(57)【要約】      （修正有）【課題】核融合炉環境におけるプラズマの電磁的制御のための液体リチウム第一壁に対する方法、システム、及び装置を提供する。【解決手段】反応炉チャンバの内壁の表面上に少なくとも１つのタイルからなる少なくとも１つの層を実装するステップを含む。反応炉チャンバの内側に対向するタイル（複数可）の一部は複数のチャネルを含む。液体リチウムに電荷を印加するステップを含む。液体リチウムがチャネル内を流れ、反応炉チャンバの内側に対向するタイル（複数可）の外表面に達するように、タイル（複数可）内部の網目構造を循環させるステップを含む。タイル（複数可）と反応炉チャンバの内壁の表面との間に少なくとも１つの磁気コイルを実装するステップをさらに含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持する方法であって、
前記反応炉チャンバ（２４０）の前記内壁の表面上に少なくとも１つのタイル（７１０）の少なくとも１つの層を実装するステップと、
前記反応炉チャンバの内側に対向する少なくとも１つのタイル（７１０）の一部が複数のチャネル（７０５）を含み、且つ
前記液体リチウムに電荷を印加するステップと、
少なくとも１つのタイル（１１０、２００）に液体リチウムを流すステップと、
前記液体リチウムを前記チャネル（７０５）に流し、前記反応炉チャンバ（２４０）の内側に対向する少なくとも１つのタイル（７１０）の外表面に達するように、前記少なくとも１つのタイル（７１０）内部の網目構造に前記液体リチウムを循環させるステップと、
前記循環させた液体リチウムを前記少なくとも１つのタイル（７１０）から出力するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのタイル（７１０）内部の網目構造及び、
前記少なくとも１つのタイル（７１０）の前記チャネル（７０５）が耐高温開放気泡多孔質材料から製造される
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記耐高温開放気泡多孔質材料は発泡セラミック及び発泡金属のうちの１つであり、且つ、
前記チャネル（７０５）はソリッドセラミックストリップ（７２０）によって液圧的に且つ電気的に互いに分離されている
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記耐高温開放気泡多孔質材料は発泡セラミック及び発泡金属のうちの１つであり、且つ、
前記チャネル（７０５）はリチウムを遮断する電気絶縁被覆によって処理された発泡セラミックストリップ（７２０）によって液圧的に且つ電気的に互いに分離されている
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記方法は、前記少なくとも１つのタイル（７１０）と前記反応炉チャンバ（２４０）の内壁の表面との間に少なくとも１つの磁気コイル（１０１０）を実装するステップをさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電荷を供給するため前記少なくとも１つの電圧源（７６０）が使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つのタイル（７１０）は前記少なくとも１つのタイル（７１０）の内部に少なくとも１つの開放気泡を含み、
前記液体リチウムは前記少なくとも１つの開放気泡を介して少なくとも１つのタイル（７１０）全体を循環する
請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つのタイル（７１０）が入力プレナム（７８０）を含み、
前記液体リチウムが前記入力プレナム（７８０）を介して前記少なくとも１つのタイル（７１０）に入力される
請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのタイル（７１０）が出力プレナム（７９０）を含み、
前記液体リチウムが前記出力プレナム（７９０）を介して前記少なくとも１つのタイル（７１０）に出力される
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのタイル（７１０）内部の網目構造を循環する液体リチウムの流量が時間と共に変動する
請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記反応炉チャンバが核融合反応炉（１００）に採用される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するシステムであって、
前記反応炉チャンバの内側に対向する前記少なくとも１つのタイル（７１０）の一部が複数のチャネル（７０５）を含む少なくとも１つのタイルと、
前記少なくとも１つのタイル（７１０）の少なくとも１つの層が前記反応炉チャンバの内壁の表面に実装されている前記反応炉チャンバを含み、
