JPH06201866A

JPH06201866A - 核融合炉の炉内機器

Info

Publication number: JPH06201866A
Application number: JP4349064A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Masumoto; 博増本; Tsutomu Honda; 力本多; Nobuo Tachikawa; 信夫立川; Itsuki Oshima; 厳大嶋; Takashi Ishitori; 隆司石鳥; Nobuhiko Tanaka; 信彦田中; Masaru Nakai; 優中井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 1994-07-22
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: US5410574A; JP3124140B2; DE4344825A1; DE4344825C2; FR2700058B1; FR2700058A1

Abstract

(57)【要約】【目的】冷却構造体がプラズマ等から受ける熱・粒子負
荷等に対して多重防護することによって安全性を向上さ
せる一方、冷却構造体の微小な亀裂・損傷による冷却材
漏洩を迅速に検知でき、さらに冷却材の三重水素による
汚染を抑制できる核融合炉の炉内機器を提供することに
ある。【構成】核融合炉の炉内機器は、トーラス状の真空容器
１２内に炉内構造物１８を周方向に沿って収容し、この
炉内構造物１８によって画成されるトーラス状の内部空
間１９に水素およびその同位体をプラズマ状態した高温
プラズマ１１を封じ込める核融合炉の炉内機器におい
て、前記炉内構造物１８に形成される冷却構造体を多重
壁構造に構成し、この冷却構造体の内部にプラズマや核
反応による熱を取り出す冷却流体の流路を備えたもので
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核融合炉の炉内機器に係
り、特にプラズマからの熱負荷や核反応による熱を除去
する冷却構造を備えた核融合炉の炉内機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】将来の有望なエネルギ源としての核融合
炉を目指した研究開発が我国においても精力的に進めら
れている。代表的な核融合炉であるトカマク炉を先頭に
して、核融合炉にはプラズマ物理、不純物制御、プラズ
マ加熱、燃料注入、トリチウムなどの物理面での目処を
つけるため大型のプラズマ試験装置が建設されている。

【０００３】最近の核融合炉の設計ではプラズマを封じ
込める核融合炉の炉内機器の熱対策を如何に構成したら
よいか問題となっている。

【０００４】核融合炉の炉内機器は、トーラス型の真空
容器内にトリチウム非増殖の内側ブランケットおよびト
リチウム増殖用外側ブランケットを周方向に沿って密に
配置する一方、上記真空容器内上部および下部にプラズ
マの反応生成物であるＨｅを排出するダイバータを密に
配置して炉内構造物を構成しており、この炉内構造物に
より画成されるトーラス状の内部空間に発生したプラズ
マをトロイダルコイルやポロイダルコイル等により封じ
込めるようになっている。

【０００５】核融合炉の炉内機器は、炉内構造物内にプ
ラズマからの熱負荷を除去するために冷却構造体を有
し、この冷却構造体内に冷却水等の冷却材が案内される
ようになっている。

【０００６】冷却構造体は、比較的プラズマに近い部分
に設置されるのでプラズマからの熱・粒子負荷を受け易
い。また、現在の核融合炉設計では、Ｄ−Ｔ反応と呼ば
れる重水素−三重水素（トリチウム）反応［Ｄ＋Ｔ→４
Ｈｅ（３．５ＭｅＶ）＋ｎ（１４．１ＭｅＶ）］の利用
を考えているため、プラズマから放射される三重水素を
多く受ける環境にある。三重水素（トリチウム）は放射
性物質であるため、取扱いには充分な注意が要求され
る。

【０００７】また、核融合炉の炉内機器の中ではプラズ
マからの中性子を利用して天然には殆ど存在しない三重
水素（トリチウム）を生成する一方、三重水素を生成す
るときの核反応熱がブランケット内の冷却構造体を介し
て取り出される。このため、炉内機器の炉内構造物に備
えられる冷却構造体は核反応熱や三重水素に晒され、プ
ラズマ等からの熱、粒子、三重水素を多く受ける環境に
ある。

【０００８】このため、冷却構造体１は図１３に示すよ
うに構成され、内部に冷却材である冷却水を流通させる
冷却水通路２が形成されている。

【０００９】ところで、このような炉内機器の冷却構造
体１は、プラズマからの熱・粒子負荷、核融合炉運転に
伴う電磁力等により核融合炉の運転に伴って微小な亀裂
や損傷を起こす場合がある。微小な亀裂・損傷は冷却材
の漏洩を引き起こすおそれがあり、冷却材の漏洩が真空
容器内部で生じると容器内の真空度を下げ、核融合炉の
運転に支障を来す問題が生じる。

【００１０】また、炉内構造物である外側ブランケット
内部には三重水素増殖のための酸化リチウム等が内蔵さ
れ、また核融合炉の運転中ブランケット内部は数百℃の
高温になっており、漏洩した冷却材が酸化リチウム等に
及ぶと化学反応や冷却材の急激な蒸発等が生じ、炉内機
器の機能を害するおそれもある。

【００１１】冷却構造体の微小な亀裂や損傷をそのまま
放置すると、亀裂進展による冷却構造体の破断や、冷却
材喪失といった重大なトラブルを生じることも懸念され
る。

【００１２】さらにプラズマ等から放射される三重水素
は、冷却構造体を構成する材料中を透過し、拡散して冷
却材に至るため、冷却材を汚染する可能性もある。

【００１３】核融合炉では、プラズマが突然失われてし
まうディスラプション等の異常現象がしばしば起こり、
そのときの強大な電磁力により冷却系統に損傷の起こる
ことも充分考えられる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、核融合炉
の炉内機器では、炉内構造物の冷却構造に生じる微小な
亀裂・損傷による冷却材漏洩やこの漏洩を放置すること
による亀裂の進展、破断等のトラブル、さらにプラズマ
からの三重水素透過・拡散による冷却材放射能汚染を未
然に防ぐことが困難であるという問題があった。

