JPS60387A

JPS60387A - 核融合炉の支持構造

Info

Publication number: JPS60387A
Application number: JP58108879A
Authority: JP
Inventors: 吉川　英夫; 塚越　信幸; 三浦　希機
Original assignee: Yuka Shell Epoxy KK
Current assignee: Yuka Shell Epoxy KK
Priority date: 1983-06-16
Filing date: 1983-06-16
Publication date: 1985-01-05

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〕核融合発電システムは核融合炉で発生した熱をクーラン
トを介して熱交換器に伝え、その熱で蒸気を作り、ター
ビンを運転して発電するシステムとなっている。

本発明はこのような核融合発電システムにおける核融合
炉に係り、特にその支持構造に関する。

〔従来技術〕

従来の核融合炉、例えばトカマク型核融合炉を第１図及
び第２図について説明する。

とブランケット１内で生成した３Ｔ（トリチウム）を約
６０００万℃以上の高温で核融合させ、次の反応式によ
’）’Ｈｅ（３−５ＭｅＶ）（ヘリウム）と’ｎ（１４
１Ｍ６Ｖ）（中性子）を生産する。

”Ｄ＋”Ｔ＝　’Ｈｅ（３，５ＭｅＶ）＋’ｎ（１４，
１ＭｅＶ）・・川−（ｔ）このうちの’Ｈｅ（３，５Ｍ
ｅＶ）はプラズマの内部加熱用エネルギーとして使用し
、高温、を維持する。

’ｎ（１４，１ＭｅＶ）はブランケット１に照射し、次
の反応式によりｓＴを製造する。

”Ｌｉ　＋　”ｎ＝　’Ｔ＋’Ｈｅ　＋４．８　Ｍ６Ｖ
　−−−−（２）’Ｌ　ｌ＋’ｎ＝”Ｔ十Ｈｅ＋”ｎ−
２，５Ｍｅｖ　−ｍｍ−−−−−（３）＋１Ｌｔと’Ｆ
Ｌ　ｔは天然に存在し　ＩＩＬ　、はブランケット１で
は発熱反応、Ｌｉは吸熱反応であるが　ＢＴとｈを作り
出すので炉内で８Ｔが反応により減少する以上にブラン
ケット１内で生産されるＩＩＴの方が多く増殖される。

ブランケット内で生産されたトリチウムはヘリウムなど
の担体によシブランケラト１内から取出され、分離され
て再びプラズマ帯２に供給され、上記（１）式の反応に
供される。またブランケット１内で発生した熱量はプラ
ンケラ）１内を溶融させないように冷却するクーラント
配管３内のクーラントに伝達され、熱交換器を経て蒸気
に変換され、タービンを運転して発電するために供され
る。

プラズマ帯２で発生した中性子はブランケット１で吸収
されるが、一部はプランケラ）１を通して漏洩するので
、ブランケットｌの外側にシールド（生体遮蔽）４を設
けて中性子の外部への漏洩を遮蔽する。ブランケット１
はこのシールド４に支持構造材５により支持されている
。シールド４は一般に鉄まだは鉛などの比重の重い材料
とエポキシ樹脂等の比重の軽い物質を結合させたものま
たはコンクリートが用いられている。そしてシールド４
は真空容器６内に支持構造材７により取付けられ、真空
容器６は建築構造体のコンクリート床面８に支持構造材
９により支持されている。また真空容器６の外側にはプ
ラズマを中心部分に安定して閉じ込めるための磁場が必
要であるが、そのだめのマグネッ）　（ＴＦコイル）１
０が支持構造材１１により支持されている。

一方、核融合炉の熱効率を向上させるにはブランケット
１内で発生した熱量をできるだけクーラントのみに伝達
し、その出入口の平均温度を高温に維持して有効に利用
し、熱損失を防止することが必要である。

