JPH0814633B2 - 核融合炉 - Google Patents

核融合炉

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JPH0814633B2
JPH0814633B2 JP1128836A JP12883689A JPH0814633B2 JP H0814633 B2 JPH0814633 B2 JP H0814633B2 JP 1128836 A JP1128836 A JP 1128836A JP 12883689 A JP12883689 A JP 12883689A JP H0814633 B2 JPH0814633 B2 JP H0814633B2
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tritium
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純孝 後藤
菊池　　茂
哲夫 中澤
忠彦 三吉
哲雄 小山
義弘 小澤
新一 伊東
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11—Details
    • G21B1/13—First wall; Blanket; Divertor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は新規な核融合装置に係り、特に水素同位体燃
料を使用する核融合炉のプラズマ又は粒子線に対向して
置かれる低トリチウム透過性を有する強制冷却型炉壁を
用いた核融合装置に関する。
〔従来の技術〕
従来の核融合装置は、特開昭61−104064号公報に記載
のように水素同位体プラズマに対向する核融合炉壁の冷
却金属基体表面にトリチウム透過防止用に設けられた低
トリチウム透過層は直接プラズマ粒子にさらされる構造
となつていた。また、同様の目的で冷却金属基体表面に
設けられた水素同位体原子の再結合定数の大きい金属被
覆層も、特開昭62−240773号公報に記載のようにプラズ
マ粒子にさらされる構造と成つていた。
又、特開昭61−99667号公報及び特開昭56−115983号
公報に記載されている様に、トリチウム透過防止層が、
冷却金属基体の冷却媒質流路側表面に設けられ、低トリ
チウム透過層がプラズマ粒子にさらされない様な構造の
場合には、冷却金属基体が直接プラズマ粒子にさらされ
る構造と成つていたので、表面の溶融、水素脆化等水冷
金属基体自体の健全性に問題が生じた。一方、特開昭58
−24633号公報記載の様に冷却金属基体が直接プラズマ
にさらされない様にSiCなどの高融点の耐熱性部材で覆
われた構造のものでは、耐熱部材と冷却媒質用流路の間
には何ら水素同位体の透過防止層が設けられておらず、
又、耐熱材で覆われていない冷却金属基体の部分にも低
トリチウム透過層が設けられて居ない構造と成つて居
た。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術ではプラズマ対向面側の冷却金属基体表
面にトリチウム透過防止用に設けられた低トリチウム透
過性被覆層が炉心部から飛来する水素同位体及び不純物
粒子によりスパツタリングを受け、又、熱負荷で基材表
面層が溶融し、被覆層が破壊されたりするなど低トリチ
ウム透過層の損耗率が高いという問題点があつた。又、
低トリチウム透過防止層の温度上昇により、水素同位体
の拡散速度が大きくなり、トリチウム透過量が大きくな
るという問題点があつた。一方、トリチウム透過防止層
が冷却金属基体の冷却媒質流路側表面にのみ設けられて
いる場合には、金属媒体のプラズマ対向面から入射した
水素同位体粒子が容易に金属基体内部に拡散・溶解し、
金属基体中の粒界に偏析し粒界破壊を招く危険性が高
く、構造的信頼性において問題点があつた。上記従来技
術では、プラズマ粒子の射突により冷却基材表面原子が
叩き出されたり、表面原子が蒸発して、炉心プラズマ中
に混入し、輻射エネルギ損失効果を増大させプラズマの
温度を低下させるという問題点を有していた。
又、冷却金属基体のプラズマ側表面に耐熱性部材を配
置して、プラズマ粒子が直接金属基体表面に入射しない
様にした場合でも、炉心室内の水素同位体分子又は原子
状水素同位体が冷却金属基体表面から、基体内に溶解
し、容易に冷却基体内を拡散・透過し、冷却媒質中に漏
出するという問題点があつた。
又、冷却金属基体として使用される銅、ステンレス鋼
中の水素同位体の溶解度は温度の上昇と共に増大する傾
向を示すため、一たん冷却金属中に溶解した水素同位体
の再放出を促進し、除去する手段として加熱法を用いて
も効果が無い。従つて、冷却金属基体中及び真空容器壁
用構造材料中への水素同位体の溶解を防止するための低
トリチウム透過層を設けない場合には、長時間にわたる
炉の運転により、冷却金属基体及び真空容器構造材料中
に溶解する水素同位体粒子の量が増大し、溶解した水素
同位体の除去が困難であるという炉心の保守・運転上の
問題があつた。
本発明の目的は、炉心で使用される水素同位体燃料粒
子が真空容器内壁面及び冷却金属基体中に溶解・透過
し、冷却媒質中へ漏出することを防止し、又、水素脆性
による冷却金属基体の構造的健全性の低下を防止し、又
燃料粒子が真空容器及び冷却金属基体中に溶解して失な
われる量を低く抑え、又、炉壁から炉心プラズマ中に混
入する不純物原子の量を低く抑えることが出来る核融合
炉及びそのダイバータと真空容器炉壁を提供することに
ある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は真空容器を冷却する冷媒流路を構成する冷却
金属基体の前記プラズマ封入面側に、Ｃ、Be、Beの炭化
物または酸化物、B4、Ｃ、Alの酸化物または窒化物、Si
の炭化物または酸化物または窒化物、Tiの酸化物または
窒化物、Crの酸化物または窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸
化物のうちの１種または２種以上からなる低トリチウム
透過層を設け、更に前記低トリチウム透過層の前記プラ
ズマ封入面側に、Ni、Fe、Cu、Ag、Au、Mo、Ｗの１種ま
たは２種以上からなる金属層を設け、更に前記金属層の
前記プラズマ封入面側に炭素繊維、SiC繊維、Ｂ繊維、B
4C繊維の１種又は２種以上を強化繊維とし、炭素、Si
C、Be、B4C、Be2C、SiO2、BeOの１種または２種以上を
母材とする耐熱性部材が設けられていることを特徴とす
る。
また、本発明はダイバータを冷却する冷媒流路を構成
する冷却金属基体の前記プラズマ封入面側に、Ｃ、Be、
Beの炭化物または酸化物、B4C、Alの酸化物または窒化
物、Siの炭化物または酸化物または窒化物、Tiの酸化物
または窒化物、Crの酸化物または窒化物、Mnの酸化物、
Zrの酸化物のうちの１種または２種以上からなる低トリ
チウム透過層を設け、更に前記低トリチウム透過層の前
記プラズマ封入面側に、Ni、Fe、Cu、Ag、Au、Mo、Ｗの
１種または２種以上からなる金属層を設け、更にその上
に炭素繊維、SiC繊維、Ｂ繊維、B4C繊維の１種又は２種
以上を強化繊維とし、炭素、SiC、Be、B4C、Be2C、Si
O2、BeOの１種または２種以上を母材とする耐熱性部材
が前記低トリチウム透過層を被うように設けられている
ことを特徴とする。
また、本発明はダイバータを冷却する冷媒流路を構成
する冷却金属基体の前記プラズマ封入面側に、Ｃ、Be、