【００１５】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、冷却構造体がプラズマ等から受ける熱・粒子
負荷等に対して多重防護することによって安全性を高め
た核融合炉の炉内機器を提供することを目的とする。

【００１６】本発明の他の目的は、冷却構造体の微小な
亀裂・損傷による冷却材漏洩を迅速に検知でき、三重水
素による冷却材の汚染を抑制できる核融合炉の炉内機器
を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明に係る核融合炉の炉内機器は、請求項１
に記載したように、トーラス状の真空容器内に炉内構造
物を周方向に沿って収容し、この炉内構造物によって画
成されるトーラス状の内部空間に水素およびその同位体
をプラズマ状態した高温プラズマを封じ込める核融合炉
の炉内機器において、前記炉内構造物に形成される冷却
構造体を多重壁構造に構成し、この冷却構造体の内部に
プラズマや核反応による熱を取り出す冷却流体の流路を
備えたものである。

【００１８】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る核融合炉の炉内機器は、請求項２に記載した
ように、冷却構造体は冷却流体の流路を形成した内壁と
この内壁を取り囲む外壁とから多重壁構造に構成する一
方、前記冷却構造体の多重壁間に空隙を形成し、この空
隙に連通可能な漏洩検知機構を設け、この漏洩検知機構
で冷却流体の前記空隙への漏洩を検出するようにした
り、さらに、請求項３に記載したように、冷却構造体
は、多重壁間に空隙を形成し、この空隙に連通可能な水
素処理装置を設け、この水素処理装置で冷却構造体に侵
入する水素およびその同位体を分離・貯蔵させたもので
あり、さらにまた、請求項４に記載したように、冷却構
造体は多重壁間に空隙を形成し、この空隙に存在する気
体の圧力、温度、水分量等の状態変化を測定する手段
を、前記空隙に連通可能に設け、この測定手段で冷却構
造体内を流通する冷却流体や不活性ガスの漏洩を検出す
るようにしたり、さらに、請求項５に記載したように、
冷却構造体は多重壁間に空隙を形成し、この空隙に連通
可能な圧力検知機構を設け、この圧力検知機構で多重壁
間の空隙に存在する不活性ガス等の気体の冷却構造体外
部への漏洩を検出するようにしたものである。

【００１９】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る核融合炉の炉内機器は、上述した課題を解
決するために、請求項６に記載したように、トーラス状
真空容器内の内部空間に連通する排気ポートに不活性ガ
ス等のガス検知装置を設け、このガス検知装置で冷却構
造体外部への気体漏洩を前記真空容器内部空間を通じて
検出するようにしたり、また請求項７に記載したよう
に、トーラス状真空容器の内部空間に連通する排気ポー
トを真空容器の周方向に沿って複数個設け、上記各排気
ポートに不活性ガス等のガス検知装置をそれぞれ設け、
これらのガス検知装置により冷却構造体外部への気体漏
洩箇所を検出するようにしたものである。

【００２０】さらにまた、本発明に係る核融合炉の炉内
機器は、上述した課題を解決するために、請求項８に記
載したように、冷却構造体は多重壁間に空隙を形成し、
この空隙に熱伝導性が優れた金属素線を設けたり、請求
項９に記載したように、冷却構造体は多重壁間同士を密
着させ、密着させた多重壁間に形成される部分的な空隙
を不活性ガス等の流体を流す流通溝として形成したり、
また、請求項１０に記載したように、冷却構造体は、多
重壁を構成する材料の一部または全部を水素吸蔵材料ま
たはその合金で形成したり、さらに、請求項１１に記載
したように冷却構造体は、高温プラズマ側に面する側の
多重壁の肉厚を薄肉化したものである。

【００２１】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る核融合炉の炉内機器は、請求項１２に記載し
たように、水素処理装置は、ヘリウム等の不活性ガスの
気体循環系の一部に設けられ、水素およびその同位体を
透過させる水素透過膜で内部を気体循環系の一部を構成
する被処理チャンバと水素およびその同位体を貯蔵する
処理チャンバとに区画したり、さらに請求項１３に記載
したように水素処理装置は、水素透過膜で分離された水
素またはその同位体を酸化処理するように構成したり、
さらにまた、請求項１４に記載したように水素処理装置
の処理チャンバには水素ゲッタが収容され、この水素ゲ
ッタにより分離された水素およびその同位体を吸収・貯
蔵したものである。

【００２２】

【作用】本発明の核融合炉の炉内機器では冷却構造体を
多重壁構造としたため、冷却構造体がプラズマ等から受
ける熱・粒子負荷等に対して多重防護となる。また多重
壁間の熱伝導のために多重壁同士を密着あるいは多重壁
間の空隙に金属素線を設け、さらに伝熱性向上のために
多重壁の肉厚を変化させるようにしたので、炉内機器の
冷却機能を損うことなく、多重防護することができる。

【００２３】さらに、冷却構造体は多重壁間の空隙の一
部の密着部分に不活性ガス等の流体の流れる流通溝を設
け、その流通溝、あるいは多重壁間の空隙を通じて冷却
材の漏洩を検知できる機能を有するようにしたので、冷
却構造体の亀裂・損傷を効果的かつ迅速に検知でき、そ
の流通溝や空隙に流れる流体の種類、混合比を工夫する
ようにした場合には、冷却構造体の亀裂・損傷の場所を
特定できる。この流通溝や空隙により冷却構造体を透過
する三重水素を処理する機能を有するるようにし、さら
に多重壁を構成する材料の一部または全部に水素吸蔵合
金を用いるようにしたため、冷却材の三重水素による汚
染を抑制することができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明に係る核融合炉の炉内機器の一
実施例について添付図面を参照して説明する。

