(57)【要約】  慣性核融合発電プラントのための核融合チャンバが開示されている。このチャンバは、所望の中性子相互作用特性を有する錫または他の材料を含む、タングステンおよびバナジウムなどの高融点金属合金から構成されたコンパートメントと共に、該チャンバの外部の周囲に冷却剤の流れのための領域を含む。錫は、熱出力を増加または減少させ、および、これに対応するトリチウム増殖率を増加または減少させるために、入れられ、取り除かれ得る。【選択図】  図４
2014508289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核融合チャンバであって、
互いに組み立てられたときに当該核融合チャンバを形成する複数のセグメントを備え、
前記セグメントのそれぞれが、
核融合反応が起こる当該核融合チャンバの中心領域を向くように配置された第１の壁と、
前記第１の壁の後方に配置され、かつ、流体冷却剤を受け入れるための通路を含むブランケット領域と
を含み、
前記セグメントのうちの少なくとも１つが、追加領域を含み、該追加領域内に、高温耐熱材料が、当該核融合チャンバにおける核融合反応からさらなる中性子を捕獲するために設けられ得る、核融合チャンバ。
【請求項２】
前記追加領域が、前記高温耐熱材料を含むためのコンパートメントを備える、請求項１に記載の核融合チャンバ。
【請求項３】
前記高温耐熱材料が錫を含む、請求項２に記載の核融合チャンバ。
【請求項４】
前記高温耐熱材料がベリリウムを含む、請求項２に記載の核融合チャンバ。
【請求項５】
前記高温耐熱材料がベリリウムチタニウム（Ｂｅ１２Ｔｉ）を含む、請求項２に記載の核融合チャンバ。
【請求項６】
前記高温耐熱材料がガドリニウムを含む、請求項２に記載の核融合チャンバ。
【請求項７】
前記コンパートメントが、タングステンおよびバナジウムの少なくとも一方を含む、請求項２に記載の核融合チャンバ。
【請求項８】
前記セグメントのそれぞれの前記第１の壁が、該セグメントの前壁全体にわたって互いに平行に配置された一組のチューブを備え、前記チューブのそれぞれが、前記前壁の後方に配置された第１のプレナムから、前記前壁の後方に配置された第２のプレナムまで延在しており、前記第１および第２のプレナムが、前記一組のチューブを冷却するための流体冷却剤の供給部と結合されるように構成されている、請求項１に記載の核融合チャンバ。
【請求項９】
前記セグメントのそれぞれ１つが、前記追加領域を含み、該追加領域内に、前記高温耐熱材料が、当該核融合チャンバ内の核融合反応からさらなる中性子を捕獲するために設けられ得る、請求項１に記載の核融合チャンバ。
【請求項１０】
前記セグメントのそれぞれは、レーザビームが、該セグメントを介して前記チャンバの前記中心領域まで通過することを可能にするために、少なくとも２つの開口と、当該核融合チャンバを形成するために適切な位置に該セグメントを支持する支持構造とをさらに含む、請求項１に記載の核融合チャンバ。
【請求項１１】
前記流体冷却剤が液体リチウムを含む、請求項１に記載の核融合チャンバ。
【請求項１２】
核融合反応が起こる核融合チャンバの中心領域を向くように配置された第１の壁と、前記第１の壁の後方に配置され、かつ流体冷却剤を受け入れるための通路を含むブランケット領域とを含む前記核融合チャンバに関して、該核融合チャンバの出力を調節する方法であって、
前記核融合反応からさらなる中性子を捕獲するための材料を、制御可能に、前記ブランケットに入れ、前記ブランケットから取り除くステップを含む、方法。
【請求項１３】
前記核融合反応からさらなる中性子を捕獲するための材料を、制御可能に、前記ブランケットに入れ、前記ブランケットから取り除く前記ステップが、前記ブランケット領域におけるトリチウムの増殖をさらに制御する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ブランケット領域が、さらなる中性子を捕獲するための前記材料用のコンパートメントをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記材料が錫またはガドリニウムを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記流体冷却剤がリチウムを含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【連邦政府により資金提供を受けた研究開発による発明の権利】
【０００１】