従って、ブランケット１．シールド４．真空容器６及び
マグネッ）１０等の支持構造材５　、９　、１１等は次
の特性を有するものでなければならない。

即ち、■高温（２５０℃以上）に耐え、高温圧縮節ｇｔ
（ｓｉｒ／−以上）のあること、■ブランケットｌ内の
熱をタービンの運転にできるだけ有効に利用するため熱
伝導率が１０Ｋｄ、４凸℃以下と比較的低いこと、■中
性子の遮蔽に役立つこと、■磁性を帯びて轡雑々外力が
支持構造材や真空容器に作用しないこと、■生産性のよ
いこと等の特性を有していることが必要である。

従来の支持構造材５　、９　、１１等としてはステンレ
ス鋼系の金属材料が用いられている。この材料は高温圧
縮強度に耐え、生産性がよいという特性を有しているが
、熱伝導率、中性子遮蔽及び非磁性の点で劣る欠点があ
る。特にステンレス鋼系の材料は如何に熱伝導率を低下
させるべく創意工夫しても鋼である以上、熱伝導率を約
３０〜４０Ｋｍ／ｍｈ’ｃ程度以下にすることは難しい
。

〔発明の目的〕

本発明は上記の欠点を改良することを目的としてなされ
たものであって、エポキシ系樹脂に、エポキシ系樹脂の
みでは高温圧縮強度に劣る点をＳ　＋　Ｏｔ　（無水ケ
イ酸）、Ａｔ（アルミ）およびマイカ等の充ＪＩＴＩ材
を添加して補強した材料を支持構造材として用いること
により上記■〜■の特性を全て備えた核融合炉の支持構
造を提供するものである。

〔発明のＦ霞成〕

上記の目的を達成する本発明はエポキシ樹脂１１１１重
量部と充填材７０〜４００重量部と硬化剤遠景とよりな
る樹脂組成物の硬化物を索材とし、この素材を第１図及
び第２図示のようにブランケット１．、シールド４．真
空容器６及びマグネット１０等の支持構造材５．９．１
１として用いた構成とする。

〔実施例の構成〕

以下図面によって本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明を実施したトカマク型核融合炉を一部を
断面で示し他の一部を部分分解して示した簡略斜視図、
第２図はその簡略縦断面図である。

第１図及び第２図において１はリチウム材で作られたプ
ランケツ、ト、２はブランケット１内空間のプラズマ帯
、３はブランケット１を冷却するためのクーラント配管
、４はブランケット１の外側に設けたシールド、５はブ
ランケット１の支持構造材である。シールド４としては
中性子の漏洩を防止し、かつ中性子のブランケット１及
びその支持構造材５への照射により二次放射線として出
るγ線を遮蔽するためエポキシ樹脂とステンレス鋼よシ
なる複合拐が用いられる。６は真空容器、７はシールド
４の支持構造材、８は建築栴造体のコンクリート床面、
９は真空容器６の支持構造材、１０はプ２ズマを中心部
分に安定して閉じ込めるための磁場を形成するマグネッ
）（ＴＦコイル）、１１はマグネットＩＯの支持構造材
である。１２は真空ダクト、１３は真空ポンプ、１４は
ポンプシールド、１５はプ゛う／ケラトセクタ、１６は
シールドアクセスドア、１７はアンチトルクパネルであ
る。

支持構造相５．９．１１は耐高温性を有するエポキシ樹
脂に充填材として無水ケイ酸粉、アルミ粉、マイカ粉、
水利アルミナ粉、炭酸カルシウム粉、硅酸アルミニウム
粉あるいはそれらの複合物を分散混合させ、これに硬化
剤及び必要に応じて硬化促進剤を適量添加して硬化させ
た樹脂組成物の硬化物（以下強化エポキシ樹脂と記す）
よりなる。

本発明に用いられる囚成分のエポキシ樹脂は、例えば「
エポキシ樹脂」垣内弘！（昭晃堂）の第３：ＩＦ：及び
第４章に記述されているようなものでわるが、特にこれ
に限定されるものではなく、当栗者に周知のどのような
エポキシドをも包含する。