Beの炭化物または酸化物、B4、Ｃ、Alの酸化物または窒
化物、Siの炭化物または酸化物または窒化物、Tiの酸化
物または窒化物、Crの酸化物または窒化物、Mnの酸化
物、Zrの酸化物のうちの１種または２種以上からなる低
トリチウム透過層を設け、更に前記低トリチウム透過層
の前記プラズマ封入面側に、Ni、Fe、Cu、Ag、Au、Mo、
Ｗの１種または２種以上からなる金属層を設け、更に前
記金属層の前記プラズマ封入面側に、炭素繊維、SiC繊
維、Ｂ繊維、B4C繊維の１種又は２種以上を強化繊維と
し、炭素、SiC、Be、B4C、Be2C、SiO2、BeOの１種また
は２種以上を母材とする耐熱性部材が前記低トリチウム
透過層を被うように設けられ、かつ前記ダイバータは前
記真空容器を構成する前記冷却金属基体に接して固定さ
れていることを特徴とする。
また、本発明は核融合炉の真空容器を冷却する冷媒流
路を構成する冷却金属基体の少なくとも前記プラズマ封
入面側表面に前記冷却金属基体より低いトリチウム透過
性を有する低トリチウム透過層を前記金属基体上に設
け、更に前記低トリチウム透過層の前記プラズマ封入面
側にブロック状の耐熱部材が互いに接触しないように接
合され、かつ前記耐熱性部材が設けられていない部分の
前記低トリチウム透過層が前記プラズマによる輻射熱を
直接受けないように前記耐熱部材によって被われるよう
にするのが好ましい。
本発明は、前述の核融合炉において、ダイバータは真
空容器を構成する冷却金属基体に接して固定され、真空
容器及びダイバータを構成する冷却金属基体表面の少な
くとも前記プラズマ封入面側に金属媒体より低いトリチ
ウム透過性を有する厚さ0.1μｍ〜30μｍの低トリチウ
ム透過層を有し、前記低トリチウム透過層は600℃にお
けるトリチウムの拡散係数が１×10-9cm2/s以下である
C,Be,Beの炭化物及び酸化物、B4C,Alの酸化物及び窒化
物、Siの炭化物、酸化物及び窒化物、Tiの酸化物及び窒
化物、Crの酸化物及び窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物
のうちの１種または２種以上であり、この低トリチウム
透過層の表面にBe,C,Al,Ti,Cr,Ni,Fe,Cu,Ag,Au,Mo,Wの
１種又は２種以上よりなる金属層を介して前記耐熱性部
材がろう材によつて接合され、前記耐熱性部材は、炭素
繊維、SiC繊維、Ｂ繊維、B4C繊維の１種又は２種以上を
強化繊維とし、炭素、SiC,Be,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種
又は２種以上を母材とする熱衝撃係数20kW/m以上である
繊維強化型耐熱性部材からなり、冷却金属基体は非磁性
オーステナイト合金からなることを特徴とする。
また、本発明は冷媒流路を構成する冷却金属基体の前
記プラズマ封入面側に、Ｃ、Be、Beの炭化物または酸化
物、B4、Ｃ、Alの酸化物または窒化物、Siの炭化物また
は酸化物または窒化物、Tiの酸化物または窒化物、Crの
酸化物または窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物のうちの
１種または２種以上からなる低トリチウム透過層を設
け、更に前記低トリチウム透過層の前記プラズマ封入面
側に、Ni、Fe、Cu、Ag、Au、Mo、Ｗの１種または２種以
上からなる金属層を設け、更に前記金属層の前記プラズ
マ封入面側に炭素繊維、SiC繊維、Ｂ繊維、B4C繊維の１
種又は２種以上を強化繊維とし、炭素,SiC、Be、B4C、B
e2C、SiO2、BeOの１種または２種以上を母材とする耐熱
性部材が前記低トリチウム透過層を被うように設けられ
ていることを特徴とする核融合炉用ダイバータにある。
また、本発明は冷却流路を構成する冷却金属基体の前
記プラズマ封入面側に、Ｃ、Be、Beの炭化物または酸化
物、B4、Ｃ、Alの酸化物または窒化物、Siの炭化物また
は酸化物または窒化物、Tiの酸化物または窒化物、Crの
酸化物または窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物のうちの
１種または２種以上からなる低トリチウム透過層を設
け、更に前記低トリチウム透過層の前記プラズマ封入面
側に、Ni、Fe、Cu、Ag、Au、Mo、Ｗの１種または２種以
上からなる金属層を設け、更に前記金属層の前記プラズ
マ封入面側に炭素繊維、SiC繊維、Ｂ繊維、B4C繊維の１
種又は２種以上を強化繊維とし、炭素、SiC、Be、B4C、
Be2C、SiO2、BeOの１種または２種以上を母材とする耐
熱性部材が設けられていることを特徴とする核融合炉用
真空容器炉壁にある。
前述の如く、本発明は、水素同位体粒子が真空容器及
び強制冷却型炉壁の冷却金属基体中に溶解・拡散・透過
することを防止するための低トリチウム透過層を真空容
器及び強制冷却型炉壁の冷却金属基体の少なくとも真空
側表面に設けたものである。
また、上記低トリチウム透過層の、水素同位体プラズ
マ粒子又は粒子線の入射による損耗防止、又プラズマか
らの入熱による低トリチウム透過層の温度上昇に起因す
る水素同位体の拡散・透過防止効果の減殺を防ぎ、プラ
ズマの熱負荷による冷却金属基体表面の溶融、熱応力に
よる表面被覆層の剥離及び亀裂発生を防止し、冷却金属
基体表面のスパツタリング、蒸発、剥離などにより真空
中に放出された原子がプラズマ中に混入し、プラズマ温
度の低下をもたらすことを防ぐために、上記低トリチウ
ム透過層をプラズマ又は粒子線から遮蔽する様に耐熱性
部材を設置したものである。
さらに、上記目的を達成するために上記低トリチウム
透過層を構成する材料をトリチウムの拡散係数が例えば
600℃において冷却金属基体材料に比べて４桁以上低い1
0-9cm2/s以下のものとしたものである。
さらに、上記目的を達成するために上記低トリチウム
透過層の構成材料を、トリチウムに対して拡散係数の低
い値を有するC,Be,Beの炭化物又は酸化物、B4、C,Alの
酸化物又は窒化物、Siの炭化物、酸化物又は窒化物、Ti
の酸化物及び窒化物、Crの酸化物及び窒化物、Mnの酸化
物、Zrの酸化物のうちの１種又は２種以上より成る材料
で構成したものである。
さらに、膜厚が0.1μｍ以下で低トリチウム透過層９
の効果が急激に低下するので上記の低トリチウム透過層
のトリチウム透過防止効果を確実なものとするために、
低トリチウム透過層の厚さを少なくとも0.1μｍとす
る。
さらに、炉心室である真空容器内部の水素同位体雰囲
気ガスが低トリチウム透過層と冷却金属基体との界面に
侵入し、冷却金属基体中を透過して炉心外へ漏出しない
様に低トリチウム透過層を真空容器内壁面及び冷却金属
基体の真空側表面に密着させ、すき間なく覆う様に形成
したものである。又、低トリチウム透過層を冷却金属基
体の冷却媒体の流路側表面にも形成し、冷却金属基体中
を透過して流路側表面近傍に到達したトリチウムの冷却
媒質中への混入を防止したものである。
さらに、炉心プラズマ又は粒子線の熱又は炉内発生し
た各種放射線による熱の流入により、冷却金属基体及び
その表面に形成された低トリチウム透過層が繰り返し受
ける104回以上、温度差300℃以上の熱サイクルに耐える
ものとしたものである。
上記目的のため冷却金属基体表面に密着して形成した
低トリチウム透過層の厚みを0.1μｍ以上30μｍ以下と
し、低トリチウム透過層の熱応力による剥離を防止した
ものである。