前記少なくとも１つのタイルによって帯電した液体リチウムが前記少なくとも１つのタイル（７１０）に流入することが可能で、
前記少なくとも１つのタイル（７１０）によってさらに、前記液体リチウムが前記少なくとも１つのタイル（７１０）内部の網目構造を循環して、前記液体リチウムが前記チャネル（７０５）に流入し、反応炉チャンバの内側に対向する前記少なくとも１つのタイル（７１０）の外表面に達することが可能であり、且つ
前記少なくとも１つのタイル（７１０）によってさらに、前記循環した液体リチウムを前記少なくとも１つのタイル（７１０）から出力させることが可能である
システム。
【請求項１３】
反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するためのタイル（７１０）であって、
耐高温開放気孔多孔質材料と、
複数のチャネル（７０５）と、
前記タイル（７１０）の内部及び前記タイル（７１０）の前記チャネル（７０５）に帯電した液体リチウムを循環させるための前記タイル（７１０）内部の少なくとも１つの開放気泡と
を含むタイル。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
有望視されているトカマク型核融合炉のプラズマは不安定なため、要求される炉内の環境条件はきわめて厳しいものになっている。プラズマの安定性を改善するため、複数の方法が確認されている。プラズマを十分に制御するためには問題点があり、方法によっては相互の適合性が悪く、プラズマ接触面でスペースを確保するための競合が起こるため、既知の方法の組合せを実装するのは困難である。核融合エネルギー実験では、プラズマに対向する電気コイルの使用が、プラズマの不安定性の制御に有効であることが示されている。さらに、実験により、溶融リチウムはプラズマに対向可能であることが示されている。このような限界及びその他の問題点に対処するための解決策が必要となっている。
【発明の概要】
【０００２】
本発明の一態様によれば、核融合炉環境におけるプラズマの電磁的制御のための装置、システム、及び液体リチウム第一壁が提供される。本発明の一態様によれば、反応炉チャンバの第一壁の表面に液体リチウムを保持する方法が提供される。この方法は、反応炉チャンバの内壁の表面上に少なくとも１つのタイルからなる少なくとも１つの層を実装するステップを含む。一又は複数の実施形態では、反応炉チャンバの内側に対向するタイル（複数可）の一部は複数のチャネルを含む。この方法はさらに、液体リチウムに電荷を印加するステップを含む。また、この方法はタイル（複数可）への液体リチウムを流すステップを含む。加えて、この方法は、液体リチウムがチャネル内を流れ、反応炉チャンバの内側に対向するタイル（複数可）の外表面に達するように、タイル（複数可）内部の網目構造を循環させるステップを含む。さらに、この方法は循環した液体リチウムをタイル（複数可）から外に出すステップを含む。
【０００３】
既に説明したように、一又は複数の実施形態では、タイル内部の網目構造及びタイルのチャネルは、耐高温開放気泡多孔質材料から製造される。少なくとも１つの実施形態では、耐高温開放気泡多孔質材料は発泡セラミック又は発泡金属であり、さらにチャネルはソリッドセラミックストリップによって液圧的に且つ電気的に互いに分離されている。他の実施形態では、耐高温開放気泡多孔質材料は発泡セラミック又は発泡金属であり、さらにチャネルはリチウムの遮断による電気絶縁被覆によって処理される発泡セラミックストリップによって液圧的に且つ電気的に互いに分離されている。
【０００４】
少なくとも１つの実施形態では、既に説明したように、タイルは耐高温開放気泡多孔質材料から製造される。幾つかの実施形態では、耐高温開放気泡多孔質材料は発泡セラミックであり、さらにチャネルはリチウムを遮断する非導電被覆によって処理される発泡セラミックストリップによって液圧的に且つ電気的に互いに分離されている。
【０００５】
既に説明したように、一又は複数の実施形態では、開示されている方法は、タイル（複数可）と反応炉チャンバの内壁の表面との間に少なくとも１つの磁気コイルを実装するステップをさらに含む。少なくとも１つの実施形態では、電荷を供給するため少なくとも１つの電圧源が使用される。一又は複数の実施形態では、反応炉チャンバは核融合炉に使用される。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つのタイルは規格に適合しない形状を有する。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのタイルは規格に適合した形状を有する。
【０００６】