本発明に用いられるエポキシドの代表的なものは、多価
フェノールのグリシジルエーテル、例えば２゜２−ビス
（４−ヒドロキシフェニル）フロパン、１．１−ビス（
４−ヒドロキシフェニル）エタン、及ヒビス（４−ヒド
ロキシフェニル）メタンのごトキジフエニロールアルカ
ンのグリシジルエーテル、４．４’−ジヒドロキシジフ
ェニルスルホン、ハイドロキノン、レゾルシン、ジヒド
ロキシジフェニル又はジヒドロキシナフタレンなどのグ
リシジルエーテル、フェノール又はクレゾールとホルム
アルデヒドとの縮合物のノボ２ツク又はレゾールのグリ
シジルエーテルのような多価フェノールよシ誘導される
ポリエポキシド、脂肪族ポリヒドロキシ化合物のポリ（
エポキシアルキル）エーテル、例エバ、エチレングリコ
ール、クリセロール、トリメチロールプロパン又はペン
タエリスリトール等より誘導されるポリエポキシド、ポ
リカルボン酸のポリグリシジルニスデル例えばフクル酸
、テレフタル酸、アジピン酸、テトラヒドロフタル酸又
はヘキサヒドロフタル酸等のジグリシジルエステル、不
飽和脂肪酸のポリマーのポリグリシジルニスデル例えば
リルン酸二重体のジグリシジルエステル、不飽和酸のエ
ポキシ化エステル、例えばエポキシ化アマニ油又は同大
豆油が挙けられる。更にエポキシ化ジエン例えばジェポ
キシブタン、エポキシ化ビニルンクロヘギサン、３．４
−エポキシ−シクロヘキサンカルボン酸の３，４−エボ
キシシクロヘキシルメチルエステル、ポリグリシジルイ
ソシアヌレート、ジグリシジルアニリン、スチレンとグ
リシジルメタクリレートとの共重合体、スチレンとアリ
ルグリシジルエーテルとの共重合体等が挙げられる。こ
れらのポリエポキシドの粘度を減少させるために、ブチ
ルグリシジルエーテル、合成脂肪酸のグリシジルエステ
ル等のモノエポキシドを配合して使用しても良い。

（Ｃ）成分のポリエポキシ化合物の硬化剤としては、脂
肪族アミン、アミノアルコール、アミノアミド、芳香族
アミン、環式脂肪族アミン、複素環式アミン、不飽和脂
肪族アミン、有機酸および酸無水物など一般にポリエポ
キシ化合物の硬化剤として用いられるものが使用できる
。具体的には窒素原子に直結した少なくとも１個の水素
原子をもつアミノ化合物、たとえばジエチレントリアミ
ン、トリエチレンテトラミン、キシリレンジアミン、ｍ
−フェニレンジアミン、ジアミノシフ全４メタン、ジア
ミノジフェニルスルホン、アニリンホルムアルデヒド樹
脂；これらのアミン化合物とエポキシ基含有化合物、ア
クリロニトリル、アクリル酸エステルなどの他の化合物
とのアダクト、た゛とえは脂肪族ポリアミンと不飽和脂
肪酸のダイマー酸とから誘導されるポリアミドアミ／な
ど；ポリカルボン酸又はその無水物、たとえば無水フタ
ル酸、ヘキザヒドロ無水フタル酸、メチルエンドメチレ
ンテトラヒドロ無水フタル酸、無水マレイン酸、トチセ
ニル無水コハク酸など；ポリチオール、たとえばビス−
（２−ヒトロチオニチロキシ）メタンなど；二級ないし
三級アミン類、たとえばベンジルジメチルアミン、トリ
ス−（ジメチルアミノメチル）フェノール、イミダゾー
ル、ピリジン、ピペリジン、トリエタノールアミンなど
；その他ジシアンジアミド、ＢＦ３、アミン塩などがあ
げられる。

これら硬化剤とともに硬化促進剤を配合してもよい。こ
のよう々硬化促進剤としてはテトラエチルアンモニウム
クロリド、テトラエチルアンモニウムプロミド、セテル
トリメチルアンモニウノ・クロリド等の四級アンモニウ
ム塩；ベンジルジメチルアミン、トリエチルアミン、２
，４．６−（トリスジメチルアミノメチル）−フェノー
ル等の三級アミン；２−メチル−４−メチルイミダゾー
ル、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−メ
チルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾー
ルアジン、炭素数１１のイミダゾールアジン等のイミダ
ゾール類等のアミン系の硬化触媒（ヘキサメチレンテト
ラミンは除く）塩化リチウム、具化リチウム、ヨウ化リ
チウム等のリチウム塩が挙り°られる。