またそのために、冷却金属媒体と低トリチウム透過層
の界面に、深さ方向の組成が連続的に変化する遷移層を
設けたものである。
低トリチウム透過層の厚さが30μｍを越えると低トリ
チウム層９と冷却金属基体５との熱膨張係数の差により
熱サイクルによる低トリチウム層の剥離が生じる場合が
認められた。
さらに、他の目的として、炉心室内の雰囲気ガスの主
要成分である水素同位体粒子により低トリチウム透過層
が化学的に還元されたり、あるいは重水又はトリチウム
水として吸着するのを防止するために金属被覆層を設け
たものである。また、この金属被覆層を設けることによ
り、低トリチウム透過層の上層に耐熱性部材などを冶金
的に接合し得る様にしたものである。
さらに、上記目的のためCu,Cr,Fe合金、Ni合金Ag,Au,
Mo,W,Coなどの金属被覆層を設けたものである。
さらに、冷却金属基体との界面に遷移層を設けること
により密着性の高い熱サイクルに対しても健全性の高い
低トリチウム透過層を形成する方法として、Be,B,C,Mg,
Al,Si,Ts,Cr,Mn,Zrのうちの１種又は２種以上の元素を
金属基板上に蒸着しながらO,N、及び上記元素のプラズ
マ又はイオンビームのうち１種又は２種以上を照射する
方法を採用することができる。
さらに、低トリチウム透過層の形成方法として真空容
器用金属基材及び冷却金属基体の表面にAl,Be,Si,Ti,C
r,Mn,Zrのうちの１種又は２種以上を含むコーテイング
層を形成したのち、O2,N2、又は炭化水素中で熱処理す
る方法により、緻密な低トリチウム透過層を形成するこ
とができる。
さらに、真空容器及び冷却金属基体などの炉心構造部
材を取り付けた後も、耐熱性部材を取り付ける前、ある
いは取り付け後に、真空容器内を真空排気した後、O2,N
2、炭化水素ガス、SiH4,NH3の１種又は２種以上を反応
ガスとし、これらのガス又はこれらのガスとH2,P2、希
ガスなどのキヤリヤーガスとの混合ガスを導入した後、
プラズマ放電を行うことにより、複雑な内壁形状、かつ
大面積の内壁面に低トリチウム透過層を容易に形成する
ことができる。
また、前記方法において、プラズマ放電と同時に、B
e,B,Si,Al,Ti,Cr,Zrの蒸発源から真空容器内壁面又は冷
却金属基体表面にこれらの金属元素の蒸着を行う方法に
より高い成膜速度で低トリチウム透過層を形成出来る。
また、低トリチウム透過層の表面に金属被覆層を形成
する場合にも、金属基板との境界層に深さ方向に連続的
に組成が変化する遷移領域層を設けることにより低トリ
チウム透過層と冷却金属層の密着性を向上させることが
できる。
また上記目的の達成のため、低トリチウム透過層構成
元素のイオンビームを照射しつつ同時に金属被覆層構成
元素を真空蒸着し、膜形成の進行と共にイオンビーム強
度を徐々に減少させる方法を採用することができる。
一方、炉心プラズマ又は粒子線の熱負荷による耐熱性
部材表面の溶融を防止するために耐熱性部材の融点は少
なくとも2000℃とすることが好ましい。
そのために、耐熱性部材はC,Be,Beの炭化物及び窒化
物、SiC、B4C、Tiの炭化物、Mo,W,Reのうちに１種又は
２種以上より成るのが好ましい。
また、上記の耐熱性部材のうち、炉心プラズマに対向
して置かれる耐熱性部材の表面からプラズマ粒子の入射
により叩き出された構成原子がプラズマ中に混入して炉
心プラズマの温度を下げたり、またはプラズマ閉じ込め
条件の不安定化を招くことを防止するため、耐熱性部材
の構成元素を原子番号14以下とすることが好ましい。
また、耐熱性部材がプラズマ又は粒子線の熱の瞬間的
な流入又は急激な遮断による熱衝撃により破壊しないよ
うに材料の選定、評価を行い、耐熱部材のヤング率
（Ｅ），熱膨張係数（α），熱伝導率（Ｋ），引張り強
度（σｔ），ポアソン比（ν）等の特性値により（１）
式のようにして求められる熱衝撃パラメータ（Ｒ′）が
少なくとも20kW/m以上であるものが望ましいことを明ら
かにした。
またそのために、耐熱性部材を前述の材料から選定す
るが、特にＣ繊維強化−Ｃマトリツクス材、Ｃ繊維強化
−SiCマトリツクス材、Ｃ繊維強化−Beマトリツクス
材、Ｂ繊維強化−Ｃマトリツクス材、Ｃ繊維強化−B4C
マトリツクス材、SiC繊維強化−SiCマトリツクス材、Ｃ
繊維強化Be2マトリツクス材、Be繊維強化−Ｃマトリツ
クス材、SiC繊維強化−B4Cマトリツクス材のうちの１種
又は２種以上より構成される様にしたものが望ましい。
さらに、プラズマ又は粒子線の熱の流入により耐熱性
部材の温度が許容範囲を越えて上昇する事を防止するた
め、耐熱性部材は低トリチウム透過層及び金属被覆層を
介して冷却金属基板上に接触させ、又は冶金的に接合し
た構造としたものである。
一方、上記と同様の目的でダイバータ中性化板にも適
用したものである。
また、同じくトリチウム中性粒子を炉心内へ注入し、
炉心プラズマの加熱を行うために使用される中性粒子入
射加熱装置のビームダンパー部から冷却媒質中へトリチ
ウムが漏れ出るのを防止するために同様の構造を採用し
たものである。
〔作用〕
真空容器及び冷却金属基体の真空側表面に設けた低ト
リチウム透過層と炉心プラズマ又は粒子線の運動する空
間領域との間に、プラズマからの漏えい粒子又は粒子線
を遮蔽する様に設けられた耐熱性部材は、低トリチウム
透過層に上記粒子は粒子線が射突し、あるいは輻射熱が
流入するのを防止する。それによつて運転中における低
トリチウム透過層の温度上昇を、耐熱性部材のない場合
に比べて低く保つことが出来、したがつてトリチウムの
拡散速度を大巾に低くすることが出来、その結果、トリ
チウムの冷却金属基体内部への侵入・拡散・透過量を小
さく抑えることが出来る。同時に、低トリチウム透過層
の受ける繰り返し熱負荷による破壊効果を減じ、破壊に
より発生する亀裂を伝つて進行するトリチウムの冷却金
属基体内への侵入の確率を低く抑えることが出来る。ま
た、数10eV以上の運動エネルギを有し、固体表面の原子
を真空中に叩き出す効果を有するプラズマからの漏えい
粒子又は粒子線の低トリチウム透過層表面への入射を防
止することによつて、低トリチウム透過層のスパツタリ
ングによる損耗及び化学的活性な水素同位体粒子による
還元、分解等による損耗を防止する効果が得られる。一
方、スパツタリング、還元・分解などにより低トリチウ
ム透過層表面から放出される原子が炉心プラズマ中に不
純物として混入してプラズマ温度の低下をもたらすこと
を防止出来る。
冷却金属基体表面に設けた低トリチウム透過層はトリ
チウムに対する拡散速度が冷却金属基体中よりも少なく
とも４桁以上小さいC,Be,Beの炭化物又は酸化物、B4C,A
lの酸化物又は窒化物、Siの炭化物、Crの酸化物及び炭
化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物又は炭化物の中の１種又
は２種以上より構成したのでトリチウム透過量を低く抑
えることが出来る。また、低トリチウム透過層の厚さを
少なくとも0.1μｍ以上としたので、冷却金属基板表面
を連続した膜で覆うことが出来、トリチウムの拡散・透
過防止効果を確実なものにすることが出来る。逆に低ト
リチウム透過層の膜厚が0.1μｍ以下ではトリチウム透
過防止効果は著しく低下する。
低トリチウム透過層は冷却金属基体に密着して形成し
たので、低トリチウム透過層と冷却基体の間にガスが閉
じ込められ、真空容器の超高真空排気特性を損なうよう
なことはない。又、低トリチウム透過層と冷却金属媒体
との界面に溶解した水素原子が析出・再結合し、ガス状
