(57)【要約】トカマクプラズマ容器である。このトカマクプラズマ容器は、トロイダルプラズマチャンバ、複数のポロイダル磁場コイル、上側ダイバータアセンブリ、及び下側ダイバータアセンブリを含む。複数のポロイダル磁場コイルは、実質対称なプラズマコア並びに上側及び下側ヌルを有するポロイダル磁場を与えるように構成され、当該プラズマコアの外側のスクレイプオフ層におけるイオンが、上側及び下側ヌルの一方を通過する磁場によって、上側及び下側ダイバータアセンブリそれぞれのダイバータ表面へと向けられる。上側及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、液体金属入口と、当該液体金属入口の下に配置された液体金属出口とを含む。上側及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、使用時に液体金属が、ダイバータアセンブリの少なくとも一つのダイバータ表面を経由して液体金属入口から液体金属出口へ流れるように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トカマクプラズマ容器であって、
トロイダルプラズマチャンバと、
複数のポロイダル磁場コイルと、
上側ダイバータアセンブリと、
下側ダイバータアセンブリと
を含み、
前記複数のポロイダル磁場コイルは、実質対称なプラズマコア並びに上側及び下側ヌルを有するポロイダル磁場を与えるように構成され、前記プラズマコアの外側のスクレイプオフ層におけるイオンが、前記上側及び下側ヌルの一方を通過する磁場によって、前記上側ダイバータアセンブリ及び下側ダイバータアセンブリそれぞれのダイバータ表面へと向けられ、
前記上側ダイバータアセンブリ及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、
液体金属入口と、
前記液体金属入口の下に配置された液体金属出口と
を含み、
使用時に液体金属が、前記ダイバータアセンブリの少なくとも一つのダイバータ表面を経由して前記液体金属入口から前記液体金属出口へ流れるように構成される、トカマクプラズマ容器。
【請求項２】
前記ポロイダル磁場コイルは対称磁場を与えるように構成される、請求項１に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項３】
前記ポロイダル磁場コイルは、上向きダイバータ表面との相互作用を最適化するべく前記プラズマコアの外側では非対称な磁場を与えるように構成される、請求項１に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項４】
前記上側ダイバータアセンブリ及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、径方向機内ダイバータ表面及び径方向機外ダイバータ表面を含み、
前記液体金属入口及び液体金属出口は、前記液体金属が少なくとも対応する機外ダイバータ表面を経由して流れるように位置決めされ、
前記機内ダイバータ表面は、前記プラズマのエンベロープの径方向内側に存在するスクレイプオフ層からイオンを受けるように位置決めされ、
前記機外ダイバータ表面は、前記プラズマのエンベロープの径方向外側に存在するスクレイプオフ層からイオンを受けるように位置決めされる、請求項１から３のいずれか一項に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項５】
各ダイバータアセンブリが、前記機内ダイバータ表面及び機外ダイバータ表面のそれぞれに対し、対応する液体金属入口及び液体金属出口を含む、請求項４に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項６】
前記機内ダイバータ表面は固体金属から形成される、請求項４に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項７】
前記上側ダイバータアセンブリ及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、
機内ストライクポイントに配置された機内ストライクポイントダイバータ表面と、
機外ストライクポイントに配置された機外ストライクポイントダイバータ表面と、
前記機内ストライクポイントダイバータ表面の径方向内側に配置された機内遠方ダイバータ表面と、
前記機外ストライクポイントダイバータ表面の径方向外側に配置された機外遠方ダイバータ表面と、
前記機内ストライクポイントダイバータ表面と機外ストライクポイントダイバータ表面との間に配置された少なくとも一つのプライベートダイバータ表面と
を含み、