[0001]米国政府は、米国エネルギー省とＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ＬＬＣとの間の、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙの運営に関する契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４号に基づいて、本発明に関する権利を有する。
【関連出願の相互参照】
【０００２】
[0002]本米国特許出願は、２０１１年１月２８日付で提出された「Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｂｌａｎｋｅｔ  Ｏｆｆｅｒｉｎｇ  ｔｈｅ  Ａｂｉｌｉｔｙ  ｔｏ  Ｐｒｏｄｕｃｅ  Ｅｘｔｒａ  Ｔｒｉｔｉｕｍ  ａｎｄ  Ｌｏａｄ  Ｆｏｌｌｏｗ」という名称の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許仮出願（米国特許仮出願第６１／４３７，５０８号明細書）、および、２０１１年１１月８日付で提出された「Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ」という名称の特許協力条約出願（国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０５９８１４号明細書）に関し、また、これらの優先権を主張するものである。これらの出願のそれぞれは、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００３】
[0003]本発明は、核融合反応を利用した発電に関する。詳細には、本発明は、核融合発電およびトリチウム生成の速度に関する連続的なリアルタイムの調節が可能である、慣性核融合発電プラント用の核融合チャンバに関する。
【背景技術】
【０００４】
[0004]米国国立点火施設（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｇｎｉｔｉｏｎ  Ｆａｃｉｌｉｔｙ：ＮＩＦ）、すなわち、世界で最大かつ最高エネルギーのレーザシステムは、現在、カリフォルニア州リバモアにあるローレンス・リバモア国立研究所（Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ：ＬＬＮＬ）において稼働している。ＮＩＦの運営の１つの目標は、同研究所において最初に核融合点火を実証することである。最初の実験では、点火されて自己伝搬する核融合燃焼波から２０ＭＪのオーダーの収量が生産されると計算されている。施設の能力は、最終的には最大で１５０〜２００ＭＪの収量が得られる程度になると推定されている。ＮＩＦは、研究機器として設計されており、ここでは、重水素−トリチウムを含むターゲットに対する１回の「ショット」が、研究のために実行される。ＮＩＦに関する説明は、ＭｏｓｅｓらのＦｕｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌｕｍｅ６０，ｐｐ１１−１６（２０１１）およびこの中の参考文献に見出すことができる。
【０００５】
[0005]電力、とりわけ、クリーンな電力に対する必要性が急速に高まりつつある。ＬＬＮＬでは、レーザ慣性核融合エネルギー（本明細書ではしばしば「ＬＩＦＥ」と称する）として知られているプロジェクトが、核融合をベースとした発電所の、米国経済への２０３０年より以前の導入、および、試用プラントの形態に関してはそれより前の導入を目指して進行中である。ＬＩＦＥ技術は、世界中に、炭素を排出しない電力の普及への道を提供する。ＬＩＦＥ技術は、核拡散のリスクを伴わずに、安全かつ持続可能な方法で、炭素を排出しないクリーンなエネルギーを提供する。
【０００６】
[0006]ＬＩＦＥの１つの課題は、大勢の消費者に供給される電力を生成するためのすべての技術と共に、異なる時、例えば、日、月、および年の異なる時、に異なる量の電力を供給することが必要とされることである。消費者は、信頼性の高い電力を期待しており、このためには、発電所は、１年のうちの他の時期よりも温かい時期に、例えば空調のために、より多くの電力を生産することが必須である。このため、このような電力を供給している事業体は、事業体の設備によって生産される電力の量を上昇および下降させることができなければならない。したがって、核融合発電に関する課題の中には、高信頼性かつ長寿命の核融合チャンバであって、この核融合チャンバの中で核融合反応が起こり、さらには、発電のために異なる時により多くの、または、より少ない量の熱を供給することができる核融合チャンバを用意することができる機構を提供することがある。
【０００７】