【００２５】図１はトカマク型核融合炉の右半分を原理
的に示す縦断面図である。この核融合炉は断熱真空容器
として例えば高さ３０ｍ程度のクライオスタット１０内
に高温プラズマ１１を閉じ込めるトーラス状の真空容器
１２が収容される。真空容器１２は例えば２０ｍ程度の
高さを有し、真空容器１２の周りにプラズマ１１を取り
囲む磁力線を発生させるコイル群１３が設けられる。コ
イル群１３には軸方向の磁力線（トロイダル磁場）を作
るトロイダル磁場コイル１４と、プラズマ電流を発生さ
せる空心変流器コイル（図示せず）と、プラズマ電流の
方向に対して右廻り方向にポロイダル磁場を作用させる
ポロイダル磁場コイル１５と、プラズマ１１の位置およ
び断面形状を制御する位置形状制御コイルとを有する。

【００２６】一方、真空容器１２内には炉内構造物１８
が設けられ、この炉内構造物１８内に発生したプラズマ
１１が封じ込められるトーラス状の内部空間１９が形成
される。炉内構造物１８は、真空容器１２内を周方向に
沿って密に配列されるセグメント構造に形成され、真空
容器１２内の内周側に沿って配置されるトリチウム非増
殖の内側ブランケット２１と、真空容器１２内の外周側
に沿って配置されるトリチウム増殖用外側ブランケット
２２と、真空容器１２内の上下壁に沿って周方向に配置
されるダイバータ２３とを有する。ダイバータ２３はプ
ラズマ１１の反応生成物であるＨｅの排出装置として構
成される。

【００２７】また、トーラス状真空容器１２の内部空間
１９には、炉内構造物１８の点検・保守・交換用上部ポ
ート２５、コネクティングポートとしての水平ポート２
６およびメンテナンスポートとしての下部ポート２７を
通じてアクセスできるようになっている。上部ポート２
５、水平ポート２６および下部ポート２７は真空容器１
２のトーラス方向に沿って例えば１０数個ずつ形成され
ており、上部ポート２５のポート口は遮蔽プラグ２８で
覆われる。水平ポート２６は図示しないプラズマ加熱装
置やプラズマ計測器等へ接続されるようになっている。

【００２８】下部ポート２７には途中からヘリウム排気
を行なう排気ポート３０が分岐されており、この排気ポ
ート３０の途中にリークディテクタであるガス検知手段
としてのヘリウム検知装置３１が設けられる。

【００２９】このヘリウム検知装置３１は、トーラス状
真空容器１２の内部空間１９を真空に排気するための排
気ポート３０を通じて設置される。排気ポート３０は核
融合炉に複数設けられ、ヘリウム検知装置３１は排気ポ
ート３０に従って複数個設置される。ヘリウム検知装置
３１には、ヘリウムリークディテクタと呼ばれる一般的
な検出機器が使用される。

【００３０】また、核融合炉のトーラス状真空容器１２
内には、内側ブランケット２１や外側ブランケット２２
が周方向に沿って約３０台設置される。このうち、図２
には外側ブランケット２２の１つのセグメントを構成す
るブランケット単体３３の外観形状を示す。ブランケッ
ト単体３３は上部に配管出入口ポート３４が形成され、
この出入口ポート３４を介して冷却材である冷却水の循
環配管３５およびヘリウム等の不活性ガスの気体循環配
管３６が接続される。

【００３１】外側ブランケット２２の各ブランケット単
体３３の内部は冷却水循環配管３５および気体循環配管
３６を介して図３に示すように、冷却水循環系３８およ
び不活性ガスの気体循環系３９にそれぞれ接続され、各
ブランケット単体３３の内部が冷却水循環系３８や気体
循環系３９の一部を構成している。冷却水循環系３８に
は冷却水の循環ポンプ４０および蒸気発生器などの図示
しない熱交換装置が設けられ、冷却水を冷却している。

【００３２】一方、気体循環系３９にはヘリウム等の不
活性ガスに含まれる水分量を検出する冷却水の漏洩検出
機構としての水分測定器４３や不活性ガスの圧力を検出
する圧力検出機構としての圧力計４４、不活性ガスの温
度を検出する温度検出機構としての温度計（図示せ
ず）、水素およびその同位体を分離し、貯蔵する水素処
理装置４６および気体循環ポンプ４７が順次接続されて
閉サイクルを構成している。水素処理装置４６には真空
ポンプ４８が接続され、この真空ポンプ４８による真空
引きによって水素およびその同位体の分離効率を向上さ
せている。

【００３３】また、水分測定器４３や圧力計４４、図示
しない温度計にて検出された信号はコントローラ４９に
送られて信号処理される。コントローラ４９は冷却水循
環ポンプ４０や気体循環ポンプ４７を作動制御するよう
になっている。

【００３４】ところで、外側ブランケット２２のブラン
ケット単体３３は図５に示す内部構造を有する。この内
部構造は図２に示すブランケット単体３３を、例えばＶ
−Ｖ線に沿って切断した平断面状態に構成される。

【００３５】ブランケット単体３３にはプラズマ１１に
面する外周側に第１壁５０が構成され、第１壁５０の表
面にはプラズマ１１の熱が直接当たらないようにグラフ
ァイト等の高融点材料からなるアーマと呼ばれる耐熱材
５１がろう付け等で張設される。耐熱材５１は少なくと
もプラズマ側表面に張設されている。図５は耐熱材５１
の一部を示すものである。

【００３６】第１壁５０はブランケット単体３３のプラ
ズマ１１に面する外周部を構成する機器であり、図６は
図５に示すＡ部の拡大図で、第１壁５０をより詳細に示
すものである。

【００３７】第１壁５０は高温プラズマからの熱負荷等
を吸収して炉内構造物１８の健全性を保つ目的で設置さ
れ、炉内構造物１８の内側ブランケット２１にも同様に
構成される。第１壁５０は高温プラズマ１１から受ける
熱負荷が大きいため、冷却水による除熱構造を施した冷
却構造体５３が設けられる。

【００３８】第１壁５０の冷却構造体５３は図６および
図７に示すように、例えばステンレス鋼やフェライト鋼
製の多数の内壁５４と外壁５５とを組み合せて多重壁構
造に構成され、各内壁５４内に冷却流体の流路である冷
却水通路５６がそれぞれ形成される。各内壁５４を取り
囲む外壁５５は外壁同士が相互に結合されて一体化され
ても、予め一体構造物で形成してもよい。このようにし
て、第１壁５０の冷却構造体５３の内部に多数の冷却水
通路５６が列状に配列される。