各遠方ダイバータ表面及び各プライベートダイバータ表面は、液体金属が前記遠方ダイバータ表面及びプライベートダイバータ表面を経由するが前記ストライクポイントダイバータ表面は経由しないで流れるように配列された対応する液体金属入口及び液体金属出口を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項８】
液体金属を各液体金属入口まで、対応する流量で供給するべく構成された液体金属供給手段を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項９】
液体金属が流れる各ダイバータ表面が一般に上向きである、請求項１から８のいずれか一項に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項１０】
前記上側ダイバータアセンブリは、液体金属が流れる一般に下向きの少なくとも一つのダイバータ表面を含み、
前記ダイバータ表面は一定角度に存在することにより、前記液体金属供給手段が液体金属を、対応する流量で前記表面に供給するときに、前記液体金属の前記ダイバータ表面に対する濡れによって、前記ダイバータ表面から液体金属が落下することが防止される、請求項８に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項１１】
前記ダイバータ表面が鏡映対称に配列されることにより、前記トカマクプラズマ容器の赤道面において、前記上側ダイバータアセンブリのダイバータ表面が、前記下側ダイバータアセンブリのダイバータ表面の鏡映となる、請求項１０に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項１２】
前記一般に下向きのダイバータ表面はチャネルを含む、請求項１０又は１１に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項１３】
前記ダイバータ表面の少なくとも一つの液体金属入口が、対応する液体金属出口の径方向外側に配置される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のトカマクプラズマ容器。
【請求項１４】
前記液体金属はリチウム又は錫である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のトカマクプラズマ容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトカマクプラズマチャンバに関し、詳しくはトカマクプラズマチャンバのダイバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイバータは、トカマクプラズマ容器の中のデバイスであり、トカマクが動作している間に、プラズマから廃棄材及び電力を除去することを可能にする。廃棄材は、磁気的に閉じ込められたプラズマコアから粒子が拡散するときに自然に生じる。廃棄粒子は、燃料（ジュウテリウム及びトリチウム）、核融合生成物（ヘリウム灰）、及び壁から放出されるより重いイオンの組み合わせである。プラズマを閉じ込めるべく、トカマクは磁場を利用する。しかしながら、粒子はゆっくりかつランダムに拡散し、最終的に、高流束のイオンに耐えるように構成される複数のダイバータ表面の一つに衝突する。
【０００３】
典型的なトカマクの一側面を通るポロイダル断面が図１に示される。トカマク１００は、トロイダルプラズマチャンバ１０１を含む。ポロイダル磁場コイルは、（電流を搬送している）プラズマを閉じ込めるポロイダル磁場を生成する。プラズマ粒子、乱流、波又は他のそのような現象の間に衝突が存在しなければ、（荷電粒子から作られる）プラズマは、（一定のポロイダル磁束１１３の線として表すことができる）磁力線に効果的に結び付けられる。プラズマは、「プラズマコア」内の一定ポロイダル磁束の線上に閉じ込められるといわれる。これは、一定磁束の線が閉じているからであり、いわゆる「閉磁束面」だからである。衝突及び他のそのようなプロセスを通して、プラズマは、プラズマコアからゆっくり拡散する。一端（通常は下端）にヌル点１１２を有する「最終閉磁束面」１１１が、閉じ込められたコアのエッジを画定する。プラズマコアのすぐ外側の磁束線（「スクレイプオフ層」）１１４は、ヌルより下にある機外の（すなわち径方向外側の）ダイバータ表面１２１（この例においてはプラズマチャンバーの下部のチャンネルの底に配置される）、及び機内の（すなわち径方向内側の）ダイバータ表面１２２という２つの表面と交差する。これらの表面上に廃棄粒子及びパワーが堆積され、その廃棄粒子及びパワーの大部分は機外のダイバータ表面に与えられる（機内と機外との正確な分離は、スクレイプオフ層内の乱流物理学に依存する）。ダイバータ表面は、（スパッタリング及び他のそのようなエロージョンプロセスを介してプラズマが高原子番号イオンによって汚染されるのを回避するべく）比較的低い原子番号の元素から構成される。これらの元素は、（トリチウムがダイバータ内に保持されるのを回避するべく）金属とされる。適切な金属は、タングステン、モリブデン、ベリリウム、鉛リチウム又はリチウムを含む。