[0007]本明細書に記載されている技術では、核融合発電プラントには、核融合チャンバが備えられており、核融合チャンバ内には、重水素およびトリチウムの燃料を含むカプセルが、１秒当たりに複数回導入される。ホーラム（ｈｏｈｌｒａｕｍ）（「ターゲット」）内に含まれる個々の燃料カプセルが、チャンバの中心に到達すると、レーザの束（ｂａｎｋｓ  ｏｆ  ｌａｓｅｒｓ）が、ターゲットに照射され、燃料の加熱および圧縮を行い、核融合反応を起こす。核融合反応の熱は、チャンバの周囲を循環する冷却剤によって捕獲される。次に、この熱は、発電のために使用される。プラントの運転の所望の態様は、以前のターゲット内で燃焼したトリチウムに置き換わるトリチウムの生成である。
【０００８】
[0008]核融合チャンバの構造に対する１つのアプローチは、先に参照した、本発明の譲受人に譲渡された特許出願「Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｃｈａｍｂｅｒ」においてより詳細に説明されているように、第１の壁のためのセグメント（分割）型管状設計構造を利用するものである。この設計構造によって、熱的結合が効率的であり、機械的応力が低く、強度重量比の高い核融合チャンバが実現される。また、核融合チャンバのモジュールアプローチによって、核融合チャンバが、光学システムから切り離され、これにより、配管接続を行い、配管接続を切り離す必要があるのみで、正確な光路を再構成しなくても、ブランケットおよび第１の壁のモジュールの迅速な除去ならびに交換が可能となる。核融合チャンバは、核融合チャンバの個々の分割部分ないしはセグメントを循環する液体リチウム冷却剤によって冷却される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
[0009]本発明は、核融合ブランケット内の領域を満たすか、または、空にすることによって、核融合発電プラントのオペレータに、トリチウムの増殖率および熱出力を調節するさらなる柔軟性ないしは適応性を提供する。これらの調節によって、核融合プラントの負荷追従が可能となり、この結果、リアルタイムで、異なる量の熱出力を供給し、これに対応する電力を電力網に供給するように、さらに、トリチウム生成の量を制御するように、核融合ブランケットを調整することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】核融合チャンバおよび核融合チャンバの分割型設計構造を示している。
【図２】核融合チャンバの１つのセグメントの半分の斜視図である。
【図３】図２に示されている核核融合チャンバの１つのセグメントの断面図である。
【図４】図２に示されている核融合チャンバのセグメントの別の断面図であり、出力およびトリチウム増殖を制御するために使用されるさらなるコンパートメントを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0014]図１は、本発明の実施に使用され得るような核融合チャンバ２０の全体設計構造を示す図である。このチャンバ２０は、内容が参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年１１月８日付で提出された「Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｐｌａｎｔ  Ｗｈｉｃｈ  Ｄｅｃｏｕｐｌｅｓ  Ｌｉｆｅ−Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  Ｆｒｏｍ  Ｐｌａｎｔ  Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ」という名称の、本出願人の同時係属の米国特許出願（国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０５９８２０号明細書）に記載されているような核融合発電プラントに配置される。
【００１２】
[0015]図１に示されているように、チャンバは、複数の同一の部分１００ないしはセグメント１００からなる。部分１００のそれぞれは、工場で製造され、従来の輸送設備を使用して発電所の敷地に輸送されてもよい。上述した本出願人の同時係属出願に記載されている、施設内のメンテナンス設備において、モジュール式のチャンバ部分は、共通の支持フレームに取り付けられる。次に、完全に組み立てられたチャンバおよびフレームは、チャンバを囲む真空容器内への設置のために輸送される。チャンバの設置には、冷却入口パイプおよび出口パイプと、別々に配管されている、チャンバの４分の１の部分のそれぞれとの接続のみが必要とされる。
【００１３】