となつて界面に気泡を形成し、低トリチウム透過層の剥
離の原因となることもない。低トリチウム透過層は冷却
金属基体の流路側表面にも形成されるが、その場合に
は、真空側から透過して来たトリチウム原子の冷却媒質
中への混入を流路表面で喰い止める効果があり、また一
方、冷却媒質が熱及び放射線により分解して生成した水
素原子の冷却金属基体への溶解をも防止する効果があ
る。
低トリチウム透過層の厚さは高々30μｍ以下とし、
又、低トリチウム層と冷却金属基体との間に遷移層を設
けたことにより、低トリチウム透過層と冷却金属基体の
熱膨張係数の不斉合により界面に発生する剪断熱応力の
界面への集中を防止することが出来、低トリチウム透過
層がくり返し熱応力により損傷することがない。
さらに、低トリチウム透過層の表面に、金属被覆層を
設けると低トリチウム透過層が真空容器内の雰囲気ガス
成分である水素同位体粒子に直接触れて分解し、真空中
に生成ガスを放出することを防止する効果があるので特
に望ましい。又、低トリチウム透過層をプラズマ又は粒
子線から防護するための耐熱性部材を冷却金属基体表面
に冶金的に接合する場合には、低トリチウム透過層表面
の金属との濡れ性を改善し、冶金的接合を容易に行える
という効果がある。特に、Cu,Cr,SUS,Ni合金、Au,Mo,W
などの金属は水素分子が吸着・解離してもすみやかに再
結合・再放出するためトリチウムの炉壁材料中への侵入
防止効果を更に確実にすることが出来る。
このような金属層は、冷媒流路を形成する金属基体
を、プラズマ中に発生する高エネルギー電子線から防御
する作用がある。また、セラミックからなる耐熱性部材
と金属基体の熱膨張係数の違いによる熱応力を緩和する
ことができる。
低トリチウム透過層をプラズマ粒子及び粒子線の照射
から防護するために設けられた耐熱性部材は融点2000℃
以上、熱衝撃パラメータ20kW/m以上とするのが好まし
い。そのため、耐熱性部材はプラズマ粒子又は粒子線の
熱負荷の流入によつても熱的及び熱機械的に損傷すると
いうことが無い。又、特に上記耐熱性部材のうち、炉心
プラズマに対向して設けられるものは、構成元素を原子
番号14以下の軽元素とし、耐熱性部材がプラズマ粒子又
は粒子線により短時間の内に損耗し、交換の必要が生じ
ることを防止する効果があるだけでなく、耐熱性部材か
ら叩き出された構成元素が炉心プラズマ中に混入して、
プラズマの温度を低下させ、核融合反応条件を維持出来
なくなることを防止する効果がある。
プラズマからの熱流束が大きく、耐熱部材の温度上昇
が、輻射による冷却では高くなりすぎる場合には、耐熱
性部材を冷却基体上に機械的に接触させて締結するか、
又は冶金的に接合する構造とした。冶金的接合の場合に
は既に述べた様に、低トリチウム透過層上の金属被覆層
がロウ材の漏れ性を良くする働きがあり接合を確実にす
る。又、耐熱部材自体の少なくとも冷却金属基体側に低
トリチウム透過性を有する場合には、耐熱性部材を直接
冷却金属基体に冶金的に接合し、耐熱性部材の間隙部分
の冷却金属基体表面に低トリチウム透過層を設けること
により、実質的に低トリチウム透過層で冷却金属基体の
真空側表面を覆うことが出来る。その場合にも、耐熱性
部材は、低トリチウム透過層をプラズマ粒子又は粒子線
の射突に対し遮蔽する様に配置され、低トリチウム透過
層のプラズマ粒子又は粒子線の照射による損傷から保護
する働きがある。
〔実施例〕
［実施例１］ 第１図は本発明に係るトカマク型核融合炉の全体断面
図である。水素同位体である重水素及び三重水素の混合
ガスを放電ガスとする炉心プラズマ１は、トーラス状の
真空容器２に巻きつく様に複数個並べられたトロイダル
コイル３と、真空容器２と同軸状に上下対称に並べられ
た複数個のポロイダルコイル４とによつて真空容器内に
形成されたトラース状の平衡閉じ込め磁場により、真空
容器２の内部に安定に閉じ込められる。真空容器２の外
周には真空容器冷却系６が設けられ、真空容器の冷却が
行なわれる。
後述する第３図に示すように、真空容器２の内壁面上
で特にプラズマ又はプラズマを加熱するための粒子線の
入射により高い熱流束を受ける領域にはとくに冷却金属
基体５が設けられ、強制冷却金属基体冷却系７によつて
冷却されている。真空容器冷却系６及び強制冷却金属基
体冷却系７にはトリチウム分離回収装置８が設けられ、
炉心室である真空容器２の壁面あるいは冷却金属基体５
を透過して冷却媒質中に混入した重水素及びトリチウム
の冷却媒質からの分離・回収を行つている。トリチウム
分離回収装置８への負担を軽減するためには真空容器冷
却系６及び強制冷却金属基体冷却系７に漏れ出て来るト
リチウムの量を出来るだけ低く抑える必要がある。その
ため、真空容器２の内壁面及び冷却金属基体５の真空側
壁面上に低トリチウム透過層９を設け炉心室である真空
容器２の内部を充たしている水素同位体粒子（分子状又
は原子状水素、トリチウム水分子、炭化トリチウム分子
など）が真空容器２及び冷却金属基体５の内壁に吸着
し、溶解・拡散・透過によつてトリチウム原子が冷却媒
質側の表面に到達し、冷却媒質中に混入するのを防止し
ている。低トリチウム透過層９の表面に直接炉心プラズ
マから漏れ出して来る比較的エネルギの高い中性水素同
位体粒子及び不純物粒子、或いはプラズマ加熱用に注入
される高エネルギの中性水素同位体粒子線が入射し、高
温になると、低トリチウム透過層が損耗或は破損するだ
けでなく、トリチウム透過防止そのものの効果が失なわ
れる。従つて、本発明では、低トリチウム透過層と炉心
プラズマの間に耐熱性部材10を介在させ、プラズマ又は
粒子線が直接低トリチウム透過層に当らないように遮へ
いする様にしたものである。このように耐熱性部材を介
在させることにより低トリチウム透過層を低い温度に保
つことができるので、トリチウム透過を効果的に抑える
ことができる。本実施例では、耐熱性部材を多数に分割
されたタイル状とし、プラズマ電流の大きな変動によつ
て耐熱性部材10に働く電磁力を許容範囲の値以下に抑え
る様にした。又、特に耐熱性部材10を冷却金属基体５又
は真空容器２の内壁面に冶金的又は機械的に締結する場
合の熱応力を小さくするように適正な寸法に分割した。
なお、耐熱性部材の電気伝導性が低い場合には、耐熱性
部材を一体で製作することも可能である。また、炉心で
発生する核融合反応生成粒子である高速中性子及びγ線
の遮蔽のために遮蔽体11が真空容器２とトロイダルコイ
ル３及びポロイダルコイル４の間に設けられている。
図中、27はベルヂヤー、28は真空ポンプ、29は排気ダ
クト遮へい体である。
真空容器２の外側には、これを取り囲むように、中性
子及びガンマ線の漏洩を防ぐため遮へい体11が設けられ
ている。また、その内部の開孔部にはプラズマ１の不純
物等を防止するための電離した粒子を中性化し排気する
ダイバータが設置されている。
電離した粒子は磁力線に導かれ、磁力線を遮え切るよ
うに設置されている中性化プレートに衝突して中性化さ
れた不純物を含む燃料を主成分とする粒子は排気ダクト
から外部へ排気される。このダイバータは、第２図は本
発明に係る真空容器２の部分斜視図である。図に示すよ
うに、本発明に係る真空容器２は図中点線に示すよう
に、複数のセグメントによつて構成されたものを一体に
つなぎ合せることによつて一体の真空容器２としたもの
である。冷却金属基体５には炉心側に耐熱性部材10が金
属的に接合されており、その接合面の後述の第３図に示
すように金属基体表面に低トリチウム透過層９が形成さ
