり、核融合装置１では従来これらは保守および
交換の対象外として設計されてきた。

【０００５】しかし、万が一これらの基本構造物が故障
した場合には、それらの保守および交換が可能なように
設計されていなければ核融合装置１全体が使用不能とな
ってしまう。そこで、定期的な交換を考慮して設計され
ていなかったこれら基本的構造物についても分解および
再組立を配慮することが必要となつた。とくに、真空壁
３は、それ自体の損傷あるいは故障はいうまでもなく、
トロイダルコイル５が損傷した場合、当該トロイダルコ
イル５を引抜いて交換するためにも多数のセグメントか
らなる真空壁３を個々のセグメントに分解する必要があ
る。そのため真空壁の分解および再組立を配慮した核融
合装置１が開発された。

【０００６】図８はトロイダルコイル５の交換にあたっ
て真空壁３の一部を個々のセグメント３ａ、３ｂ、３ｃ
に分解し、当該トロイダルコイル５および真空壁３を矢
印の方向に引抜いた様子を模式的に示した部分平面図で
ある。図８に示した核融合装置１では、トーラス状プラ
ズマの内側のスペースにセグメントの分解、交換を容易
にするため余裕を持たせた設計が採用されている。

【０００７】また、分解、再組立を考慮した真空壁構造
の部分断面を図９に示す。ここでは真空壁３はその分解
および再組立が容易なようにセグメント３ａ、３ｂ、３
ｃ、…から構成されている。真空壁３のトーラス外側
は、図示するように、ボルトナット３ｄ、３ｅ、…によ
ってそれぞれ機械的に締結されている。また、そのトー
ラス内側も同様にボルトナット３ｆ、３ｇ、…によって
機械的にそれぞれ締結されている。さらに、各セグメン
ト３ａ、３ｂ、３ｃを互いにシールして真空壁３内に真
空バウンダリーを形成するためにリップシール３ｈ、３
ｉ、…がそれらの接合面に形成されている。前述したよ
うにボルトナット３ｄ、３ｅ、…によって各セグメント
３ａ、３ｂ、３ｃを締結後、リップシール３ｈ、３ｉの
先端はＴＩＧ溶接やレーザビーム溶接等の通常の溶接方
法によって互にシール溶接され一体化され、プラズマの
周りに真空壁３としての真空バウンダリーを形成する。
ここで、シール溶接（斜線部）されたリップシール３ｈ
の溶接部を図１０（ａ）に斜線部で示す。

【０００８】つぎに故障等で真空壁３を個々のセグメン
トに分解する場合について説明する。まず図１０（ａ）
に示す溶接されたリップシール３ｈ（斜線部）を図１０
（ｂ）に示すように機械的あるいは熱的に削除する。な
お、リップシール３ｈの両側に溝３ｊ、３ｋを形成する
ことによりリップシールの溶接においてシール溶接に要
する入熱を少なくし、かつ、歪みを抑えるように作用
し、さらにリップシール溶接部を削除する場合には削除
のための機械装置のガイドレールとして役立てることも
できる。そして、トーラス外側およびトーラス内側のボ
ルトナット３ｄ、３ｅ、…を分解することにより所定の
セグメント３ａ、３ｅ、３ｃ、…を引抜くことができ
る。

【０００９】以上、述べたようにトーラス状プラズマの
断面積を小さく抑え、かつ、トーラス内側のスペースに
余裕を持たせた場合、セグメント３ａ、３ｂ、３ｃ、…
の締結が全周に亘つてボルトナット３ｄ、３ｅ、…によ
ってなされるため問題はない。ところが大きなエネルギ
の発生を目指す核融合装置１では、図７に示したよう
に、装置全体に対するプラズマ２のサイズが相対的に大
きく設定される。

【００１０】そこで、このようなセグメント構成を採用
した大出力タイプの核融合装置１の外観図を図１１に示
す。この核融合装置１は多数のセグメント３ａ、３ｂ、
３ｃ、…からなり、トロイダルコイル５、ここに図示さ
れていないポロイダルコイル６および真空排気ダクト８
等を備えている。この場合もトーラス外側には、空間が
あるため図９と同様にボルトナットによるセグメントの
機械的な締結が可能である。しかしトーラス内側はセグ
メント３ａ、３ｂ、３ｃ、…同士が互にせり合うためボ
ルトナット３ｄ、３ｅ、…の取付空間および締付けおよ
び取外しのための作業空間が設けられない。その結果、
この種の大出力タイプの核融合装置１では真空壁３の分
解、再組立が実現できなかった。