少なくとも１つの実施形態では、既に説明したように、少なくとも１つのタイルはタイル（複数可）内部に少なくとも１つの開放気泡を有し、液体リチウムはこの開放気泡（複数可）を介してタイル（複数可）内部全体に循環する。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのタイルは一定の気泡率を有する。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのタイルは多様な気泡率を有する。
【０００７】
既に説明したように、一又は複数の実施形態では、少なくとも１つのタイルは入力プレナムを有し、液体リチウムは入力プレナムを介してタイル（複数可）内へ入力される。少なくとも１つの実施形態では、入力プレナムは中空の金属片である。幾つかの実施形態では、少なくとも１つのタイルは出力プレナムを有し、液体リチウムは出力プレナムを介してタイル（複数可）外へ出力される。少なくとも１つの実施形態では、出力プレナムは中空の金属片である。一又は複数の実施形態では、少なくとも１つのタイル内部の網目構造を循環する液体リチウムの流量は時間と共に変動する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持する方法が開示されている。このシステムは少なくとも１つのタイルを含み、反応炉チャンバの内側に対向するタイル（複数可）の一部は複数のチャネルを含む。このシステムはまた反応炉チャンバを含み、少なくとも１つのタイル（複数可）の層は反応炉チャンバの内壁の表面上に実装される。さらに、このタイル（複数可）によって、帯電した液体リチウムはタイル（複数可）に流入可能となる。また、このタイル（複数可）によって、液体リチウムはタイル（複数可）内部の網目構造全体を循環し、チャネル内に流入し、反応炉チャンバの内側に対向するタイル（複数可）の外表面に達することが可能となる。さらに、このタイル（複数可）によって、循環した液体リチウムはタイル（複数可）から流出可能となる。
【０００９】
本発明の一態様によれば、反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持する方法が開示されている。このタイルは耐高温開放気泡多孔質材料から製造される。このタイルは複数のチャネルを含む。このタイルはまた、帯電した液体リチウムをタイル内部及びタイルのチャネル内で循環させるため、タイル内部に少なくとも１つの開放気泡を含む。
【００１０】
特性、機能、及び利点は、本発明の様々な実施形態で独立に実現することが可能で、さらに別の実施形態で組み合わせることもできる。
【００１１】
本発明のこれらの特徴、態様、及び利点と、その他の特徴、態様、及び利点は、下記の説明、添付の請求項、添付の図面を参照することでより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の少なくとも１つの実施形態による、トロイダル核融合炉の内部が図解されている。
【図２】本発明の少なくとも１つの実施形態による、反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイルの上面図を示している。
【図３】本発明の少なくとも１つの実施形態による、互いに隣接するように実装される図２のタイル４個の上面図を示している。
【図４】本発明の少なくとも１つの実施形態による、均一な気泡率を有する反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイルの側面断面図を示している。
【図５】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４のタイルの上面断面図である。
【図６】本発明の少なくとも１つの実施形態による、不均一な気泡率を有する反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイルの上面断面図を示している。
【図７】本発明の少なくとも１つの実施形態による、反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイルであって、液体リチウムに電荷が印加されると帯電した液体リチウムが流れるチャネルを有するタイルの側面断面図である。
【図８】本発明の少なくとも１つの実施形態による、チャネルを図解する図７のタイルの側面図である。
【図９】本発明の少なくとも１つの実施形態による、互いに隣接するように実装される図７のタイル４個の３列構成の上面図を示している。
【図１０】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図７の背後に取り付けられた２個の磁気コイルを含むトロイダル核融合炉の内部が図解されている。
【図１１】本発明の少なくとも１つの実施形態による、任意の数のタイルに沿って描かれた図１０の磁気コイルの上面図を示している。