れている。このようなセグメントは予めタイル状の耐熱
性部材10が一体に金属的に接合したものを、図に示す構
造に溶接によつて一体のものに組立てられる。溶接部分
の低トリチウム層が溶接の際に消去されるが、この低ト
リチウム層は後述するように複数段階での形成によつて
いく重にも設けることができるので、きわめて効果的に
低トリチウム透過層を形成することができる。図中30は
内側、31は外側炉壁であり、32及び33によつて冷却され
る。
第３図は本発明の真空容器２又は冷却金属基体５の炉
壁構造の詳細を示す斜視図である。SUS304ステンレス鋼
製の冷却金属基体５には冷却媒質流路12が設けられ又、
耐熱性部材10の接合面の間に溝15を設けている。冷却金
属基体５の外表面には連続した低トリチウム透過層９が
冷却金属基体５に密着して形成され、さらに低トリチウ
ム透過層９の表面には金属被覆層14が密着して形成さ
れ、更にその上に中間材13を介して耐熱性部材10がロウ
付けされている。隣接する耐熱性部材10間の間隙は屈曲
した構造とし、耐熱性部材で覆われていない低トリチウ
ム透過層９の表面に、プラズマ粒子又は粒子線が直接入
射し得ない構造となつている。その結果、低トリチウム
透過層が入射粒子によつてスパツタなどの損傷を受ける
ことが無く、低トリチウム透過層９の寿命を長く保つこ
とが出来る。低トリチウム透過層９のトリチウム透過防
止効果は温度が高い程低下する（拡散係数の増大によ
る）ので、低トリチウム透過層の表面を耐熱性部材で遮
蔽することにより、耐熱性部材が無い場合に比べて低ト
リチウム透過層の温度を著しく低く抑えることが出来、
従つてトリチウム透過防止効果を数倍〜数10倍以上向上
させることが出来る。
低トリチウム透過層９の冷却金属基体５の表面に対す
る形成法の１例を以下に述べる。冷却金属基体５として
厚さ20mmの第３図に示すSUS304ステンレス鋼基体を用い
た。このステンレス鋼を28重量％Al、２重量％NH4Cl,残
量Al2O3の組成をもつコーテイング剤中に入れた後、Ar
雰囲気中800℃、３時間コーテイング処理を行い、さら
にステンレス鋼をコーテイング剤から引き上げ、Ar雰囲
気中で1000℃、１時間コーテイング層の拡数処理を行つ
た。その後大気雰囲気中700℃、５時間の酸化処理を行
い、ステンレス鋼の表面及び冷却媒質流路12の内面に平
均厚さ３μｍのAl2O3被覆層を形成した。
このAl2O3被覆層を有するSUS304製冷却金属基体５か
ら片側にAl2O3被覆層を有する厚さ0.2mmの薄片状の試験
片を切り出し、Al2O3被覆層を施していないSUS304試料
と比較したところ、600℃におけるAl2O3膜中の重水素の
溶解度は３×1016原子/cm3、SUS304中のそれは５×1018
原子/cm3であり、一方、重水素の拡散係数はAl2O3被覆
層中で約10-12cm2/s、SUS304中では８×10-6cm2/sであ
つた。又、Al2O3被覆層のない試料では重水素の透過量
は約1015D原子/cm2sであつたのに対しAl2O3被覆層を有
する試料の値は検出感度以下であり、少なくともAl2O3
被覆により10-4以上の透過率の減少が認められた。
このようにしてAl2O3膜より成る低トリチウム透過層
９を被覆した冷却金属基体５の表面の耐熱性部材10を接
合する部分にマグネトロンスパツタ法により、厚さ１μ
ｍのNiよりなる金属被覆層14を形成し、次に金属被覆層
14上に厚さ50μｍのAg−28重量％Cu箔、厚さ2mmのMo
板、さらに厚さ50μｍのAg−28重量％Cu−５重量％Tiロ
ウの箔、さらにフエルトを基材とする炭素繊維強化炭素
材より成る耐熱性部材10を重ねて、真空度２×10-5Torr
以下の高真空中において850℃、30分間保持した後徐冷
し、第３図に示す耐熱性部材10が低トリチウム透過層９
を介して冷却金属基板５に冶金的に接合された炉壁体を
得た。
冷却媒質流路12の内壁面に被覆されたAl2O3は冷却金
属基体５中に溶解したトリチウムの冷却媒質中への漏出
を阻止する効果があるばかりでなく、冷却媒質流路12内
部を流れる冷却媒質による内壁面の損耗速度を小さくす
る上でも効果があるばかりでなく、Al2O3膜は冷媒によ
つてきわめて低い温度に保たれるので、一層トリチウム
の冷媒中への透過が阻止されることが確認された。
［実施例２］ 第４図は第３図に示す炉壁構造における耐熱性部材を
有する冷却金属基体からなる真空容器の他の実施例を示
す斜視図である。
SUS304ステンレス鋼製冷却金属基体５には冷却媒質流
路12が並列して形成され、耐熱性部材10を接合する側の
表面には耐熱性部材10が一定の間隔で敷きつめられてい
る。耐熱性部材10の間の冷却金属基体５の表面には溝15
が設けられ、熱負荷により耐熱性部材10と冷却金属基体
５の接合部に発生する。熱応力を緩和出来る構造と成つ
ている。冷却金属基体５の表面には低トリチウム透過層
９として厚さ10μｍのAlN膜が形成されており、低トリ
チウム透過層９の表面には厚さ１μｍの金属被覆層14が
形成され、さらに上層には第３図に示す実施例と同様の
方法でMo製の中間材13を介して炭素繊維強化炭素複合材
で作製した耐熱性部材10が冶金的に接合されている。
AlN低トリチウム透過層９の形成法は、高真空中に於
て水冷金属基体５の表面に対し40kVに加速した窒素イオ
ンをイオン密度５×1017個/cm2sで照射しつつ、Alを抵
抗加熱法で蒸着する謂ゆるダイナミツクイオンミキシン
グ法によつて行なつた。又、Niより成る金属被覆層は、
AlN膜形成プロセスにひき続いてNiを蒸着しつつ窒素イ
オンを照射し、次第にイオン照射強度を減少させてNi蒸
着のみに切り替える方法によつて形成した。SUS304ステ
ンレス鋼基体５とAlN界面及びAlNとNi膜の界面には各々
厚さ50nmの各層の組成が混じり合つた遷移層の存在が認
められた。この方法により、各層の界面の結合強度は極
めて高く、炉壁面の熱負荷による熱サイクルすなわち典
型的な値として室温から400℃、パルス長800s、繰り返
し数３×104回に対しても剥離又は亀裂の発生が認めら
れなかつた。
つぎに、上述のダイナミツクミキシング法で形成され
たAlN膜のトリチウム透過防止特性を調べるため、上記A
lN膜の形成したSUS304ステンレス鋼製冷却金属基体から
SUS304ステンレス鋼基体の厚さが0.2mmの試験片を切り
出し、AlN膜を被覆しないSUS304ステンレス鋼と比較し
た。600℃におけるAlN膜中の重水素の溶解度は３×1017
原子/cm3であり、一方、重水素の拡散係数はAlN膜中で
１×10-12cm2/sであつた。一方、SUS304ステンレス鋼中
の重水素の溶解度及び拡散係数は各々５×1018原子/c
m3、８×10-6cm2/sであつた。これらの試験片を用いて6
00℃における重水素の透過量を比較したときAlN被覆層
のある試料は無い場合に比べて少なくとも10-4以下の低
い重水素透過量を示した。本実施例においても、AlN膜
は冷媒の温度によつて所望のより低い温度に保たれるの
で、前述と同様にトリチウムの透過量を一層低く押える
ことができる。
［実施例３］ 第５図は、第１図に示す本発明のダイバータ炉壁構造
を有する核融合炉心部の冷却金属基体５及び真空容器２
の一部分の構造を示す他の例の斜視図である。内部に冷
却媒質流路12を有する支柱部材18をはさんで張り合わせ
たコルゲート構造の真空容器２の真空側表面に低トリチ
ウム透過層９が形成されている。真空容器２の内壁面に