Ｂ）成分の無機充填材としては、マイカ、砕砂、アルミ
ニウム粉、無水ケイ酸、炭酸カルシウム、カメリン、メ
ルクガラス短繊維、アスベスト繊維、アルミナ、銅粉、
鉄粉、アトマイズド・アルミニウム、ケイ酸カルシウム
等がありられる。無機充填材の配合量は、Ａ）成分の工
Ｐキシ樹脂１１１！１重景部に対し、７０〜４００軍量
部、好ましくは８０〜１５０重量部の割合で用いる。７
０重隅部未洒では、硬化物の耐熱性の向上が期待できな
い。逆に、４００ｉ−１ｉ部を越えると硬化物は脆いも
のとなり、支持構造材として役に立たない。

（Ｃ）の硬化剤は、囚成分のエポキシ樹脂のエポキシ基
に対し、（Ｃ）成分の官能基（＞ＮＨ，−０ｉ（、酸無
水物基、−ＣＯＯＨ＝　Ｓ　Ｈ等）が略当量となるよう
に実験的にめる。具体的には（５）成分１１１０重を部
に対し、５０〜１５０重量部の割合で用いる。支持構造
材５　、９　、１．１の具体例を挙げると、エポキシ樹
脂（エピコートＦ２８０７　）を１（１０重量部、硬化
促進剤（２Ｅ４Ｍ、Ｚ）　を２重量部、硬化剤（メチル
ナジック酸無水物）を９０重量部、充填利として無水り
“イ酸（Ｓ　ｉ　ＯＪ粉を制重量部またはアルミ粉を２
００＠員部甘たけマイカ粉を３００重量部よりなる樹脂
組成物の硬化物である。

またエポキシ樹脂を１００重量部、硬化促進剤を２￥ｆ
ｆ−ｊｉ：部、硬化剤を９０重量部、充填材としてアル
ミ粉を１５０　、２５０または３５０重量部あるいはマ
イカ粉を１（１０重隅部よりなる樹脂組成物の硬化物を
用いてもよい。

〔発明の作用〕

本発明の支持構造材を用いた原子炉では、前記（１）〜
（３）式で示す核融合反応が起り熱が発する。この熱を
クーラントを介して取出し、熱交換器で蒸気に変換して
タービンを運転し発電に供することになる。

発生熱は支持構造＠５，９．１１等を通して建竿惜造体
のコンクリート床面８に放散されるが、本発明による強
化エポキシ樹脂、即ちエポキシ樹脂に充填材及び硬化剤
を添加して硬化させた硬化物を用いて支持構造材を構成
した場合には、エポキシ樹脂に充」スヘ材を添加しない
場合に比して熱伝導率が−やや上杵するが、従来のステ
ンレス鋼系材料の熱伝導率に比べて一市小さく熱の放散
賛は大幅に少なくなり、炉の熱効率を従来よりも大幅に
向上させることができる。また充埴利の使用量を多くす
ると高温圧縮強度が増大し、鋳鉄と同等のものが得られ
る。

上述のように本発明によれば、エポキシ樹脂に充填拐及
び硬化剤を添加して硬化させた樹脂組成物の硬化物（強
化エポキシ樹脂）によりブランケット１．シールド４．
真空容器６及びマグネット１０等の支持構造材５　、９
　、１１を構成したので、上記■〜■の特性を全て備え
、特に高温圧縮強度に耐え、熱伝導率の低い核融合炉の
支持構造を提供すること、延いては核融合炉の熱効率を
大幅に向上させることができる。

〔実験例」次に本発明の効果を理解してもらうために本発明による
強化エポキシ樹脂（本発明供試体ａ）とテフロン（参考
供試体ｂ）とエポキシ樹脂（伝力供試体Ｃ）の熱伝導率
を測定し、その結果について詳述する。