[0016]図２は、核融合チャンバ１０の、半分のセグメント１００の斜視図である。図示されているように、このセグメントは第１の壁を有し、この第１の壁は、互いに平行に配置されたチューブ１１０からなり、互いに平行に配置されたチューブ１１０は、基底構造を覆っており、また、互いに平行に配置されたチューブ１１０を介して、リチウム冷却剤が循環する。さらに、セグメントにおけるビームポート開口１２０が示されている。リチウムは、最初、チャンバ全体の４分の１に冷却剤を供給するプレナムに送られる。冷却剤は、最初、第１の壁のチューブに送られ、そこで、冷却剤は、最も高い熱の流束を受ける。第１の壁のチューブから出ると、リチウムは、ブランケット入口ポート１３０内に流される。ブランケットを出た冷却剤は、ポート１４０を通して流通される。４つの、チャンバ全体の４分の１の部分は、別々に配管されている。
【００１４】
[0017]レーザビームがチャンバの中心に到達できるようにするために、合計で約５％の立体角となる４８個の開口１２０が設けられている。ビームポートでは、第１の壁のパイプが、半径方向外側に向かって経路設定されており、この場合、第１の壁のパイプは、ブランケットの背面を包囲している。さらなる開口が、ターゲット注入システム、および、残骸除去／真空ポンプ／ターゲット受取システムとのインターフェースのために、チャンバの上部および底部に設けられている。
【００１５】
[0018]図３は、通常のセグメント１００、すなわち、本発明の特徴を含まないセグメントの中間点における断面である。電力生産およびトリチウム増殖の調節が望まれる度合に応じて、核融合チャンバの一部のセグメントのみが、本発明の特徴を含んでもよい。一方、より大きな柔軟性ないは適応性が、チャンバのすべてのセグメントが本発明の特徴を含むことによって達成されてもよい。なお、このようなセグメントの１つが、以下の図４に示されている。
【００１６】
[0019]図３では、第１の壁のチューブ１１０が、基底構造１５０と共に示されている。液体リチウム冷却剤は、セグメント１００のチューブのすべてと結合されたプレナム１６０を介してチューブ１１０に進入する。セグメントのもう一方の側の同様のプレナム（図示せず）は、チューブ１１０を通過した後の液体リチウムを収集する。リチウムは、第１の壁のチューブ１１０から出ると、冷却剤のさらなる加熱のために基底構造１５０内へ再循環されてもよい。代替的な実施態様では、リチウムのすべてが再循環され、この結果、セグメント１００には、ただ１つの冷却ループのみが必要となる。必要に応じて、第１の壁のチューブ１１０および基底構造１５０は、様々な冷却要求を満たすために、および／または、代替的な冷却剤の使用を可能にするために、別々に配管されてもよい。
【００１７】
[0020]基底構造１５０の冷却は、最も冷たい冷却剤が構造材料に供給されるように、設計されている。このことは、冷却剤が、ブランケットの上部に進入し、より小さな冷却チャネルを介して高速で流れ落ちる「表面冷却（ｓｋｉｎ  ｃｏｏｌｉｎｇ）」の利用によって達成される。冷却剤は、ブランケットの底部に到達したときに向きを変え、次に、かなり低い速度でバルク領域１７０を介して上方に流れる。表面領域における低い温度および高速により、最も効果的な冷却が実現される。ブランケットの冷却剤は、ポート１３０を介して導入され、同様のポート１４０から抜き出される。
【００１８】
[0021]本明細書で参照されている特許出願においてより詳細に説明されているように、４７０℃で第１の壁のチューブに進入する冷却剤は、約５１０℃で第１の壁から離れて基底構造（ブランケット）に進入する。冷却剤は、ブランケットの底部において約５５０℃に達する。裸鋼の場合、冷却剤は、ブランケットの上部において、５７５℃の出口温度まで加熱される。より高い温度が、非構造性の断熱版の使用によって達成されてもよい。例えば、タングステンが、１３００℃を上回る液体リチウムに適合する。我々の設計では、裸鋼を使用し、出口温度が５７５℃となるリチウムを用意した。しかしながら、材料の適切な選択によって、将来の核融合チャンバの設計では、さらに高い温度が許容されると思われる。
【００１９】
[0022]核融合チャンバは、ＡＳＭＥのパイプ規格に従って設計される。具体的に言えば、チャンバは、与えられた材料の極限引張り強度の３分の１、与えられた材料の降伏強度の３分の２、与えられた材料のクリープ破断強度の３分の２、および１０００時間当たりのクリープ速度の０．０１％を目標として設計される。このような評価には、温度依存特性が使用される。
【００２０】