は炭素繊維強化炭素複合材のブロツクで造られた耐熱部
材10がプラズマからの入射粒子から真空容器２を防護す
る様に敷きつめられ、固定用リブ17で真空容器２の内壁
面に固定されている。耐熱性部材10の内部を貫ぬいて冷
却金属基板７が張りめぐらされており、管状の冷却金属
基体７の外周部には低トリチウム透過層９が形成されて
いる。冷却金属基体７と耐熱性部材10の間には円筒状の
中間材13が設けられており、熱的、機械的に冷却金属基
体７と耐熱性部材10とを結合している。中間材13の材質
はMoであり、中間材13と耐熱性部材10とはZr−Mo共晶合
金からなるロウ材層16で冶金的に接合されている。
この様に冷却金属基体５を円管状とすることにより、
内部の冷却媒質流路12を流れる数10気圧の高圧冷却水の
内径による冷却金属基体５の断面形状の変形を防止出
来、又、耐熱性部材10を貫通させた構造とすることによ
り、耐熱部材10と冷却金属基体５との接触面積を大きく
出来、その結果、冷却効果のみならず、冷却金属基体５
に流入する熱流束の不均一性に起因する熱応力を小さく
出来るため、構造健全性の向上が認められた。さらに、
耐熱性部材10に熱応力により破損しても、冷却金属基体
５から脱離し難い構造と成つている。
耐熱性部材10と冷却金属基体５の間に中間材13として
設けたMoの層は冷却金属基体５の破損を防止する上で特
に重要である。すなわち、磁場閉じ込め型核融合炉では
プラズマ密度が低い、例えば閉じ込め条件が悪くなつた
場合、又はプラズマ密度が低い境界面プラズマ領域では
プラズマ中の電子が周回電場により次第に加速され、数
10MeVに達する高エネルギ電子線に成る、謂ゆる逃走電
子の発生が知られている。例えばジヤーナル・オブ・ニ
ユークリア・マテリアル133＆134（1985）pp18〜24にW.
M.ローマ（J.Nuclear Materials133＆134（1985）18〜2
4）が記述しているように、20MeVに達する高エネルギー
の逃走電子が発生した結果、炉心プラズマが装置の赤道
面上を、中心軸方向に移動し、赤道面近傍の真空容器内
壁面に射突した逃走電子が8MJ/cm2の局所的熱負荷を与
えた事例が報告されている。逃走電子は耐熱部材10の表
面から入射し、黒鉛材の場合には数10mmの深さまで侵入
し、深部に高密度の熱を発生する特徴がある。中間材13
は、このような逃走電子の入射に対し、防護層の役割り
を果す。すなわち、質量の大きく、融点の高いMo,W,Zr
などの耐熱性金属はエネルギーの著しく高い逃走電子に
対しても大きな減速効果を有しており、逃走電子が冷却
金属基体５に射突して、破損させるのを防止する効果が
ある。さらに、冷却金属基体５の上に形成された低トリ
チウム透過層９の破壊を防止する上においても効果があ
る。
SUS304ステンレス鋼製の高真空容器２の内壁面上への
低トリチウム透過層９の形成は高真空中でAlを４×1017
個/cm2sで蒸着しつつ40KeVに加速された酸素イオンをイ
オン密度６×1017個/cm2sで照射するダイナミツクイオ
ンミキシング法で行ない、平均膜厚10μｍのAl2O3膜を
得た。SUS304ステンレス鋼製の、肉厚2mm、外径15mmの
チユーブ状の冷却金属基体５の外周表面への低トリチウ
ム透過層９の被覆は第６図に示すダイナミツクイオンミ
キシング装置を用いて行つた。すなわち、冷却金属基体
５の中心軸を軸に回転させながら軸方向に移動させつ
つ、イオン源19から引き出された窒素イオンビーム20を
照射すると同時に真空蒸着用蒸着源21からAlの蒸発粒子
22を発生させ、イオンビーム20と同一領域に蒸着した。
以上の如く、本実施例においてもパイプからなる冷却
金属基体５表面に設けた低トリチウム透過層９は耐熱性
部材10を通して熱遮断されて設けられているので前述と
同様に冷媒12によつて低い温度に保たれているので、よ
り一層トリチウムの透過が防止される。更に、真空容器
２としての冷却金属基体２にも同様に低トリチウム透過
層９が設けられているので、同様にトリチウムの透過を
防止することができる。
［実施例４］ 第７図は、第４図に示す実施例における冷却金属基体
５及び耐熱性部材10の間に中間材13を設けない場合の実
施例である。この様な構造は逃走電子の入射しない部
分、例えば炉心プラズマから離れて設置されるダイバー
タ装置の受熱面に採用出来る。
Beを少なくとも0.1％含有するCu−Be合金の外径15mm
の円管状冷却金属基体５を重水素メタン（CD4）と重水
素の混合ガスを約10-2Torrまで充した真空容器中におい
て、壁面と冷却金属基体５の間に高電圧を印加しグロー
放電を１時間行なつた。冷却金属基体５の表面には厚さ
0.5μｍのBeOと硬質炭素の混合した膜が形成された。こ
のBeOと硬質炭素の混合膜上にNi蒸着を行いつつ希ガス
のグロー放電を行なわせる謂ゆるイオンプレーテイング
法により厚さ0.5μｍのNi被覆層を形成した。この様に
してBeOと硬質炭素の混合膜からなる低トリチウム透過
層９と、Niより成る金属被覆層14の二重の被覆を施した
冷却金属基体５を、炭素繊維強化型炭素複合材より成る
耐熱性部材10に設けた内径15.1mmの孔に貫通させ、Ag−
28重量％Cu−５重量％Ti銀ロウを用いて、作業温度850
℃でロウ付けした。本実施例においても低トリチウム透
過層９は耐熱性部材10によつて低温に保たれているの
で、トリチウムの冷媒への透過が防止される。
［実施例５］ 第８図は本発明を適用した他の実施例の核融合炉の炉
壁構造を概念的に示す縦断面図である。本実施例では、
分割された耐熱性部材10が、低トリチウム透過性を有し
ており、真空容器２の内壁面又は冷却金属基体５のプラ
ズマに面する側に冶金的、又は機械的に締結されてい
る。真空容器２の内壁面及び冷却金属基体５の真空側表
面のうちで耐熱性部材10で遮蔽されていない部分には低
トリチウム透過層９が設けられている。
これらの低トリチウム透過層は、耐熱性部材10によっ
て炉心プラズマ１から入射して来るプラズマ粒子又はプ
ラズマを加熱するため入射される粒子線に対して遮蔽さ
れた構造と成つており、プラズマ粒子の入射によつて低
トリチウム層が熱的、化学的又は物理的機構によつて損
傷を受けない様に配慮されている。
［実施例６］ 第９図は第８図に示す本発明の実施例の炉壁構造にお
いて耐熱性部材10を備え低トリチウム透過層９を、耐熱
性部材10で覆われていない冷却金属基体５の表面に設け
た場合の実施例を示す斜視図である。
冷却媒質流路12を設けたSUS304ステンレス鋼製の冷却
金属基体５の炉心プラズマ１から見て陰になる部分にダ
イナミツクイオンビームミキシング法によりTiNよりな
る低トリチウム透過層９を形成した。すなわち、厚さ20
mmの第９図に示す断面構造を有するSUS304ステンレス鋼
製冷却金属基体５の耐熱性部材10を締結する側と反対側
の面に真空度１×10-4Torr以下に保たれた雰囲気中でTi
蒸着を３×1017個/cm2・ｓの速度で行ないつつ、Ｎ＋イ
オンビームを加速電圧40kVで加速し、イオン密度３×10
17個/cm2sで照射した。その結果、平均膜厚15μｍのTiN
膜の被覆層が得られた。
次に冷却金属基体５の炉心プラズマ対向面側に寸法50
mm×50mm×2mmの銅−炭素繊維複合材の中間材13の両面
に40重量％マンガン及び残部銅から成る厚さ50μｍのろ
う材をはさんだものを介在させ、SiCウイスカを10重量
％含むSiC繊維強化SiC複合材の耐熱性部材10を置いて、
希ガス雰囲気中で860℃、５〜10kg/cm2で加圧加熱し、