【０００４】
第２の典型的なトカマクを通る断面が図２に示される。このトカマクは「ダブルヌル」ダイバータを有する。「ダブルヌル」ダイバータの原理は、ヌル２１１、２１２及び対応するダイバータ表面２２１、２２２、２２３、２２４がプラズマコア２１０の上側エッジ及び下側エッジの双方に設けられることを除いて、図１における「シングルヌル」ダイバータと同じである。ダブルヌル構成の利点は、各ダイバータ表面上の熱流束が、シングルヌル構成が経験する熱流束のほぼ半分となる点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０６３３４４（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の一側面によれば、トカマクプラズマ容器が与えられる。トカマクプラズマ容器は、トロイダルプラズマチャンバ、複数のポロイダル磁場コイル、上側ダイバータアセンブリ、及び下側ダイバータアセンブリを含む。複数のポロイダル磁場コイルは、実質対称なプラズマコア並びに上側及び下側ヌルを有するポロイダル磁場を与えるように構成され、当該プラズマコアの外側のスクレイプオフ層におけるイオンが、上側及び下側ヌルの一方を通過する磁場によって、上側及び下側ダイバータアセンブリそれぞれのダイバータ表面へと向けられる。上側及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、液体金属入口と、当該液体金属入口の下に配置された液体金属出口とを含む。上側及び下側ダイバータアセンブリはそれぞれが、使用時に液体金属が、ダイバータアセンブリの少なくとも一つのダイバータ表面を経由して液体金属入口から液体金属出口へ流れるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】シングルヌルダイバータを有するトカマクの断面である。
【図２】ダブルヌルダイバータを有するトカマクの断面である。
【図３】液体金属ダイバータ表面を有するトカマクの断面である。
【図４】液体金属ダイバータ表面の模式的な例示である。
【図５】液体金属機外ダイバータ表面及び固体機内ダイバータ表面を有する代替トカマクの断面である。
【図６】液体ダイバータ表面に対して可能な角度の典型的な例示である。
【図７】液体金属ダイバータ表面を有する代替トカマクの断面である。
【図８】液体金属ダイバータ表面を有するトカマクのダイバータアセンブリの断面である。
【図９】液体金属循環システムの模式的な例示である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
流動液体金属ダイバータ表面を、プラズマ容器内の温度で液体となる金属を使用することによって与えることができる。かかる表面は、プラズマにおける過渡的な高熱流束事象（例えばエッジ局在モード（ＥＬＭ））から迅速に回復し得る。しかしながら、流動液体金属ダイバータは、ダブルヌル構成で与えることが困難である。液体金属は、ダイバータの上向き表面に与えられる（その一方、先行技術のダブルヌルダイバータにとっては上側ダイバータのダイバータ表面は下向きとなる）か、又は与えるのが困難な非重力手段であって、液体金属における「負圧」に起因して不均一な流れをもたらし得る非重力手段によって下向き表面に保持されるかのいずれかでなければならない。事実上、液体金属は「天井」を流れなければならない。
【０００９】
上側ダイバータ表面が下側ダイバータ表面に対して対称でなければ、流動液体金属をしたダブルヌルダイバータを与えることができる。これは、対称磁場又は非対称磁場のいずれかによって達成することができる。非対称磁場を使用することにより、ダイバータ表面の位置決めにとって多くの設計自由度が得られるが、プラズマコアを実質対称に維持したままプラズマコアの外側に非対称磁場を与える必要性ゆえに、ポロイダル磁場コイルがさらに複雑になる。これとは対照的に、対称磁場を使用することにより、ダイバータ表面位置は厳しい制約を受けるが、ポロイダル磁場コイルの設計は簡単になる。
【００１０】
図３は、非対称磁場及びダブルヌルダイバータを有する典型的なトカマク３００の断面を示す。ここで、すべてのダイバータ表面が流動液体金属である。トカマク３００は、中心柱３０２を有するプラズマ容器を含む。トカマクは、プラズマコア自体３１１が実質対称となるように、かつ、スクレイプオフ層３１２が各ダイバータ表面に向けられるように、磁場を与えるべく構成されたポロイダル磁場コイルを含む。ダイバータ表面は、上側機内ダイバータ表面３２１、上側機外ダイバータ表面３２２、下側機内ダイバータ表面３２３、及び下側機外ダイバータ表面３２４である。各ダイバータ表面は、図４に示される構造を有し、（内側に冷却チャネルを備えた）構造支持体４０１を含む。それを経由して液体金属層４０２が流れる。