【００３９】冷却構造体５３は、多重壁を構成する材料
の一部あるいは全部を水素吸蔵材料またはその合金を用
いてもよい。この場合には、三重水素（トリチウム）が
冷却構造体５３を透過して冷却水通路５６に至る量を大
幅に低減させることができ、三重水素による冷却水の汚
染を防止できる。

【００４０】冷却構造体５３の各冷却水通路５６は一側
が外側ブランケット２２のブランケット単体３３の背側
側方に形成される供給側第１壁冷却マニホールド５８に
連通される。第１壁冷却マニホールド５８から延びる各
冷却水通路５６はプラズマ１１側に接する第１壁５０の
冷却構造体５３内を通って反対側に延び、この側に対向
して形成された還流側第１壁冷却マニホールド５９に連
通される。第１壁冷却マニホールド５８，５９の供給側
と還流側とは逆にしてもよい。

【００４１】第１壁冷却マニホールド５８，５９は外側
ブランケット２２のブランケット単体３３を長手方向に
延び、図２に示すように、配管出入口ポート３４を介し
て冷却水循環配管３５にそれぞれ接続され、冷却水の循
環ポンプ４０により第１壁５０内を強制的に循環せしめ
られる。

【００４２】また、第１壁５０の冷却構造体５３は多重
壁構造に形成され、この多重壁を構成する内壁５４と外
壁５５との壁間に環状の空隙（間隙）６０が図７に示す
ように形成され、この空隙６０内に熱伝導を良好に保つ
ために多数の金属素線６１が介装される。各金属素線６
１は熱伝導を良好にするため壁面に焼結させてもよい。
金属素線６１には冷却構造体５３と同一材料あるいは冷
却構造体２２より熱伝導率が良い材料が使用される。冷
却構造体５３の内壁５４と外壁５５との形状はパイプ形
状等種々の形状が考えられる。

【００４３】多重壁構造の冷却構造体５３の壁間空隙６
０内にはヘリウム等の不活性ガスの気体が流れており、
この空隙６０は一側が図５および図６に示すように供給
側の空隙流通ガスマニホールド６２に連通され、他側が
還流側の空隙流通ガスマニホールド６２にそれぞれ連通
される。空隙流通ガスマニホールド６２，６２の流通側
と還流側は逆であってもよく、各空隙流通ガスマニホー
ルド６２，６２は配管出入口ポート３４を介してヘリウ
ム等の不活性ガスを循環させる気体循環系３９の気体循
環配管３６にそれぞれ接続され、気体循環系３９の一部
を構成している。不活性ガスは気体循環系３９の供給側
に設けられる気体循環ポンプ４７の作動制御により循環
する不活性ガス量や圧力が調節制御される。気体循環ポ
ンプ４７はコントローラ４９により作動制御される。

【００４４】気体循環系３９の気体循環配管３６の還流
側には、前述したように、冷却水の漏洩検知機構として
の水分検知器４３が接続され、第１壁５０の冷却構造体
５３の内壁５４の亀裂や損傷による冷却水の漏洩に伴う
水分上昇を検知している。

【００４５】このような方法で冷却水の漏洩を検知する
ことにより、必要に応じて核融合炉の運転を停止させて
核融合炉の分解・修理や補修を行なうことができる。核
融合炉の分解修理は軽水炉等の分裂炉の核燃料交換に相
当する重要なものであり、核融合炉の信頼性を向上させ
ることができる。

【００４６】また、気体循環系３９の水分測定器４３の
下流側に前述した圧力検知機構としての圧力計４４が接
続されており、この圧力計４４により壁間空隙６０の圧
力を測定している。この空隙圧力の測定により冷却構造
体５３の外壁５５の亀裂や損傷によるヘリウム等の不活
性ガスの漏洩を検出できる。

【００４７】第１壁５０の冷却構造体５３の外壁５５か
らヘリウム等の不活性ガスが漏洩すると、この不活性ガ
スは図１に示す真空容器１３の内部空間１９に放出され
るため、核融合炉の真空度を下げ、プラズマ１１に悪影
響を与えるおそれがある。

【００４８】このため、不活性ガスの漏洩を検知する
と、図３に示すコントローラ４９にて気体循環ポンプ４
７の作動を停止させ、ヘリウム等の不活性ガスの漏洩量
を抑えるとともに、必要に応じて核融合炉の運転を停止
させ、炉の補修や分解修理を行なうことができる。

【００４９】さらに、気体循環系３９には水素処理装置
４６が設けられ、この水素処理装置４６は気体循環配管
３６を通じて壁間空隙６０に連通している。気体循環系
３９内を循環ポンプ４７により強制的に循環せしめられ
るヘリウム等の不活性ガスは水素処理装置４６を案内さ
れるようになっている。

【００５０】水素処理装置４６は水素分離器であり、図
４に示すように、ケーシング６３内に形成されるチャン
バがパナジウム等の水素透過膜６４を介して気体循環系
３９の一部を構成する被処理チャンバ６５と分離される
水素およびその同位体を貯蔵する処理チャンバ６６とに
区画される。被処理チャンバ６５に案内されたヘリウム
等の不活性ガスに含まれる水素分が水素透過膜６４を通
って処理チャンバ６６に送られ、水素と不活性ガスとを
分離している。その際、処理チャンバ６６側は真空ポン
プ４８によりポンプ引きされて排気され、水素やその同
位体の分離効率を高めている。