[0023]本発明は、核融合ブランケット内の領域を満たすか、または、空にすることによって、発電所のオペレータに、トリチウム増殖率および熱出力を調節する柔軟性ないしは適応性を与える核融合チャンバを提供する。これらのリアルタイムの調節は、例えば、生産量が予測よりも低いこと、もしくは、減少が予測よりも大きいことから生じる不足を補うために、または、新しい核融合施設に燃料を供給する目的でトリチウムを生成するために、追加のトリチウムを生成することが望まれている場合に、必要とされ得る。これらの調節により、核融合発電プラントは負荷追従することが可能となり、この結果、リアルタイムで、様々な量の熱出力を供給し、これに対応する電力を電力網に供給することが可能になる。
【００２１】
[0024]トリチウム増殖率および熱出力のリアルタイムの調節は、所望の中性子相互作用特性を有する錫または他の材料により、核融合ブランケットのコンパートメント（隔室）、例えば、コンパートメント１７０を満たすことによって達成される。材料は、熱出力を増加または減少させ、これに対応してトリチウム増殖率を増加または減少させるために、所望のレベルを目標として入れられ、除去され得る。使用される材料は、流動性のない液体、流動性のある液体、または可動の固体であってもよい。必要に応じて、ベリリウムまたはベリリウムチタニウム（Ｂｅ１２Ｔｉ）などの追加の中性子生成材料によって、性能をさらに改善してもよい。核融合ブランケットが、核融合反応によって放出された中性子およびエネルギーを捕獲することができるようにすることによって、集められたエネルギーは、新しい核融合燃料生成のためのトリチウム、および、流れる高温の冷却剤の形態をとる熱出力に変換され得る。
【００２２】
[0025]図４は、コンパートメント２００の一実施態様を示している。コンパートメント２００は、最大の熱出力発生を可能にする一方で、構造部品としての高い強度を維持するために高融点金属合金から形成されている。これらの合金は、タングステンおよびバナジウムならびに他の材料を含む。コンパートメントは、錫またはガドリニウムなどの高温耐熱材料によって、選択的に満たされ、空にされてもよい。
【００２３】
[0026]以前の慣性核融合エネルギーエンジンでは、核融合ターゲット出力を減少させること、核融合源の繰返し率を低減すること、または冷却塔を使用して過度の熱出力を放出することによって、熱出力を減少させることが提案されていた。これらのアプローチのそれぞれは、発電所の経済面に悪影響を及ぼす。対照的に、本発明のアプローチは、発電所の経済面に悪影響を及ぼすことなく、熱出力およびトリチウム生成の調節を可能にする。
【００２４】
[0027]図４の図示されている実施形態では、錫が、タングステンチャンバ２００内に使用されている。錫は、流動性のないものであるが、錫が存在する場合の「出力モード」から、錫が取り除かれている場合の「トリチウム増殖モード」に核融合エンジンを切り換えるために、当該場所にポンプにより圧送されまたは排出され得る（あるいは、ポンプを使用しないのであれば、入れられ、除去される）。トリチウム増殖率およびバルク材料の利得に関する我々の分析が、以下の表に示されている。すべて液体リチウムによって冷却されるブランケットの場合、すなわち、核融合チャンバのすべてのセグメントが、図３に示されているようなものである場合の、トリチウム増殖率および利得は、第１の列に示されている。タングステンコンパートメントが、錫を含む（および錫が抜かれて空になっている）場合の、トリチウム増殖率および利得は、表の第２の列および第３の列に示されている。最後に、タングステンコンパートメントにＢｅ１２Ｔｉ／Ｓｎが充填されたブランケット、および、タングステンコンパートメントからＢｅ１２Ｔｉ／Ｓｎが抜き出されたブランケットに関して、結果が、表の最後の２つの列に示されている。
【表１】
2014508289.tif 000003
【００２５】
[0028]従来のアプローチとは対照的に、本発明は、リアルタイムの調節を可能にする。生産された核融合の熱出力およびトリチウム生成速度は、一定に保たれ、また、新しいプラントの開始のための過剰なトリチウムを生成するために、または、需要が低い期間にプラントの発電を減少させるために、必要とされる条件を操作することによって、トレードオフされる。
【００２６】
[0029]前述の記載は、本発明の好ましい実施形態に関するものである。熱出力およびトリチウム増殖率の制御を可能にするために、核融合ブランケットに材料を加えるか、または、核融合ブランケットから材料を取り除くという方法によって、変形例が実施され得ることが理解されよう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図１】
2014508289.tif 000004
【図２】
2014508289.tif 000005
【図３】
2014508289.tif 000006
【図４】
2014508289.tif 000007
【国際調査報告】
2014508289.tif 000008