この液体金属層は入口４０３から与えられて出口４０４へと排出される。入口は、液体金属が重力を受けて流れるように出口の上方に配置される。ダイバータ表面を適所に維持するべく、さらなる支持構造体３０３が設けられる。（廃棄粒子及びパワーの大部分を受ける）機外ダイバータ表面が、スクレイプオフ層３１２と、浅い角度（例えば２度の角度が文献内で広く引用されてる。これは設計公差によって設定される）で交差するように配列される。トカマクはまた、（アクティブ制御システムがプラズマを制御できるようにするべく必要な）様々なプラズマ不安定性の成長速度を低下させるように作用するパッシブ安定化プレート３０４を含む。パッシブプレートの最適位置はヌル点近くに存在し、このことは、実行する機能が異なっていてもダイバータシステムの設計において考慮する必要がある。
【００１１】
液体金属が流れる角度は、急なものから浅いものまである。実際のところ、ダイバータ表面は、部分的に下向きになるように反転させることができる。液体金属の濡れ角及び表面張力が重力を相殺することができれば、液体金属は表面の下側を流れる。これは、表面と垂直との角度に依存する。表面、液体金属及び流量の所与の組み合わせに対する臨界角が存在し、それを上回ると金属は下側を流れることができなくなる（この角度は９０°となり得る。この点において液体金属は水平下向き表面であっても濡れる）。これよりも大きな反転角度は、表面の濡れ面積を増大させることによって（例えば、表面の幾何学的形状を改変することによって、又は表面にチャネル又は追加の粗さを与えることによって）、液体金属との濡れ角が増大する表面を与えることによって、又は薄い液体金属流を使用することによって、達成することができる。
【００１２】
トカマクの動作中、電磁力が液体金属内に発生し、この電磁力を、液体金属に対する重力の影響の相殺を補助するように設計することができる。これは、電流と磁場との相互作用が重力を相殺するように、液体金属を流れる電流を与えることを含み得る。
【００１３】
図６は、所定の流量における典型的なダイバータのための許容可能角度の一例を与える。ダイバータ６００は、円弧６０１（この円弧は当該表面に直交する線の方向を表す）によって表される角度範囲に配向され得る。点Ｂと点Ｃとの間の円弧のセグメントは、表面が「一般に上向き」の箇所であり、この用語は、ここでの例において使用される。すなわち、当該表面に直交する線が、上方に延びる成分を有する（たとえ、この成分が急勾配に対する水平成分と比べて小さいとしても）。点Ａと点Ｂとの間の円弧、及び点Ｃと点Ｄとの間の円弧は、重力にかかわらず液体金属の流れが当該表面上に残るような角度で当該表面が「一般に下向き」の例を表す。ＡとＤとの間の円弧（ＢもＣも通過しない）は、液体金属が表面上に留まることができない例を表しており、これらの角度のダイバータは適切ではない。
【００１４】
表面及び液体金属の特定の構成にとって達成可能な反転角度（すなわち、垂直表面と比較した表面の角度）は、試行錯誤によって決定し得る。例えば、これは、かかる表面を作り出すことと、（使用中に予想されるものと同様の圧力、温度及び電磁条件にある）真空チャンバ内のピボットにそれを固定することと、液体金属を、当該液体金属がもはや接着しなくなるまで、一定角度範囲にわたって表面を経由して流すこととによって行うことができる。代替的に、達成可能な反転角度は、当技術分野で周知の適切なシミュレーションによって、すなわち、濡れ効果及び磁気流体力学効果を考慮した流体シミュレーションによって、決定してもよい。
【００１５】
液体金属は、径方向内向きに流れてよい。すなわち、各入口４０３を、対応出口４０４の径方向外向きに配置してよい。これにより、液体金属の表面積を流れに沿って減少させることができる（これは、ダイバータ表面が実質的に環状だからである。図３が中心柱３０２まわりに円筒対称の物体を通る断面であることに留意されたい）。これもまた、機外ダイバータ表面にとって重要となる。磁場が不在の場合、液体の厚さは流れに沿って増加し、この効果は磁場の影響をあまり受けずに生じる。これにより、ダイバータがドライアウト（すなわち、例えばＥＬＭのような過渡的高熱流束事象に起因するダイバータからの液体金属の実質的な部分が除去されること）から迅速に回復することができる。図３においてわかるように、機内ダイバータ表面３２２及び３２４に対してこれらの随意的な特徴を達成することは特に難しい（実際のところ、機内上側ダイバータ表面３２２は、いずれの特徴も有していない）。
【００１６】
図５に示される代替的な構成において、ポロイダル磁場は対称であり、機内ダイバータ表面５２１、５２３は固体金属（例えばタングステン、モリブデン、又は当業界周知の任意の他の適切な金属）から作られてよく、他の特徴は図３と同じである。固体金属が液体金属ダイバータよりも効果的ではないにもかかわらず、このことの懸念は、機内ダイバータにとって比較的少ない。これは、機内ダイバータが経験する熱流束が、機外ダイバータよりもかなり低いからである。さらなる代替例として、上側機内ダイバータ表面又は下側機内ダイバータ表面の一方のみを固体金属から作り、他方のダイバータ表面を、上述のような液体金属ダイバータ表面としてよい。  