【００１１】これらの問題点に鑑みて、トーラス内側の
ボルトナットによる締結に代わり、リップシールを同様
に真空壁３の内面側からの溶接によって剛性を維持しよ
うとする設計が試みられた。すなわち、図１２に示すよ
うに、真空壁３の内側から各セグメント３ａ、３ｂ、…
を互いに溶接部３ｍ、３ｌによって溶接する。この場
合、その初期組立では格別問題ないが、セグメント３
ａ、３ｂにそれぞれ十分な剛性を持たせるために溶接部
３ｍ、３ｌは大きくなってしまう。したがって、セグメ
ント３ａ、３ｂの分解に当たっては大きな断面積をもつ
溶接部３ｍ、３ｌを何らかの方法によって削除すること
が必要となるので、通常の機械的切削等ではメンテナン
ス工期が長すぎて実現できなかった。また、ガス切断や
プラズマ切断、レーザ切断等の熱切断を用いようとして
も、切断ガスの吹き抜けができない。

【００１２】また別の設計例として図１３に示すように
トーラス外側は図９と同様にボルトナット締結とリップ
シールとを併用し、さらにトーラス内側にリップシール
溶接部３ｎ、３ｐと剛性をもたすための大断面積溶接部
３ｑ、３ｒ、３ｓを用いた真空壁も提案された。

【００１３】この場合、リップシール溶接は溶接断面が
小さいのでニブラー等で機械的に削除することが容易で
あり問題ないし、また、前述の通りボルトナット締結部
は容易に分解できる。しかし、セグメントに構造体とし
て剛性を与えるための大断面溶接部３ｑ、３ｒ、３ｓを
削除することは、ここでも容易でなく、熱切断を行なお
うとしても、セグメント自体が厚板構造体であるので切
断ガスを吹き抜くことができず切断に多大な時間を要し
てしまう。一方、切断による分解が可能であつたとして
も、図１４に示すように、切断された面３ｔ、３ｕは、
不具合を有する部分３ｖが補修あるいは新装されるだけ
で片面は依然として切断されたままで残存する。

【００１４】このような切断面３ｕを含有した継手部は
再溶接によつて組立てる場合、継手部にギャップが発生
して目違いが生じたりする。また継手部の合わせ精度向
上のために再溶接前に現地において切断断面を仕上げよ
うとすると、そのために多大な時間を要し、メンテナン
ス工程が長期化してしまうおそれがあった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来のプラ
ズマ核融合装置ではその高出力化のために大型化され、
その分解後の再組立時に、剛性を維持するための真空壁
の溶接継手部にギャップや目違いが発生する。また、再
組立時に従来のようにＴＩＧやＭＩＧ溶接等を用いると
部材の熱変形が過大となってしまい、さらに、レーザ等
の高エネルギービーム溶接を用いると、レーザ光などの
ビームが溶接継手部を貫通するという問題点があった。
そのため、この種の核融合装置の真空壁に不可欠な遠隔
操作による再組立ができなかった。

【００１６】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、溶接継手部にギャップや目違いが生じるお
それのある核融合装置の真空壁の再組立溶接に際して、
溶接継手部の熱変形を極力抑制しつつ、開先ギャップを
完全に埋めるようにした真空壁の再組立方法を提供する
ことを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、核
融合装置真空壁の分解後の再組立において、該真空壁を
構成する複数のセグメント間の極小な開先ギャップの両
開先エッジより少し離れた位置にレーザ光を少なくとも
２カ所照射し、開先ギャップを溶融金属で埋めつくして
セグメントを溶接して一体化し、プラズマの周りに真空
バウンダリを形成する真空壁を構成することを特徴とす
る核融合装置真空壁の再組立方法に関する。

【００１８】

【実施例】以下、図１から図６について、本発明の核融
合装置真空壁の再組立方法の実施例について説明する。

【００１９】図１は、本発明の核融合装置の再組立方法
の第１実施例の構成図である。この第１実施例では、図
示しないプラズマ２の周りに真空バウンダリーを形成す
る真空壁３を構成するセグメント１５、１６が再組立の
ために配置されている。

【００２０】また、真空壁３の溶接継手部は、図１の下
半に示すように、不具合が生じたため新製あるいは補修
された機械加工面３ｖを有する部材、すなわちセグメン
ト１６と真空壁３の分解時にプラズマ、レーザ等により
熱切断されたままの切断面３ｕを有する部材、すなわち
セグメント１５とから構成されている。

【００２１】さらに、本実施例による真空壁３の再組立
に用いるＣＯ₂レーザ加工系は、図１の上半に示すよう
に、ＣＯ₂レーザ光ＬＢを発振する大出力のレーザ発振
器９と、このレーザ光ＬＢを伝送するハーフミラー１１
および折返しミラー１２と、この伝送したレーザ光ＬＢ
を集光し、前記した溶接継手部に照射する集光レンズ１
３、１４とから構成されている。