【図１２】本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１１の磁気コイルの上面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に開示されている方法及び装置は、核融合炉環境におけるプラズマの電磁的制御のための稼動システムを提供する。特に、このシステムは核融合炉環境におけるプラズマの電磁的制御のための液体リチウム（Ｌｉ）第一壁に関する。具体的には、開示されているシステムは、核融合エネルギー炉内で液体リチウムを保持する高温高気泡率の開放気泡材料を使用し、これによって複雑な形状を有する炉内部表面の損傷を低減する。例えば、ボーイング剛性絶縁（ＢＲＩ）材料は、高温耐性と良好な材料互換性を有する開放気泡多孔質セラミックであるが、開示されているシステムで使用することができる。加えて、開示されているシステムはまた、トリチウム増殖を目的とするリチウムへの高中性子束照射を提供する。
【００１４】
ＢＲＩ材料は、セラミックファイバーを独自に組み合わせた、多孔質のセラミック製ファイバー絶縁材料で、熱伝導度がきわめて低く、低密度で高多孔質の材料を形成するように焼結されている。加えて、ＢＲＩ材料は、高い引張強度ときわめて優れた寸法安定性を示す。具体的には、ＢＲＩは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２ ）ファイバーと酸化アルミニウム（Ａｌ２ Ｏ３ ）ファイバーの組合せ、及び二酸化ケイ素ファイバーと酸化アルミニウムファイバーの融合と焼結に役立つホウ素含有粉末から製造される。ＢＲＩ材料の絶縁能の優位性は、二酸化ケイ素ファイバーと酸化アルミニウムファイバーの方向性によって提供される。ＢＲＩ材料は、きわめて低い熱伝導度を、特に厚み方向に対して示す。
【００１５】
核融合エネルギー炉内のプラズマ制御の維持には、幾つかの困難があることが知られている。中でも、プラズマは高い電力密度で不安定になることがある。液体リチウムは反応炉内のプラズマの安定に役立つことが知られている。プラズマはほとんどが陽イオンと負の電子で構成されており、プラズマのアウターシースと反応壁付近はプラズマのコア部分よりも温度が低い。シースの中イオンは、コア部分のイオンよりも、プラズマから電子を捕捉して中性原子になる確率が高い。中性原子は磁場によって閉じ込めることができないため、プラズマを閉じ込める磁場を横切り、反応炉の壁に衝突する確率が高くなる。このプロセスで、中性原子はエネルギーの一部をプラズマから壁に運ぶため、プラズマシースをわずかに冷却し、壁をわずかに加熱する。核融合プラズマでは、中性原子の大部分は水素であるが、核融合反応によって作られるヘリウム及び反応炉構造物への偶発的なプラズマの衝突によって構造物から破砕されて飛び出すことがある重元素など、他の物質が存在することがある。壁が耐高温セラミック又は金属で作られている場合、中性原子は短時間だけ壁に張り付いた後、プラズマシースの中に戻る。しかしながら、壁からプラズマシースに再び入る原子はプラズマシースと比べてきわめて温度が低いため、シース内のプラズマ温度を大幅に下げる結果となる。通常、プラズマシースはプラズマコアよりも温度が低いが、シースの温度が下がりすぎると、プラズマコアとシースとの間の温度差によって、プラズマの不安程度が増す。反応炉内壁のリチウムは内部に戻る中性原子を吸収し、これを放出しない傾向がある。壁に接触する中性原子を吸収し保持することによって、リチウムは原子が冷えた原子となってプラズマシースに戻るのを防ぎ、シースを高温に保ち、プラズマ全体がより安定化するのを助ける。
【００１６】
現在、実験では、液体リチウムは、ほぼ垂直な側壁の直上にあるチャネル（すなわち、チャネルはトーラス型反応炉の中間部分となる「赤道部」の直上に位置する）から反応炉の側壁内側に沿って緩やかに流れる。重力により、液体リチウムは所定の位置に留まることなく、チャネルから炉内壁を流れ落ち、別のチャネルとリチウムを取り除くために炉のさらに下方に配置されたによって集められる。この特有の方法は、重力によってリチウムがチャネルから炉の底部まで流れ落ちるため、炉の赤道部から底部の大部分までの側壁を覆うことができる。しかし、この方法では明らかに炉の赤道部より上方の側壁を覆うことはできない。反応炉の最も低い部分では、液体リチウムは液溜り内及び粗い水平スクリーン上でも使用されるが、いずれも方法でも上壁で効果的に適用することはできない。開示したシステムでは、液体リチウムを反応炉内壁の全表面に保持することができる。
【００１７】