【００５１】水素処理装置４６の処理チャンバ６６内に
はチタンや水素吸蔵合金からなる水素ゲッタ６７が収容
されており、この水素ゲッタ６７にて分離された水素を
吸着し、不活性ガスに含まれる水素や水素同位体をこの
水素ゲッタ６７に貯蔵させている。水素ゲッタ６７には
チタンの他にＢａ，Ｃａ，Ｃｅ，Ｃｓ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｇ
ｄ，Ｈｆ，Ｈｏ，Ｋ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｌｕ，Ｍｇ，Ｎａ，
Ｎｄ，Ｐｒ，Ｐｕ，Ｒｂ，Ｓｃ，Ｓｍ，Ｓｒ，Ｔｂ，Ｔ
ｈ，Ｔｍ，Ｕ，Ｙ，Ｚｒ，Ａｌ−Ｚｒ合金がある。

【００５２】水素ゲッタ６７による水素や水素同位体の
貯蔵により、三重水素（トリチウム）がプラズマ１１か
ら冷却構造体５３を透過・拡散して冷却水に混入され、
冷却水が汚染されるのを有効的に防止している。

【００５３】このように核融合炉の炉内機器では冷却構
造体５３がプラズマ１１から受ける熱・粒子負荷等によ
って損傷した場合でも迅速に損傷を検知できるため核融
合炉の信頼性を従来に比べ飛躍的に高めることができ
る。さらにプラズマから冷却構造体５３を透過・拡散し
冷却水に至る水素の同位体で放射性物質である三重水素
（Ｔ）を冷却水に混入させることなく、冷却構造体５３
の多重壁間の空隙６０を通じて水素処理装置が水素透過
膜を介して水素ゲッタにより分離・貯蔵するため、三重
水素による冷却水の汚染を未然に防止することができ、
従来の比べ安全性が格段に増す。

【００５４】また、水素処理装置４６は水素透過膜６４
で分離された水素およびその同位体を酸化処理させても
よい。この場合、水素透過膜６４で分離された水素また
はその同位体を回収し、燃焼させて水を生成し、この水
の形で保管するようにしてもよい。

【００５５】第１壁５０に形成される多重壁構造の冷却
構造体５３は、内壁５４や外壁５５の溶接や切削加工に
より個別成形した後、拡管加工、液圧成形加工または爆
発成形加工等の冷間加工を施すことにより、多重壁間を
より密着させる加工をして製造される。

【００５６】他方、外側ブランケット２２の各ブランケ
ット単体３３内には、トリチウム増殖機能が備えられ、
ブランケット単体３３の内部には、トリチウム増殖材と
しての酸化リチウム（Ｌｉ）７０やトリチウム増殖補助
材として中性子増倍させるベリリウム７１が内蔵され
る。酸化リチウム７０はプラズマ１１から飛散される中
性子を利用してトリチウム（Ｔ）を生成している。この
ときの反応式は

【数１】で表わされる。

【００５７】なお、⁶Ｌｉは天然に７．９２ｗｔ％、⁷
Ｌｉは天然に９２．５８ｗｔ％存在する。リチウム（Ｌ
ｉ）には液体としてＬｉ金属やＬｉ₁₇Ｐｂ₈₃のＬｉ合金
があり、また固体としてＬｉ₂Ｏ，Ｌｉ₂ＡｌＯ₂，Ｌ
ｉ₂ＺｒＯ₃，Ｌｉ₂ＳｉＯ₄のＬｉセラミックスやＬ
ｉ₆₂Ｐｂ₃₈のＬｉ合金がある。

【００５８】また、ブランケット単体３３に内蔵される
ベリリウム（Ｂｅ）７１は酸化リチウムと中性子との反
応によるトリチウムの生成を助けるため、プラズマ１１
から中性子を増倍させるようになっている。

【００５９】

【数２】⁹ Ｂｅ＋ｎ → ２・⁴Ｈｅ＋２ｎ ……（２）

【００６０】さらに、外側ブランケット２２のブランケ
ット単体３３の内部には、特にプラズマ生成側に、図５
に示すようにブランケット冷却構造体７３が間隔を置い
て多層に配置され、各ブランケット冷却構造体７３間に
中性子増殖材（トリチウム増殖補助材）であるベリリウ
ム７１やトリチウム増殖材であるリチウム７０が介装さ
れる。

【００６１】各ブランケット冷却構造体７３も図７に示
すものと同様の多重壁構造を有し、冷却水通路を形成し
た内壁とこの内壁を覆う外壁とからなる。内壁と外壁と
の壁間空隙には熱伝導のための金属素線が設けられ、空
隙内にはヘリウム等の不活性ガスが流通せしめられるよ
うになっている。

【００６２】ブランケット冷却構造体７３の内壁５５内
に形成される冷却水通路はブランケット単体３３の背側
に形成されるブランケット冷却マニホールド７５に連通
され、このマニホールド７５は図３に示すものと同様の
冷却水循環系３８の冷却水循環配管３５に配管出入口ポ
ート３３を介して連通される。

【００６３】外側ブランケット２２のブランケット単体
３３の内部は、プラズマ１１からの中性子と酸化リチウ
ム７０との核反応によりトリチウム（Ｔ）を増殖させ、
この核反応により約４００℃程度の高温になるため、ブ
ランケット冷却構造体７３内を流れる冷却水によりブラ
ンケット単体３３内が冷却され、除熱される。

【００６４】冷却水は、図３に示すものと同様な冷却水
の循環ポンプからブランケット冷却マニホールド７５を
介してブランケット冷却構造体７３の各冷却水通路に案
内され、多重壁構造のブランケット冷却構造体７３を冷
却している。核融合炉はブランケット冷却構造体７３を
介して冷却材としての冷却水に伝達される熱をエネルギ
として取り出すものであり、熱を取り出す場合、冷却水
の循環系には図示しない蒸気発生器が設けられ、この蒸
気発生器により蒸気タービン駆動用の蒸気を発生させる
ようになっている。

【００６５】また、ブランケット冷却構造体７３の多重
壁構造の内壁および外壁間の空隙も図６および図７に示
すものと同様に構成され、ブランケット単体３３の背側
側方に形成される空隙流通ガスマニホールド６２を介し
て不活性ガスの気体循環系に接続される。