接合した。なお、耐熱性部材10の側端面には屈曲した段
を設け、隣り合う耐熱部材が互いに重なり合うように配
置され、プラズマ粒子が直接、冷却金属基体の表面に入
射しない様な構造となつている。なお、この場合、トロ
イダルコイル３、ポロイダルコイル４及びプラズマ電流
によつて壁面近傍に形成される磁力線の方向は、耐熱性
部材10のタイルの対角線方向に沿つて形成されることが
望ましく、又、プラズマ成分のうちのイオンの移動方向
の耐熱性部材10の表層部が屈曲している方向に一致する
ことが望ましい。その様な配置では耐熱部材10の間隙に
プラズマからの漏出粒子が入射し難い配置に出来、従つ
てプラズマ粒子が冷却金属基体５の表面に射突し難い様
に出来る。
耐熱性部材10の間隙部分の冷却金属基体５の表面に対
する低トリチウム透過層９の形成方法はイオンビームス
パツタリング法により行つた。
［実施例７］ 第10図は、冷却金属媒体５の耐熱性部材10の間隙部分
に低トリチウム透過層９を形成する方法を示す。真空容
器23中に送り機構25に取り付けた耐熱性部材10を既に接
合した冷却金属基体５に対し、上方に設置したイオン源
より10〜40kVに加速した希ガスイオンビームを耐熱性部
材10の間隙の巾以下に収束させ、間隙内に入射させる。
エネルギー30kVのアルゴンイオンを、イオン束1017個の
/cm2sで耐熱性部材10の側端面に照射し、側面構成元素
であるSiCをスパツタした。耐熱性部材10の側端面26か
らスパツタされたエネルギ数10eVのSi及びＣ原子は冷却
金属媒体５の表面に射突し、表面原子を加熱しつつ、表
面被覆層を形成する。本方法で、0.5μm/分の成膜速度
で２分間に厚さ１μｍのSiCスパツタ膜が、中間材13の
側端面及び冷却金属基体５の表面に形成された。
第10図に示すイオンビームスパツタリング法により、
厚さ0.1mmのSUS304ステンレス鋼の表面に1.5μｍの厚さ
SiCスパツタ膜を形成し、重水素の透過量をSiCスパツタ
膜の無い場合と比較したところ、SiCスパツタ膜の形成
により600℃に於て少なくとも10-4以下の重水素透過量
の減少が得られることが認められた。
〔発明の効果〕
本発明によれば、低トリチウム透過層を耐熱性部材
で、プラズマ又は粒子線の熱負荷及び粒子線負荷に対し
て遮熱の防護が出来るので、運転中の低トリチウム透過
層の温度を大幅に下げることが出来、従つてトリチウム
透過防止効果を数倍ないし数10倍増大させることが出来
る。
また、プラズマ又は粒子線の熱負荷が高く、それらが
冷却金属基体に直接流入した場合に、冷却金属基体の溶
融、低トリチウム透過層の熱応力による剥離が生じる様
な場合には水冷金属基体自体及びその上に形成した低ト
リチウム透過層の損傷を防止することが出来、信頼性の
飛躍的に向上した低トリチウム透過性炉壁構造を実現出
来る。その結果、冷却金属基体及び真空容器壁中に吸着
・溶解するトリチウムの量を低く抑えることが出来、従
つてトリチウムの炉心部における損失量を大巾に少なく
出来、また、プラズマ中に発生する高エネルギー電子線
の防護ができ、更にセラミックからなる耐熱性部材と金
属基体の熱膨張係数の違いによる熱応力を緩和すること
ができるため、信頼性，保守性，安全性の点で非常に優
れた炉心構造を実現出来る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるトカマク型核融合炉の炉心構造を
概念的に示す縦断面図、第２図は第１図真空容器炉壁構
造の一例を示す斜視図、第３図は第２図の炉壁構造の１
実施例の詳細な構造を示す斜視図、第４図は第２の炉壁
構造の他の実施例の詳細な構造を示す斜視図、第５図は
第２図の炉壁構造のうちダイバータに係る実施例の詳細
な構造を示す斜視図、第６図はダイナミツクイオンミキ
シング法による低トリチウム透過層の形成方法を示す概
念図、第７図は第５図に示す炉壁構造の他の実施例であ
る冷却金属基体及び耐熱性部材の詳細な構造を示す斜視
図、第８図は本発明の炉壁構造の他の実施例を概念的に
示す炉心部の２分の１断面構造図、第９図は第８図の炉
壁構造の１実施例の詳細な斜視図、第10図はイオンビー
ムスパツタリング法による低トリチウム透過層の形成方
法を示す炉壁構造の斜視図である。 １……炉心プラズマ、２……真空容器、３……トロイダ
ルコイル、４……ポロイダルコイル、５……冷却金属基
体、６……真空容器冷却系、７……強制冷却金属基体冷
却系、８……トリチウム分離・回収装置、９……低トリ
チウム透過層、10……耐熱性部材、11……遮蔽体、12…
…冷却媒質流路、13……中間体、14……金属被覆層、15
……溝、16……ろう材層、17……固定用リブ、18……支
持部材、19……イオン源、20……イオンビーム、21……
蒸着源、22……蒸発粒子、23……真空容器、24……スパ
ツタ原子、25……送り機構、26……側端部、27……ベル
ジヤー、28……真空ポンプ、29……排気ダクト遮蔽体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三吉 忠彦 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 小山 哲雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 小澤 義弘 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 伊東 新一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (56)参考文献 特開 昭62−263979（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−66181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−157072（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−16288（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−99667（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】水素同位体プラズマを封入する真空容器，
    前記プラズマを該真空容器内の所定の位置に保持する閉
    じ込め磁場発生用コイル，前記真空容器内に設けられ、
    電離した粒子を中性化して排気させるダイバータを備え
    た核融合炉において、前記真空容器を冷却する冷媒流路
    を構成する冷却金属基体の前記プラズマ封入面側に、C,
    Be,Beの炭化物または酸化物、B4C,Alの酸化物または窒
    化物、Siの炭化物または酸化物または窒化物、Tiの酸化
    物または窒化物、Crの酸化物または窒化物、Mnの酸化
    物、Zrの酸化物のうちの１種または２種以上からなる低
    トリチウム透過層を設け、更に前記低トリチウム透過層
    の前記プラズマ封入面側に、Ni,Fe,Cu,Ag,Au,Mo,Wの１
    種または２種以上からなる金属層を設け、更に前記金属
    層の前記プラズマ封入面側に炭素繊維,SiC繊維,B繊維,B
    4C繊維の１種又は２種以上を強化繊維とし、炭素,SiC,B
    e,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種または２種以上を母材とす