【００２２】このようにして構成されたレーザ加工系を
用いて真空壁を再組立する作用を説明する。

【００２３】まず、核融合装置に事故が発生し、トロイ
ダルコイル５あるいは真空壁３が損傷した場合、当該個
所を真空壁３のセグメント３ａ、３ｂ、３ｃごと分解す
る（図８参照）。この場合、セグメントは、ガス切断、
プラズマ切断、レーザ切断等の熱切断によって分離、分
解される。そして、損傷個所を修理し、あるいは新製し
た後、これらのセグメント３ａ、３ｂ、３ｃを所定個所
に挿入し、真空壁３の再組立を実施することになる。

【００２４】この真空壁３の再組立は、図１に示したＣ
Ｏ₂レーザ発振器９から発振したＣＯ₂レーザ光ＬＢを
用い、ハーフミラー１１によって二分割されたレーザ光
ＬＢをセグメント１５、１６の溶接継手部に照射してこ
の部分の溶接を行なって開先ギャップを完全に溶融金属
で埋め再組立を完了する。これによりプラズマの周りに
真空バウンダリを形成する真空壁３が構成される。な
お、大出力のレーザ発振器９の代りに、小出力のレーザ
発振器を２台使用して、ハーフミラー１１を用いずに、
別々のレーザ光伝送系を構成して、溶接加工点へレーザ
光を伝送してもよい。本実施例の加工条件であるレーザ
出力は１０〜３０ＫＷとし、ハーフミラー１１によって
二分割されたレーザ光のレーザ出力は、それぞれ５〜１
５ＫＷとなる。

【００２５】さらに、二分割されたレーザ光ＬＢが溶接
継手部の開先ギャップＧ間を通過しないようにするた
め、レーザ光は両開先エッジＥより少し離れた位置Ｐ、
Ｐ′に少なくとも２カ所照射するようにする。

【００２６】本実施例では、集光レンズ１３，１４とし
ては、ｆ：２５４、２８１mmを使用し、その焦点位置
は、部材（セグメント）１５、１６の表面より２〜８mm
（ＤＦ、−２〜−８mm）部材内に設定する。また、この
際、アシストガスはＨｅを用い、５０〜１５０ｌ／min.
供給する。さらに、加工速度は、溶接継手部が溶落ちな
い程度の低速、例えば２，０００mm／min.以下とする。
なお、レーザ光ＬＢの狙い位置は、開先の機械加工面あ
るいは切断面としてもよいが、この場合には、レーザ光
が開先ギャップＧ間を通過しないようにするため、レー
ザ光を傾斜させて照射する必要がある。

【００２７】以上のような加工条件により、レーザ光を
照射して部材１５、１６の少くとも２カ所を同時に溶融
させた場合には、切断面を含む開先面も十分に溶融さ
れ、開先ギャップＧも、図２のセグメント溶接部の拡大
断面図に示すように、溶接部１７により十分に埋められ
るようになる。すなわち、部材１５、１６の両開先エッ
ジから少し離れた位置の少くとも２カ所にレーザ光ＬＢ
を照射すると開先ギャップＧの両側の母材が十分に溶融
し、この開先ギャップＧを溶融金属が埋めつくし溶接部
１７を形成することになる。つまり、母材の片側の切断
面はそのまま残存するが、レーザ光ＬＢを母材に向けて
照射するため、ミリ単位の開先ギャップＧをもつセグメ
ント１５、１６の溶接継手部においてレーザ光ＬＢ開先
ギャップＧ間を通過することなく、また、開先ギャップ
Ｇ内においても母材と溶融金属の相互作用が十分得ら
れ、開先ギャップＧを溶融金属で埋めつくすことができ
るようになる。

【００２８】上述したように、本実施例の核融合装置真
空壁の再組立方法によれば、ミリ単位の開先ギャップＧ
を有するセグメント１５、１６間の溶接が可能となり、
真空壁３の内面側から剛性を維持するための溶接部１７
の形成が容易となる。また、熱源としてレーザ光を用い
ているため溶接時の溶接歪が極力抑制され、かつ、遠隔
操作による真空壁の再組立が可能となる。

【００２９】また、図３は、本発明の第２実施例の構成
図を示す。この実施例では、前述した第１実施例の集光
レンズ１３、１４に代えて凸面ミラー１８と凹面ミラー
１９とからなるカセグレンミラー２０を用いたものであ
る。

【００３０】この第２実施例では、レーザ発振器９から
発振されたレーザ光ＬＢはカセグレンミラー２０を介し
て集光ミラー１９ａで集光され、部材１５、１６のギャ
ップを有する開先の両側を狙って照射され、このギャッ
プを溶接により完全に埋めることが可能となる。