第３図は定常状なりにおける熱伝導率を測定するための
実験非直の概要説、明図、第４図は供試体の詳細説明図
である。

この実験装置は銅剣のヒートシンクにシーズヒーターを
巻付けて高温熱源１８とし、この高温熱源１８の下方に
供試体を配置し、その下部に冷却装置を取付けて低温熱
源１９とした。低温熱源１９はクーラント（冷却水）で
冷却した。１９ａ、１９ｂは冷却水出、入口である。

供試体ａ、ｂ、ｃは直径２５門、長さ４５門の大きさと
し、これを銀盤２０上に置き、銀盤と供試体間及び供試
体と高温熱源１８間の境面は銀ラッカーで処理した。

本実験では冷却水中に含まれる気泡が滞留しないように
冷却水通路に気泡抽出用パイプ２１を挿設して気泡を抽
出し、また高温熱源１８よシ低温熱源１９にできるだけ
一方向に熱が移動するようにすると共に、対流による熱
伝導を避けるため、供試体Ｒ，１）、ｅの外周にガード
リング２２を設け、更にその外周をベルジャβで被い、
七ヰ値空ポンプ（ロータリポンプ）２４により真空（１
０””　Ｔｏ　ｒ　ｒ）にして約伝導の実験を行った。

そして供試体ａ、ｂ、ｃの３箇所に３個のクロメル・ア
ルメル熱電対Ｚ’５　、２．６　、２７を取イ」け、こ
れによって供試体の温度’ｒ、　ｔ　Ｔ２　ｔ　’ｒ、
を電気信号に変換し、ロータリスイッチ２９を切換えて
温度計測装置３０によシ測定した。

熱伝導率は供試体ａ、ｂ、ｃの３箇所の温度ＴＩ＋Ｔ、
　、　Ｔ、と冷却水量Ｑを測定し、次の（４）式を用い
て計算した。

ｄＱ／ｄｔ＝−λＡ（ｄＴ／ａｘ）　・・−＋＋−・−
＋４４）Ｔは供試体温度（０Ｋ）、Ｘは熱電対２５〜２
７の温度計測点間距離（→、ｔは測定時間（ｈ）　９　
Ａは供試体断面積Ｃ＼　スは熱伝導率（ＫＷ／ｍＫ、）
である。

第５図はテフロン（参考供試体ｂ）とエポキシ樹脂（参
考供試体Ｃ）について測定温度’ｒ、　ｌ　’ｒ、　＋
Ｔ、の平均値Ｔ対真空中（１０””Ｔｏｒｒ　）におけ
る熱伝導率λの関係を示す縮図でちる。

との実測結果によれば、約１００〜２００℃においては
両供試体す、ｃの熱伝導率は１１ぼ同程度であるが、テ
フロンは高温熱１．１８と供試体すが接触する付近に取
付けた熱電対２５により計測した結果によると１８０℃
において急激に変態し融解するのに対し、エポキシ樹脂
は約２００”Ｃ付近で変態し始めたが、デフロン１のよ
うに融解してしまうことがなく、高温熱源１８付近から
順次組織が変化していった。従つ−Ｃ高温部の断熱支持
構造材としてはエポキシ（０・ｊ脂の方が優ると思われ
る。

第６Ｍは本発明供試体ａＩ、　ａ、について測定温度’
ｒ、　ｌ　’ｒ、　ｌ　’ｒ８の平均値Ｔ対真空中（１
０−”ｌ’ｏｒｒ）における熱伝導率λの関係を示す線
図である。

供試体ａ１は、油化シェルエポキシ■製ビスフェノール
Ｆのジグリンジルエーテル（エピコートＥ８０７　）　
１００重量部と、メチルナジック酸無水物（硬化剤）叩
重量部と、硬化促進剤（２Ｅ４ＭＺ）２重町部と、無水
ケイ酸（ｓｔｏり粉（充填材）１００車量部を１５０〜
２００℃の温度で硬化させたものよりなり、供試体８．
け無水ケイ酸（Ｓ　ｉ　Ｏ！　）粉を２００重量部、供
試体＆、は同じく無水ケイ酸（ＳｉＯ＊）粉を３００重
倣車色する以外は供試体ａ１と全く同様の樹脂組成物の
硬化物よりなる。