【００６６】気体循環系の気体循環配管には、図３に示
すものと同様に、漏洩検知機構、圧力検知機構および水
素処理装置等がそれぞれ設けられ、壁間空隙は気体循環
配管を通じて上記漏洩検知機構や圧力検知機構、水素処
理装置に繋っている。

【００６７】漏洩検知機構や圧力検知機構、水素処理装
置により、多重壁構造をなすブランケット冷却構造体７
３の内壁や外壁の亀裂や損傷を検出するとともに、水素
やその同位体を不活性ガスから分離させ、貯蔵してい
る。

【００６８】なお、ブランケット冷却構造体７３の冷却
水通路に接続される冷却水循環系や壁間空隙に連通され
る気体循環系は、第１壁５０の冷却構造体５３に備えら
れる冷却水循環系３８や気体循環系３９から独立して構
成しても、共通化を図るようにしてもよい。

【００６９】このように外側ブランケット内にブランケ
ット冷却構造体を内蔵し、この冷却構造体を冷却水循環
系や気体循環系に接続することにより、ブランケット冷
却構造体の損傷を検知できるので、ブランケット冷却構
造体の損傷による冷却水の洩れを素早く感知し、冷却水
洩れが生じた場合、外側ブランケット内部にある酸化リ
チウム等と冷却水の化学反応の進展を防止できる。この
ため核融合炉の安全性・信頼性を飛躍的に向上させるこ
とができる。

【００７０】また、このブランケット冷却構造体によれ
ば、ブランケット冷却構造体を過拡散するトリチウム
（三重水素）が冷却水に至るまでにブランケット冷却構
造体の内壁と外壁からなる多重壁間の空隙を通じて処理
することができるため、冷却水の汚染が防止でき、安全
性が飛躍的に高くなる。

【００７１】次に、トーラス状真空容器１２内の上下部
に設けられるダイバータ２３を説明する。

【００７２】ダイバータ２３はトーラス状真空容器１２
内の上下部にやや内周側に偏位して設けられ、上記真空
容器１２の周方向に沿って例えば３２台ずつ配置され
る。ダイバータ２３は図８に示すようにダイバータサポ
ート７９上に支持される。ダイバータ２３は冷却構造体
８０を有し、この冷却構造体８０は図９に示すようにダ
イバータサポートパイプ８１およびサポートストラクャ
８２により支持される。

【００７３】ダイバータ２３は核融合炉の炉内機器の中
で最も高温プラズマ１１からの熱や粒子負荷を受けるも
ので、熱損傷を受け易い。熱負荷は１５ＭＷ／mm²にも
至り、通常の材料では溶融するために、グラファイト、
タングステン等の高融点材料の耐熱材８３がダイバータ
２３のプラズマ側表面にろう付け等で張設される。

【００７４】ダイバータ２３の冷却構造体８０は図１０
に示すように、熱伝導率が高いＣｕ等からなるパイプ構
造が採用され、内壁を構成する内管８５とこの内管の周
りを覆う外壁としての外管８６とから多重壁構造に構成
される。冷却構造体７６を多重壁構造にすると、熱伝導
率が低下するが、プラズマ側に近い冷却構造体８０の外
管８６を薄肉構造とすることにより、熱伝導を向上させ
ることができる。

【００７５】銅（Ｃｕ）は、一般に強度が高温で下が
る。ダイバータ２３の冷却に用いられる銅は、約８００
℃にもなり、強度は大幅に低下する。このため、銅の代
りにアルミナ分散強化銅と呼ばれる耐高温強度材料を用
いると冷却構造体８０の強度が上昇するが、周りの高融
点材料の耐熱材８３に対して熱応力によりクラックを発
生させるおそれがある。このクラック等の損傷発生防止
のために、耐熱材７９に近い冷却構造体８０の外管８１
には、高熱伝導性を有する応力緩衝材として一般の銅
が、内管８０にはアルミナ分散強化銅を用いれば、物理
的・機械的強度を保ちつつ信頼性を向上させた冷却構造
体８０を構成できる。

【００７６】ダイバータ２３の冷却構造体８０は図１０
に示すように、多重壁構造をなし、内壁としての内管８
５内に冷却水を流通させる冷却水通路８８が形成され、
この内管８５と外壁としての外管８６との壁間には環状
の空隙８９が形成され、この空隙８９内に熱伝導性に優
れた金属素線９０が配置される。この空隙８９内をヘリ
ウム等の不活性ガスが案内されるようになっている。

【００７７】冷却構造体８０の冷却水通路８３は図１１
に示すダイバータ冷却マニホールド９１に接続され、壁
間空隙８９は空隙流通ガスマニホールド９２に連通され
る。空隙流通ガスマニホールド８６は例えばダイバータ
冷却マニホールド９１内に区画して形成されており、ダ
イバータ冷却マニホールド９１は冷却水の供給側および
還流側が相互に独立して構成される。これらのマニホー
ルド９１，９２の形状は種々の断面形状のものが考えら
れる。

【００７８】ダイバータ冷却マニホールド９１は、図３
に示すものと同様、冷却材としての冷却水の循環系に接
続され、図示しない循環ポンプにより、このダイパータ
冷却マニホールド９１を介して冷却構造体８０の冷却流
体の流路としての冷却水通路８８内を冷却水が強制的に
循環せしめられる。

【００７９】また、冷却構造体８０の壁間空隙８４は空
隙流通マニホールド９２を介して図３に示すものと同様
な気体循環系に接続され、図示しない気体循環ポンプに
よりヘリウム等の不活性ガスを強制的に循環せしめてい
る。気体循環系には漏洩検知機構や圧力検知機構、水素
処理装置等がそれぞれ設けられ、これらの漏洩検知機構
や圧力検知機構で多重壁構造の冷却構造体８０の内外管
の亀裂・損傷を検知し、水素処理装置で水素およびこの
同位体を分離させ、貯蔵している。