【００１７】
対称ポロイダル磁場の使用は、固体の機内ダイバータ表面を必要としないし、逆もまた同様である。対称磁場を液体の機内ダイバータ表面とともに使用してよく、又は固体の機内ダイバータ表面を非対称磁場とともに使用してよい。
【００１８】
さらなる代替構成が図７に示される。この例において、下側ダイバータ表面３２３、３２４が図３と同じ構造を有するが、上側ダイバータ表面７２１、７２２は、上側機外ダイバータ表面が一般に下向きになるように配列される。
【００１９】
前の例では、所与のダイバータ領域の全体（例えば上側機内ダイバータ表面又は下側機外ダイバータ表面）が液体又は固体のいずれかであることが仮定された。しかしながら、必ずしもそうである必要はない。図８はハイブリッドダイバータを示す（下側ダイバータ表面のみが示されるが、同じ原理がダブルヌルダイバータにも当てはまる）。ダイバータは、機内ストライクポイントダイバータ表面８０１、機外ストライクポイントダイバータ表面８０２、機内遠方ダイバータ表面８０３、機外遠方ダイバータ表面８０４、機内プライベートダイバータ表面８０５、及び機外プライベートダイバータ表面８０６を含む。
【００２０】
ストライクポイントダイバータ表面８０１、８０２は固体であり、「ストライクポイント」、すなわちヌル８１１に対応する磁束線８１０がダイバータに突き当たる位置、に配置される。遠方ダイバータ表面８０３、８０４は、「遠方スクレイプオフ層」、すなわち機内ストライクポイントダイバータ表面の機内側、及び機外ストライクポイントダイバータ表面の機外側のそれぞれ、に配置される。機内プライベートダイバータ表面８０５及び機外プライベートダイバータ表面８０６は、「プライベート領域」、すなわち機内ストライクポイントダイバータ表面と機外ストライクポイントダイバータ表面との間、に配置される。
【００２１】
プライベートダイバータ表面と遠方ダイバータ表面との任意の（又はすべての）組み合せを、前述のように、液体金属ダイバータ表面としてもよい。この配列により、液体金属表面が与える付加的な粒子ポンピング（すなわちプラズマからスクレイプオフ層粒子を除去すること）との組み合わせにおいて、（ピーク熱流束が液体の流れを破壊する程度に十分に高い場合の）固体ダイバータ表面の高熱流束への耐性の良好なバランスが得られる。この配列が機能するのは、ダイバータ上の熱流束がストライクポイントからの距離に対してほぼ指数関数的に減衰するからである。それゆえ、ストライクポイントにおけるピーク熱流束が過度に高い場合でも、依然として液体金属ダイバータ表面を、ストライクポイントから遠方に離れたところで使用することができる。
【００２２】
一代替例として、機内ストライクポイントダイバータ表面と機外ストライクポイントダイバータ表面との間に延びる単一のプライベートダイバータ表面を設けてもよい。
【００２３】
図９は、液体金属ダイバータ表面とともに使用するための液体金属循環システムの模式的な例示である。液体金属ダイバータ９１０は、入口９１１及び出口９１２を有する。循環システムは、ポンプ９０１及びリザーバ９０２（プラス関連コンジット及びバルブ）を含む。リザーバ９０１は、重力に起因して、一定流量で液体金属を入口９１１に供給する。出口９１２から出る液体金属は、ポンプ９０１を介してリザーバ９０１に戻される。
【００２４】
代替的に、ポンプを含むがリザーバは含まないシステムを使用してもよい（このときポンプが液体金属を出口９１２から入口９１１まで直接供給する）。一般に、一定流量を与える任意の液体金属供給システムが適切である。特に、下向きダイバータ表面を設計するとき、流量は、下向き表面を配置できる角度を部分的に決定する。
【００２５】
液体金属供給源は、上述した循環システムとしてよく、外部供給源から定期的に補充されるリザーバを含んでもよい。
【００２６】
クリーニング手段及び／又はフィルタ手段を、液体金属からあらゆる廃棄物を洗浄するべく液体金属循環システム内に設けてもよい。代替的又は追加的に、循環システムは、当該循環システムから液体金属を除去するポート、及び廃棄物が存在しない液体金属と交換するポートを含んでよい。
【００２７】
リチウムは、最低原子番号である（ひいては、プラズマの汚染を最小限に抑える）から、液体金属ダイバータ表面にとって好ましい金属である。一代替例として、適切に低い原子番号を有する錫又は他の金属を使用してよい。または、錫・リチウムのような組み合わせでもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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