反応炉壁上でリチウムの使用する場合のさらなる利点は、これが低原子番号（低Ｚ）の物質であるという点にある。反応炉の壁の鋼鉄から鉄などの高原子番号（高Ｚ）の物質がプラズマに入ると、その原子はプラズマ中のイオンから運動エネルギーを吸収することによって電子的に励起されることがある。典型的には、励起された高Ｚ物質は、電磁エネルギー（光子）の形でエネルギーを放出して余分にエネルギーを失う。プラズマはほとんどの波長の電磁エネルギーに対して透過性があるため、励起された高Ｚ物質によって放出された大部分の光子はプラズマを通り抜けて、反応炉の壁に吸収される。最終的な影響はプラズマからの全体的なエネルギー損失で、放射冷却と呼ばれている。プラズマの温度は低下し、反応炉壁の温度は上昇する。これは核融合炉反応を維持するために必要な作用とは反対の作用となる。リチウムなどの低Ｚ物質は電子の数が少ないため、エネルギーを放射する可能性がある作用が少なく、結果的に低Ｚ物質はプラズマの放射冷却を引き起こすことが比較的少ない。
【００１８】
核融合炉壁の内側でリチウムを使用するさらなる利点は、反応炉の燃料となる２つの元素のうちの１つであるトリチウムは自然界では非常に希少であるが、核融合炉によって生成される高エネルギー中性子線束にリチウムを曝露することによって効率的に作り出すことができる。したがって、反応炉内で中性子線束が最も強いプラズマの近傍領域にリチウムを配置することができるならば、リチウムからトリチウムの生成は効率的になりうる。液体リチウムは炉内の他の物質の原子に結合しやすい傾向があるため、反応炉内でのリチウムの循環は、反応炉内に純粋なリチウムを導入する効果的な方法をもたらし、リチウム内でトリチウムを生成し、反応炉からトリチウム化リチウムを汲み出し、これをリチウムからトリチウムを抽出する化学処理システムに通すことによって反応炉からトリチウムを取り除くことができ、このようにして反応炉の燃料となるとリチウム及び反応炉を再度循環させることができるきれいなリチウムを供給することができる。
【００１９】
本発明のシステムは、重力及び電磁力に抗して反応炉壁の所定の位置に液体リチウムを保持することができる開放気泡多孔質材料を利用する。加えて、プラズマから不純物を吸収するため、この材料によってシステム全体から液体リチウムをゆっくりと汲み上げることができる。本開示システムの操作中、きれいなリチウムは最初システムに汲み上げられて反応炉壁内側に入り、ここでプラズマに曝露される。この位置で、きれいなリチウムはプラズマから不純物を吸収する。不純物で汚染されたリチウムは反応炉から取り出され、リチウムからプラズマ不純物を取り除くため処理される。リチウムから不純物が取り除かれた後、きれいになったリチウムはシステムに戻され再循環される。
【００２０】
実験用トカマク及び他の型式の核融合エネルギー実験装置内部のプラズマに曝露された液体リチウムは、プラズマの安定化を支援し、プラズマが内部の高温を保つのに役立つことが示されている。しかしながら、これらの反応炉は典型的には、計測器、真空ポンプ用ポート、及び磁気コイルなどの種々のアイテム用の不連続部分及び開口部を多数有すると同時に、きわめて複雑な形状を有するように構築されていることに注意しなければならない。現在、不連続部分及び開口部をすべて有する反応炉壁の内側に液体リチウムを保持し、重力及び電磁力の影響に抗してリチウムを留まらせる効果的な方法は提案されていない。本発明は、不連続部分を備え、且つ反応炉壁表面の向き、重力及び電磁力の影響にかかわりなく、反応炉壁の所定の位置で液体リチウムをゆっくりと流し続けることができる方法を教示する。
【００２１】
これまでに、核融合プラズマに隣接する液体リチウムを用いた実験では、液体リチウムの壁を構築する方法ではなく、リチウムがプラズマに及ぼす影響に焦点が合わされてきた。液体リチウム- 水素プラズマ相互作用の実験を促進するため、５種類の特別な方法が用いられてきた。５種類の方法は次のとおりである。（１）トロイダル型反応炉の底部のトレイに配置される液体リチウムの液溜り、（２）炉の底部に水平に配置される液体リチウムで濡れた金属スクリーン、（３）帯状部分の上部から帯状部分の底部まで内表面に沿って流れ落ちる液体リチウムを有する反応炉の中央平面付近に配置されたバンド、（４）炉底部の液溜りから炉の内壁を液体リチウムが絶えず再被覆するように物理的に回転される球形及び円筒形反応炉内へのプラズマ閉じ込め、及び（５）例えば、フレーム溶射又はプラズマ溶射、及び多孔質金属を経由する溶融リチウムの汲み上げによって被覆することが可能な多孔質金属による、反応炉内側の垂直部分の部品の被覆。
【００２２】
最初に挙げた２つの方法では、反応炉底部の小さな領域に対してリチウムの面を作り出すだけで限界がある。第３の方法は反応炉中央付近の帯状部分を覆うだけで、被覆された帯状部分を維持するためには流量を増やすことが必要となる。流量を増やすには反応炉の操作に要する汲み上げ力を高めなければならないため、反応炉が生み出すエネルギーを減じる結果となる。第４の方法はトロイダル型炉では容易には採用できないが、プラズマ閉じ込めに最も効果的な形状の磁場を有する。これらの炉の建設には剛体材料が使用されるため、トロイダル型炉の壁を持続的に回転することは不可能である。加えて、第４の方法は一定に動く反応炉の内側部分が必要で、真空ポンプ用ポート、センサー、及び磁気コイルなど、炉壁内になければならないその他の装置の配置および使用を妨げる。第５の方法は、リチウムの流れをほとんど制御できないこと、多孔質材料が高Ｚ材料であること、反応炉の内側表面上での電流の制御を妨げる大面積の多孔質金属の使用などの欠点を有している。