【００８０】ダイバータ２３の冷却構造体８０を二重壁
構造とし、高温プラズマ側を高融点材料の耐熱材８３で
覆うことにより、外側ブランケット２２の第１壁５０よ
り厳しい条件におけるダイバータ２３の信頼性をより一
層向上させることができる。

【００８１】ところで、核融合炉のトーラス状真空容器
１２内に配置される炉内構造物１８の多重壁構造の冷却
構造体５３，７３，８０の損傷によって不活性ガスとし
てのヘリウムが真空容器１２の内部空間１９に漏出した
場合には、ガス検知手段としてのヘリウム検知装置３１
がヘリウム漏出を検出し、この検出により冷却構造体５
３，７３，８０が損傷したことを知ることができる。そ
の際、ヘリウム検知装置３１を複数台設置することによ
り、真空容器１２のどの部分からのヘリウム量が最も多
いか判断できるため冷却構造体の損傷箇所を特定するこ
とができる。

【００８２】また、核融合炉では、核融合反応により発
生するヘリウムと冷却構造体５３，７３，８０の損傷に
よるヘリウムリーク量を明確に区別するためには、冷却
構造体５３，７３，８０の内部を流通させるガスにヘリ
ウム以外の不活性ガスまたはその混合ガスを使用し、検
知装置３１がヘリウム以外のガスを検知するものでもよ
い。さらに、冷却構造体５３，７３，８０の各ガス流通
経路毎に不活性ガス濃度を随時変化させれば、冷却構造
体の損傷箇所が明確になる。

【００８３】このように、冷却構造体５３，７３，８０
の損傷箇所を、トーラス状真空容器１２の内部空間１９
に連通させる複数のヘリウム検知装置３１によって検知
することにより特定できるので、冷却構造体５３，７
３，８０が損傷した場合、この補修を迅速に行なうこと
ができ、より信頼性の高い核融合炉を提供できる。

【００８４】なお、本発明の一実施例では、外側ブラン
ケット２２に形成される第１壁５０の冷却構造体５３に
環状の壁間空隙６０を形成し、この空隙６０内に金属素
線６１を配設した例を示したが、図１２に示すように内
壁５４と外壁５５とからなる冷却構造体５３Ａの多重壁
間を密着し、壁間に気体の流通溝９５を空隙の一部とし
て形成し、この流通溝９５内にヘリウム等の不活性ガス
を流すようにしてもよい。冷却構造体５３Ａの多重壁間
を密着させることにより、壁間の熱伝導面積が増大して
多重壁間の熱伝導か良好となり、効率よく機器の熱を除
去できる。しかし、ヘリウム等の不活性ガスが流通する
壁間空隙９５が小さくなるため、流通溝９５内のガス移
動速度が遅くなり、冷却水の漏洩検知に時間がかかる。

【００８５】この核融合炉の炉内機器においては、冷却
構造体を多重壁構造に構成し、壁間を密着してガス流通
溝を設け、また密着しない壁間空隙に熱伝導のための素
線を設け、その空隙にヘリウム等の気体を流し、空隙を
介して漏洩検知機構、圧力検知機構を設けるようにした
ので、冷却構造体の亀裂・損傷を微小な段階から検知で
き、さらに水素処理装置を設けるようにしたので、水素
またはその同位体が冷却水通路に至らないうちに処理す
ることができ、従来に比較して飛躍的に安全性、信頼性
の高い核融合炉を提供することができる。

【００８６】

【発明の効果】以上に述べたように本発明に係る核融合
炉の炉内機器においては、トーラス状真空容器内に設け
られる炉内構造物に形成される冷却構造体を多重壁構造
に構成し、この冷却構造体の内部に冷却流体の流路を形
成したので、冷却構造体がプラズマ等から受ける熱・粒
子負荷等に対して多重防護となる。また冷却構造体は多
重壁間の熱伝導のために多重壁同士を密着あるいは多重
壁間に形成される空隙に金属素線を設け、伝熱性向上の
ために多重壁の肉厚を変化させるようにしたので、炉内
機器の冷却機能を損うことなく、多重防護することがで
きる。

【００８７】さらに冷却構造体は多重壁間の密着部分に
流体の流れる流通溝を空隙の一部として設け、その流通
溝あるいは多重壁間の空隙を通じて冷却材の漏洩を検知
できる機能を有するようにしたので、冷却構造体の亀裂
・損傷による冷却材漏洩を微小な段階から検知できるの
で、核融合炉内の炉内構造物の損傷や亀裂進展による冷
却構造体の破断や損傷、また冷却構造体の破断や損傷に
よる冷却材喪失のトラブルを未然に防ぐことができる。

【００８８】また、冷却構造体の多重壁間に形成される
空隙や空隙の一部を構成する流通溝に流れる流体の種
類、混合比を工夫すると、冷却構造体の亀裂・損傷の場
所を特定できる。このため、核融合炉の炉内機器の補修
や保全対策を迅速に講じることができ、核融合炉の信頼
性が飛躍的に向上する。

【００８９】さらに、冷却構造体の多重壁間に形成され
る空隙や空隙の一部を構成する流通溝により、冷却構造
体を透過する三重水素を処理する機能を有するように
し、多重壁を構成する材料の一部または全部に水素吸蔵
合金を用いるようにしたため、三重水素が冷却構造体を
透過・拡散して冷却材に至る量を大幅に低減でき、冷却
材の三重水素による汚染を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る核融合炉の炉内機器の一実施例を
示すもので、核融合炉の右半分を概略的に示す縦断面
図。