    る耐熱性部材が設けられていることを特徴とする核融合
    炉。
  2. 【請求項２】水素同位体プラズマを封入する真空容器，
    前記プラズマを該真空容器内の所定の位置に保持する閉
    じ込め磁場発生用コイル，前記真空容器内に設けられ、
    電離した粒子を中性化して排気させるダイバータを備え
    た核融合炉において、前記ダイバータを冷却する冷媒流
    路を構成する冷却金属基体の前記プラズマ封入面側に、
    C,Be,Beの炭化物または酸化物、B4C,Alの酸化物または
    窒化物、Siの炭化物または酸化物または窒化物、Tiの酸
    化物または窒化物、Crの酸化物または窒化物、Mnの酸化
    物、Zrの酸化物のうちの１種または２種以上からなる低
    トリチウム透過層を設け、更に前記低トリチウム透過層
    の前記プラズマ封入面側に、Ni,Fe,Cu,Ag,Au,Mo,Wの１
    種または２種以上からなる金属層を設け、更にその上に
    炭素繊維,SiC繊維,B繊維,B4C繊維の１種又は２種以上を
    強化繊維とし、炭素,SiC,Be,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種
    または２種以上を母材とする耐熱性部材が前記低トリチ
    ウム透過層を被うように設けられていることを特徴とす
    る核融合炉。
  3. 【請求項３】水素同位体プラズマを封入する真空容器，
    前記プラズマを該真空容器内の所定の位置に保持する閉
    じ込め磁場発生用コイル，前記真空容器内に設けられ、
    電離した粒子を中性化して排気させるダイバータを備え
    た核融合炉において、前記ダイバータを冷却する冷媒流
    路を構成する冷却金属基体の前記プラズマ封入面側に、
    C,Be,Beの炭化物または酸化物、B4C,Alの酸化物または
    窒化物、Siの炭化物または酸化物または窒化物、Tiの酸
    化物または窒化物、Crの酸化物または窒化物、Mnの酸化
    物、Zrの酸化物のうちの１種または２種以上からなる低
    トリチウム透過層を設け、更に前記低トリチウム透過層
    の前記プラズマ封入面側に、Ni,Fe,Cu,Ag,Au,Mo,Wの１
    種または２種以上からなる金属層を設け、更に前記金属
    層の前記プラズマ封入面側に炭素繊維,SiC繊維,B繊維,B
    4C繊維の１種又は２種以上の強化繊維とし、炭素,SiC,B
    e,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種または２種以上を母材とす
    る耐熱性部材が前記低トリチウム透過層を被うように設
    けられ、かつ前記ダイバータを前記真空容器を構成する
    前記冷却金属基体に接して固定されていることを特徴と
    する核融合炉。
  4. 【請求項４】水素同位体プラズマを封入する真空容器，
    前記プラズマを該真空容器内の所定の位置に保持する閉
    じ込め磁場発生用コイル，前記真空容器を冷却する冷媒
    流路を構成する冷却金属基体，該冷却金属基体の前記プ
    ラズマ封入面側に設けられた前記冷却金属基体より耐火
    性を有する耐熱性部材，前記真空容器内に設けられ電離
    した粒子を中性化して排気させるダイバータを備えた核
    融合炉において、前記ダイバータは該ダイバータを冷却
    する冷媒流路を構成する冷却金属基体及び該冷却金属基
    体を取り囲む該冷却金属基体より耐火性を有する耐熱性
    部材を有し、前記ダイバータは前記真空容器を構成する
    前記冷却金属基体に接して固定され、前記真空容器及び
    ダイバータを構成する冷却金属基体表面の少なくとも前
    記プラズマ封入面側に前記金属基体より低いトリチウム
    透過性を有する厚さ0.1μｍ〜30μｍの低トリウチム透
    過層を有し、前記低トリチウム透過層は600℃における
    トリチウムの拡散係数が１×10-9cm2/s以下であるC,Be,
    Beの炭化物及び酸化物,B4、C,Alの酸化物及び窒化物、S
    iの炭化物，酸化物及び窒化物、Tiの酸化物及び窒化
    物、Crの酸化物及び窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物の
    うちの１種または２種以上であり、前記低トリチウム透
    過層の表面にBe,C,Al,Ti,Cr,Ni,Fe,Cu,Ag,Au,Mo,Wの１
    種または２種以上よりなる金属層を介して前記耐熱性部
    材がろう材によって接合され、前記耐熱性部材は、炭素
    繊維,SiC繊維,B繊維,B4C繊維の１種又は２種以上を強化
    繊維とし、炭素,SiC,Be,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種また
    は２種以上を母材とする熱衝撃係数が20kW/m以上である
    繊維強化型耐熱性部材からなり、前記冷却金属基体は非
    磁性オーステナイト合金からなることを特徴とする核融
    合装置。
  5. 【請求項５】冷媒流路を構成する冷却金属基体の前記プ
    ラズマ封入面側に、C,Be,Beの炭化物または酸化物、B
    4C,Alの酸化物または窒化物、Siの炭化物または酸化物
    または窒化物、Tiの酸化物または窒化物、Crの酸化物ま
    たは窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物のうちの１種また
    は２種以上からなる低トリチウム透過層を設け、更に前
    記低トリチウム透過層の前記プラズマ封入面側に、Ni,F
    e,Cu,Ag,Au,Mo,Wの１種または２種以上からなる金属層
    を設け、更に前記金属層の前記プラズマ封入面側に炭素
    繊維,SiC繊維,B繊維,B4C繊維の１種又は２種以上を強化
    繊維とし、炭素,SiC,Be,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種また
    は２種以上を母材とする耐熱性部材が前記低トリチウム
    透過層を被うように設けられていることを特徴とする核
    融合炉用ダイバータ。
  6. 【請求項６】冷媒流路を構成する冷却金属基体の前記プ
    ラズマ封入面側に、C,Be,Beの炭化物または酸化物、B
    4C,Alの酸化物または窒化物、Siの炭化物または酸化物
    または窒化物、Tiの酸化物または窒化物、Crの酸化物ま
    たは窒化物、Mnの酸化物、Zrの酸化物のうちの１種また
    は２種以上からなる低トリチウム透過層を設け、更に前
    記低トリチウム透過層の前記プラズマ封入面側に、Ni,F
    e,Cu,Ag,Au,Mo,Wの１種または２種以上からなる金属層
    を設け、更に前記金属層の前記プラズマ封入面側に、炭
    素繊維,SiC繊維,B繊維,B4C繊維の１種又は２種以上を強
    化繊維とし、炭素,SiC,Be,B4C,Be2C,SiO2,BeOの１種ま
    たは２種以上を母材とする耐熱性部材が設けられている
    ことを特徴とする核融合炉用真空容器炉壁。
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