【００２３】
本発明は、重力及び電磁力に抗して液体リチウムを所定の場所に留め、プラズマから不純物を取り除くためシステム全体を通してゆっくりと液体プラズマを汲み上げるため、高温の開放気泡スポンジ様材料（例えば、ボーイング剛性絶縁（ＢＲＩ）材料）から製造されるタイルを採用する。この方法には複数の利点がある。第１の利点は、タイルが小さなサイズで製造できることで、これにより反応炉の内面が複雑な形状であっても、トロイダル型炉の内面は液体リチウムで満たされたタイルのモザイクでタイル張りができる。第２の利点は、反応炉内にプラズマが存在する場合にタイルが曝露される高温に、タイルの材料（例えば、開放気泡を有する多孔質のセラミック）が耐えられることである。第３の利点は、タイルの材料（例えば、開放気泡を有する多孔質のセラミック）がリチウムの腐食作用に耐性があることである。第４の利点は、タイルの構成が調整可能なことで、液体リチウムの保持力及び流量に対して選択可能な細孔の大きさ及び／又は開放チャネルを作ることができる。
【００２４】
さらに、第５の利点は、プラズマ崩壊によりプラズマがタイルに激しく衝突してリチウムの外表面が蒸発するような場合でも、タイルの高い透過性によってさらに多くのリチウムをタイル表面に排出させることができる。第６の利点は、タイル自体がプラズマの衝突によって部分的にはがれた場合でも、タイルの深さによってタイルが機能し続けるため、交換が必要になるまでタイルは数回のプラズマ衝突に耐えることができる。第７の利点は、タイルの一部がプラズマによって剥離した場合でも、タイルが作られる材料の大部分は低原子量元素であるため、高原子量金属の材料よりもプラズマに及ぼす悪影響が少なくなることである。第８の利点は、タイルの一部が剥離した場合でも、剥離したタイルの部分は、単純に液体リチウムで満たされた空間となる。このように、反応炉の壁に液体リチウムを保持するように、高温多孔質材料から作られるタイルの本開示システムによる使用は多くの利点を有する。
【００２５】
核融合エネルギー実験では、プラズマに対向するように設置され、変調磁場を発生させる電気コイルは、プラズマの不安定化の制御に役立つことが示されている。しかしながら、核融合炉はきわめて厳しい内部環境を有するため、プラズマ近傍に電気コイルを配置することは実用的ではないことに注意しなければならない。上記で示唆されているように、溶融リチウムはプラズマに対向することができる１つの材料であることが実験によって示されている。本発明の一又は複数の実施形態では、プラズマに対向する電気コイルを採用する代わりに、プラズマの不安定化の制御に役立つように、プラズマに対向する電荷が液体リチウムに印加される。幾つかの実施形態では、プラズマの不安定化の制御に役立つ帯電した液体リチウムと連動して作用するように、電気コイルは液体リチウムを含む構造物の背後に設置される。
【００２６】
下記の説明では、システムのさらに徹底した説明を提供するために多数の詳細事項が記載されている。しかしながら当業者には開示されたシステムをこれらの具体的な詳細事項なしで実行可能であることは明らかであろう。その他の場合では、システムを不要にわかりにくくしないために、よく知られる特徴については詳細に説明していない。
【００２７】
図１は本発明の少なくとも１つの実施形態による、核融合炉１００の内部が図解されている。この図では、核融合炉１００がトーラス型であることがわかる。本発明のシステムは種々の型式及び形状の核融合炉で使用可能であることに注意しなければならない。核融合炉１００の第一壁は、耐高温多孔質材料から製造される小さなタイル１１０で裏打ちされている。これらの小さなタイル１１０により、液体リチウムは反応炉１００の壁表面を覆うことができる。液体リチウムは反応炉１００内部のプラズマの安定化に役立ち、プラズマ内部の高温維持に有効である。
【００２８】
図２は本発明の少なくとも１つの実施形態による、反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイル２００の上面図を示している。タイル２００は、耐高温開放気泡多孔質材料で作られており、反応炉壁２４０上に実装される。この図では、タイル２００が入力プレナム２６０及び出力プレナム２８０を含むことが示されている。入力プレナム２６０及び出力プレナム２８０は共に、単一中空の非多孔質材料片（例えば、金属）である。
【００２９】