【図２】核融合炉の炉内機器を構成する外側ブランケッ
トのブランケット単体を示す外観図。

【図３】外側ブランケットと冷却水やヘリウム等の不活
性ガスの循環系との接続関係を示す図。

【図４】不活性ガスの気体循環系に備えられる水素処理
装置の一例を示す原理図。

【図５】図２に示す外側ブランケットのＶ−Ｖ線に沿う
平断面状態を示す斜視図。

【図６】図５のＡ部の拡大斜視図。

【図７】外側ブランケットの第１壁に形成される冷却構
造体を示す断面図。

【図８】核融合炉の真空容器内に設けられるダイバータ
のセグメントを示す斜視図。

【図９】図８に示すＢ部の拡大図。

【図１０】ダイバータに備えられる冷却構造体を示す断
面図。

【図１１】ダイバータの冷却構造体とマニホールドの接
続関係を示す断面図。

【図１２】外側ブランケットに備えられる冷却構造体の
変形例を示す断面図。

【図１３】従来のブランケットに備えられる冷却構造体
を示す断面図。

【符号の説明】

１０クライオスタット（断熱真空容器）１１プラズマ１２真空容器１３コイル群１８炉内構造物１０内部空間２１内側ブランケット２２外側ブランケット２３ダイバータ２５上部ポート２６水平ポート２７下部ポート３０排気ポート３１ヘリウム検知装置（ガス検知装置）３３ブランケット単体３５冷却水循環配管３６気体循環配管３８冷却水循環系３９気体循環系４３水分測定器（漏洩検知手段）４４圧力計（圧力検知手段）４６水素処理装置４９コントローラ５０第１壁５１耐熱材５３，５３Ａ第１壁の冷却構造体５４内壁５５外壁５６冷却水通路（冷却流体の流路）５８，５９第１壁冷却マニホールド６０空隙６１金属素線６２空隙流通ガスマニホールド６４水素透過膜６５被処理チャンバ６６処理チャンバ６７水素ゲッタ７０リチウム（トリチウム増殖材）７１ベリリウム（中性子増殖材、トリチウム増殖補助
材）７３ブランケット冷却構造体７９ダイバータサポート８０ダイバータの冷却構造体８３耐熱材８５内管（内壁）８６外管（外壁）８８冷却水通路（冷却流体の流路）８９空隙９０金属素線９１ダイバータ冷却マニホールド９２空隙流通ガスマニホールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大嶋厳神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者石鳥隆司神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者田中信彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者中井優神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トーラス状の真空容器内に炉内構造物を
周方向に沿って収容し、この炉内構造物によって画成さ
れるトーラス状の内部空間に水素およびその同位体をプ
ラズマ状態した高温プラズマを封じ込める核融合炉の炉
内機器において、前記炉内構造物に形成される冷却構造
体を多重壁構造に構成し、この冷却構造体の内部にプラ
ズマや核反応による熱を取り出す冷却流体の流路を備え
たことを特徴とする核融合炉の炉内機器。
【請求項２】冷却構造体は冷却流体の流路を形成した
内壁とこの内壁を取り囲む外壁とから多重壁構造に構成
する一方、前記冷却構造体の多重壁間に空隙を形成し、
この空隙に連通可能な漏洩検知機構を設け、この漏洩検
知機構で冷却流体の前記空隙への漏洩を検出するように
した請求項１記載の核融合炉の炉内機器。
【請求項３】冷却構造体は、多重壁間に空隙を形成
し、この空隙に連通可能な水素処理装置を設け、この水
素処理装置で冷却構造体に侵入する水素およびその同位
体を分離・貯蔵させた請求項１記載の核融合炉の炉内機
器。
【請求項４】冷却構造体は多重壁間に空隙を形成し、
この空隙に存在する気体の圧力、温度、水分量等の状態
変化を測定する手段を前記空隙に連通可能に設け、この
測定手段で冷却構造体内を流通する冷却流体や不活性ガ
スの漏洩を検出するようにした請求項１記載の核融合炉
の炉内機器。
【請求項５】冷却構造体は多重壁間に空隙を形成し、
この空隙に連通可能な圧力検知機構を設け、この圧力検
知機構で多重壁間の空隙に存在する不活性ガス等の気体
の冷却構造体外部への漏洩を検出するようにした請求項
１記載の核融合炉の炉内機器。
【請求項６】トーラス状真空容器内の内部空間に連通
する排気ポートに不活性ガス等のガス検知装置を設け、
このガス検知装置で冷却構造体外部への気体漏洩を前記
真空容器の内部空間を通じて検出するようにした請求項
１記載の核融合炉の炉内機器。
【請求項７】トーラス状真空容器の内部空間に連通す
る排気ポートを真空容器の周方向に沿って複数個設け、
上記各排気ポートに不活性ガス等のガス検知装置をそれ
ぞれ設け、これらのガス検知装置により冷却構造体外部
への気体漏洩箇所を検出するようにした請求項１記載の
核融合炉の炉内機器。
【請求項８】冷却構造体は多重壁間に空隙を形成し、
この空隙に熱伝導性が優れた金属素線を設けた請求項１
記載の核融合炉の炉内機器。
【請求項９】冷却構造体は多重壁間同士を密着させ、
密着させた多重壁間に形成される部分的な空隙を不活性
ガス等の流体を流す流通溝として形成した請求項１記載
の核融合炉の炉内機器。
【請求項１０】冷却構造体は、多重壁を構成する材料
の一部または全部を水素吸蔵材料またはその合金で形成
した請求項１記載の核融合炉の炉内機器。
【請求項１１】冷却構造体は、高温プラズマ側に面す
る側の多重壁の肉厚を薄肉化した請求項１記載の核融合
炉の炉内機器。
【請求項１２】水素処理装置は、ヘリウム等の不活性
ガスの気体循環系の一部に設けられ、水素およびその同
位体を透過させる水素透過膜で内部を気体循環系の一部
を構成する被処理チャンバと水素およびその同位体を貯
蔵する処理チャンバとに区画した請求項３記載の核融合
炉の炉内機器。
【請求項１３】水素処理装置は、水素透過膜で分離さ
れた水素またはその同位体を酸化処理するように構成し
た請求項３または１２に記載の核融合炉の炉内機器。
【請求項１４】水素処理装置の処理チャンバには水素
ゲッタが収容され、この水素ゲッタにより分離された水
素およびその同位体を吸収・貯蔵した請求項１２記載の
核融合炉の炉内機器。