第６図の結果より明らかなように本発明供試体’ｌ　ｒ
　”Ｆ　の熱伝導率＆ｊ、第５図の参考供試体Ｃの熱伝
導率に比して多少高くｉるが、充填材の添加量を多くす
るにつれて、かつ高温になるに従って低下する傾向にあ
る。

また上記供試体ａ１〜ａ８をそれぞれ５個作成し、圧縮
強度試験を行い、その結果を第７図に示す。

第７図は供試体’１　、ａ８　について供試体温度を１
８℃としたときのひずみ対圧縮応力の関係を示す線図で
あろう第７図の結果よシ充填材（Ｓｔａ２）を添加しその添加
量を増大すると圧縮強度は増加する。

以上第６図及び第７図の結果を総合すると、支持構造材
としては、断熱拐としての熱伝導率と圧縮強度の点で充
填杓の添加量を増加することによシ好ましい結果が得ら
れることが解る。

次にエポキシ樹脂系硬化物におけるガラス転移点前後の
熱伝導率の変化を検べるため次の実験を行った。実験に
け供試体ａ８を用い、その温度を上外させ温度対マイク
ロビッカース硬度を測定した。

その結果を第８図に示す。

この第８図に先に計測した熱伝導率をプロットすると硬
度の急変する転移点付近と熱伝導率は特に関係がないこ
とがわかった。即ち、本発明支持構造利はガラス転移点
によって電気伝導率、誘電率及び吸水率などが変化して
も熱伝導率は影響されないことが確認できた。

上述の実験より明らかなように本発明材料は上記■〜■
の特性を備え、特に非磁性、高温圧縮強度及び断熱度が
高いので、ブランケットｌ、シールド４．Ｐ−空容器６
及びマグネット１０等の支持構造月５．９．１１として
使用できることが解る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したトカマク型核融合炉の一部を
断面で示し他の一部を部分分解して示した簡略斜視図、
第２図はその簡略縦断面図、第３図は定常状態における
熱伝導率を測定するだめの実験装僅の概要説明図、第４
図は供試体の詳細説明図、第５図はテフロンとエポキシ
樹脂についての測定温度対熱伝導率の関係を示す線図、
第６図は本発明強化エポキシ樹脂についての測定温度対
熱伝導率の関係を示す線図、第７図は本発明強化エポキ
シ樹脂についてのひずみ対圧縮応力の関係を示す線図、
第８図は本発明強化エポキシ樹脂についての測定温度対
マイクロビッカース硬度の関係を示す線図である。１・・・・・・・・・ブランケット、２・・・・・・・
・・プラズマ帯、３・・・・・・・・・クーラント配管
、４・・・・・・・・・シールド、５・・・・・・・・
・プランケラ１−１の支持構造材、６・・・・・・・・
・真空容器、７・・・・・・・・・シールド４の支持構
造材、８・・・・・・・・・コンクリート床面、９・・
・・・・・・・真空容器６の支持構造材、１０・・・・
・・・・・マグネット、１１・・・・・・・・・マグネ
ット１０の支持構造材。代理人弁理士　石　戸　元湊３図　嘗（１，。淳５目窮完遥度Ｔ（’ｅ））Ｃ目算）？圏０す′〃

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　Ａ）エポキシ樹脂１００重量部と、Ｂ）充填材
７０〜４００重量部とＣ）硬化剤適量とよシなる樹脂組
成物の硬化物を素材とし、この素材を核融合炉のブラン
ケット、シールド、真空容器及びマグネット等の支持構
造材として用いた核融合炉の支持構造。
（２）充填材が無水ケイ酸、アルミニウム、マイカ水和
アルミナ、炭酸カルシウム、硅酸アルミニウムより選ば
れた粉体であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の核融合炉の支持構造。