【００３１】さらに、図４は、本発明の第３実施例の構
成図を示す。この実施例では、第１実施例の集光レンズ
１３、１４に代えて放物面ミラー２１を用いたものであ
る。

【００３２】この第３実施例では、レーザ発振器９から
発振されたレーザ光ＬＢは放物面ミラー２１で集光さ
れ、部材１５、１６のギャップを有する開先の両側を狙
って照射される。

【００３３】なお、一般に第２実施例に用いる集光レン
ズ１３はＺｎＳｅあるいはＫＣｌからなる材料から構成
されているため、その使用寿命は数カ月程度に限られて
いる。しかし、第２および第３実施例のようにＣｕ、Ｍ
ｏ等からなるミラーを用いると、このミラーを再研磨す
ることにより、半永久的に使用することが可能となる。

【００３４】さらに、また図５は本発明の第４実施例の
構成図を示す。この実施例では、第１実施例の集光レン
ズ１３に代えて、レーザ光ＬＢを集光するための凹面ミ
ラー２２と、レーザ光ＬＢを図示のように溶接方向（図
示）にウイービング（ジグザク状）させるための平面ミ
ラー２３とミラー駆動用装置２４を用いたものである。

【００３５】この第４実施例では、レーザ光ＬＢは、凹
面ミラー２２によって集光され、平面ミラー２３とその
駆動用装置２４によって溶接方向に、図示するように、
ウイービングされつつ部材１５、１６に照射される。

【００３６】このウイービング操作によりミリ単位のギ
ャップや目違いを十分に埋める溶接が可能となる。さら
に、レーザ光のウイービングによって照射によって溶融
された金属を十分攪拌することが可能となるので、切断
面に残存する酸化物に起因するブローホール等の欠陥の
発生を極力防止できるようになる。

【００３７】図６は、本発明の第５実施例の構成図を示
す。この第５実施例では、部材１５、１６の溶接部の開
先ギャップＧに溶加棒（フィラーワイヤ）２５を供給し
つつ集光レンズ１３でレーザ光ＬＢを集光して照射す
る。これによりミリ単位の開先ギャップＧを完全に埋め
ることができる。なお、本実施例においては、レーザ光
を照射する際にウイービングしてもよいし、また、レー
ザ光が２本以上あってもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように本発明の核融合装置の
真空壁の再組立方法によれば、ミリ単位の開先ギャップ
をもつ真空壁のセグメント間の溶接が可能となり、ギャ
ップが完全に埋められるのでギャップや目違いのない溶
接継手部が得られる。さらに、溶接継手部の熱変形、溶
接歪等が極力抑制されるので、遠隔操作によるレーザ溶
接を用いた真空壁の再組立が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の核融合装置真空壁の再組立方法の第１
実施例の構成図。

【図２】図１の再組立方法によるセグメント溶接部の拡
大断面図。

【図３】本発明の核融合装置真空壁の再組立方法の第２
実施例の構成図。

【図４】本発明の第３実施例の構成図。

【図５】本発明の第４実施例の構成図。

【図６】本発明の第５実施例の構成図。

【図７】プラズマ核融合装置の部分断面図。

【図８】核融合装置の真空壁の分解方法の説明図。

【図９】分解、再組立を配慮した従来の核融合装置の真
空壁の部分断面図。

【図１０】溶接されたリップシールおよび溶接したリッ
プシールを削除した部分の断面図。

【図１１】従来の大出力タイプのプラズマ核融合装置の
斜視図。

【図１２】従来の核融合装置の真空壁のセグメントの溶
接継手部の部分断面図。

【図１３】別の従来の核融合装置の真空壁のセグメント
の溶接継手部の部分断面図。

【図１４】従来技術による切断部の部分断面図。

【符号の説明】

１プラズマ核融合装置２プラズマ３真空壁５トロイダルコイル６ポロイダルコイル７不純物除去装置８真空排気ダクト９発振器１１ハーフミラー１２折返しミラー１３、１４集光レンズ１５、１６セグメント１７溶接部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核融合装置真空壁の分解交換後の再組立に
おいて、該真空壁を構成する複数のセグメントを所定個
所に配設し、該セグメント間の極小な開先ギャップの両
開先エッジより少し離れた位置にレーザ光を少なくとも
２カ所照射し、前記開先ギャップを溶融金属で埋めつく
して前記セグメントを溶接して一体化し、プラズマの周
りに真空バウンダリを形成する真空壁を構成することを
特徴とする核融合装置真空壁の再組立方法。
【請求項２】レーザ光を溶接方向に沿ってウイービング
することを特徴とする核融合装置真空壁の再組立方法。
【請求項３】前記開先ギャップに溶加棒を供給しつつ溶
接することを特徴とする核融合装置真空壁の再組立方
法。