本システムの動作時には、入力プレナム２６０を通ってタイル２００にきれいな液体リチウムが投入される。液体リチウムは入力プレナム２６０に印加される圧力、及び／又は出力プレナム２８０の位置に存在する真空によって、タイル２００の入力プレナム２６０に流れ込む。タイル２００の入力プレナム２６０に圧力を印加するシステムに採用される種々の型式のポンプには、限定しないが、プロペラポンプ、遠心ポンプ、及びピストンポンプが含まれる。きれいな液体リチウムは、タイル２００の本体２５０全体にわたる開放気泡又はチャネルからなる内部の網目構造を循環する。きれいな液体リチウムは、タイル２００の開放気泡に浸透し、高温で希薄なプラズマ２３０を封じ込める反応炉内の空洞に面したタイル２００の多孔質外表面２２０に到達する。タイル２００の本体２５０内で液体リチウムの流れる方向は矢印２７０で示されている。
【００３０】
タイル２００の多孔質外表面２２０の上に存在するきれいな液体リチウムは、プラズマ２３０の不純物を吸収する。新たに不純物を含んだこの液体リチウムは、出力プレナム２８０を経由してタイル２００から取り除かれる。タイル２００から不純物を含んだ液体リチウムが取り除かれた後、液体リチウムから不純物を取り除くため、この液体リチウムは処理される。その結果きれいにされた液体リチウムはシステムに再循環される。
【００３１】
代替的な実施形態では、タイル２００は図２に描かれているような入力プレナム２６０及び／又は出力プレナム２８０を明確に含まないことがあるが、その代わり、液体リチウムをタイル２００に入力する及び／又はタイル２００から出力するための少なくとも１つの開放気泡又はチャネルをタイル内部に有することに注意しなければならない。
【００３２】
図３は本発明の少なくとも１つの実施形態による、図２のタイル３１０を４個互いに隣接するように実装した構成３００の上面図を示している。この図では、タイル３１０が反応炉壁３３０の曲面に沿って互いに隣接するように実装可能であることが示されている。この構成でタイル３１０を実装する場合には、プラズマ３２０を含む反応炉内の空洞に面したタイル３１０の多孔質の外表面３４０が曲面を形成することが示されている。
【００３３】
図４は本発明の少なくとも１つの実施形態による、均一な気泡率を有する反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイル４１０の側面断面図を示している。この図では、タイル４１０が入力プレナム４３０及び出力プレナム４４０を有することが示されている。タイル４１０はまた、一様な気泡率４２０を有するように製造されることが示されている。加えて、タイル４１０の本体内で液体リチウムの流れる方向はこの図の矢印４５０で示されている。
【００３４】
図５は本発明の少なくとも１つの実施形態による、図４のタイル４１０の上面断面図である。この図は単純に、一様な気泡率４２０を有するタイル４１０の別の断面図を示している。加えて、幾つかの実施形態では、タイル４１０の側面領域５１０、５２０は、入力プレナム４３０及び出力プレナム４４０の製造に使用される同一の非多孔質材料で製造される。
【００３５】
図６は本発明の少なくとも１つの実施形態による、不均一な気泡率を有する反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイル６１０の上面断面図を示している。この図では、タイル６１０が入力プレナム６３０及び出力プレナム６４０を有することが示されている。タイル６１０はまた、一様な気泡率６２０を有するように製造されることが図解されている。この図では、タイル６１０の本体の気泡率は、プラズマ６７０に面したタイル６１０の外表面６６０から入力及び出力プレナム６３０、６４０まで、徐々に減少することが示されている。またこの図では、矢印６５０はタイル６１０の本体内で液体リチウムの流れる方向を示している。
【００３６】
図７は本発明の少なくとも１つの実施形態による、反応炉チャンバの内壁の表面に液体リチウムを保持するための１つのタイル７１０であって、液体リチウムに電荷が印加されると帯電した液体リチウムが流れるチャネル７０５を含むタイル７１０の側面断面図である。図７のタイルは、流れるリチウムを含む気泡領域がプラズマ７７０に曝露される多数のチャネル７０５に分割されている点で、図２及び４に示した基本的なタイル構成とは異なる。プラズマに面する領域では、リチウムチャネル７０５は互いに電気的に絶縁されている。プラズマに面する領域への入出力点では、チャネル７０５は物理的に接続され、これによってチャネルを電気的及び液圧的に平行にする。代替的な実施形態では、チャネル７０５はタイル７１０の内部深くまで構築され、電気的に絶縁された「帰還」チャネルを有することができ、これによってプラズマに面するチャネル７０５は電気的及び液圧的に連続することができる。
【００３７】
図４の基本タイル構成は、液体リチウムが流れる導電性の（例えば金属の）気泡又は電気絶縁された（例えばセラミックの）気泡で製造可能な一体型の気泡タイル４１０からなる。図７のタイル７１０に関しては、タイル７１０のプラズマに面する部分は、内部を液体リチウムが流れるチャネル７０５に分割されていて、互いに電気的に絶縁されている。タイル７１０に電気的に絶縁されたチャネル７０５の製造を可能にする方法は幾つかある。第１の方法は、リチウムが流れるセラミック又は金属の気泡ストリップ（細長い一片）７０５の領域を有するようにタイル７１０の表面を加工する方法である。これらの領域７０５は中実のセラミックストリップ７２０によって液圧的及び電気的に分離され、これによってリチウムチャネル７０５を互いに電気的に絶縁し、内部から導電性リチウムを排除することができる。
【００３８】
電気的に絶縁されたチャネル７０５をタイル７１０に製造することができる第２の方法は、リチウムが流れるセラミック又は金属の気泡ストリップ７０５を有するようにタイル７１０の表面が加工される第１の方法と同様の方法である。これらの領域７０５は、リチウムが内部に浸透するのを防ぐように処理されたセラミックの気泡ストリップ７２０によって分離されている。この処理自体は電気的に絶縁されていなければならない。処理された領域にリチウムが浸透するのを防ぐこと、及びセラミックの絶縁特性を維持することで、この処理によってストリップ７２０はリチウムチャネル７０５を電気的及び液圧的に絶縁することができる。
【００３９】
電気的に絶縁されたチャネル７０５をタイル７１０に製造することができる第３の方法は、タイル７１０の表面をセラミック気泡から完全に加工する方法である。気泡の中では、細いストリップ７２０はリチウムをブロックする非導電性被覆によって処理され、これによって液体リチウムがこれらの領域を濡らして透過するのを防ぐ。液体リチウムは、処理済みストリップ７２０の間の未処理ストリップ７０５内を自由に流れる。
【００４０】
電気的及び液圧的に絶縁されたストリップ７０５にリチウムを封じ込める理由は、タイル７１０の表面上に液体リチウムの平行な「ワイヤ」の配列を作るためである。ワイヤ７０５は、リチウムチャネル７０５が十分に確定された領域と方向に電流を運ぶように印加される電圧を有する。このチャネル構成により、リチウム内の電流はタイル７１０に隣接するプラズマ７７０に制御された磁場を生成することができる。
【００４１】
図７では、タイル７１０に、タイル７１０のリチウムの入力７３０及び出力７４０を可能にするプレナム７８０、７９０又は配管の一種が取り付けられていることがわかる。入力配管７８０及び出力配管７９０は、それぞれ電圧源７６０に接続されており、電気回路の一部となっている。このように、入力プレナム７８０および出力プレナム７９０は相互にまた周囲から電気的に絶縁されるように製造される。
【００４２】
動作中、液体リチウムは熱的に調節されているが、電気的に絶縁された貯蔵容器（図示せず）に集積される。リチウムはポンプ（図示せず）によって貯蔵容器から入力配管７８０に汲み上げることによって、又は貯蔵容器内のリチウムの上方の空間でガスを加圧することによって、貯蔵容器から汲み上げられる。入力配管７８０の最初部分７５０は外界から電気的に絶縁されているか、セラミックチューブなどの絶縁材料で製造される。タイル７１０の液圧的経路のある点で、入力配管７８０のセクション７５５は金属などの導電性材料で製造され、電源７６０（例えば、この図に示したような可変な電圧源７６０）に電気的に接続されている電源７６０はリチウムに投入される電流を供給する。電気の基点から、入力配管７８０の最終部分７６５は絶縁されており、タイル７１０の内部へ液体リチウムを運ぶ。
【００４３】
タイル７１０に流入した後、液体リチウムはタイル７１０の平行なチャネル７０５を流れる。チャネル７０５内部の液体リチウムの流れる方向はこの図の矢印４５０で示されている。液体リチウムは次に帰還配管７９０に入る。この配管７９０は大部分が絶縁されている（すなわち、領域７７５及び７９５）が、１つの導電部分７８５を有し、電気回路の帰還経路に接続される（すなわち、電源７６０の他方の端子に接続される）。電気的な帰還点が設備の接地電位にある場合には、リチウムは任意の熱交換器に入ること、又はリチウムを入力用貯蔵容器（図示せず）に再投入可能となる前に必要とされるフィルタ処理／洗浄処理に入ることができる。入力用貯蔵容器へのリチウムの再投入は、リチウムの投入（接地電位で行われる）が接地電位にある貯蔵容器の投入口と貯蔵容器の底にある液体リチウム（タイル７１０への投入の電位にある）との間に導電経路を形成することがないよう、滴下などの幾つかの手段によって行うことが必要となる。絶縁パイプに流入するリチウムに絶縁障壁（すなわち、泡）を挿入する圧縮空気処理はまた、リチウムが絶縁パイプの壁を濡らさないかぎり、滴下によって実現される電気絶縁と同様に、流入するリチウムと流出するリチウムとの間に電気絶縁を実現することが可能である。
【００４４】
リチウムの電気回路が入力時に接地電位を超える電圧及び帰還時に接地電位を下回る電圧から動作する場合など、電気的な帰還点が設備の接地電位にない場合には、電気的な帰還点を離れるリチウムはまた、滴下などのプロセスを経なければならず、これによって戻ってくるリチウムを熱交換器並びにフィルタ処理又は洗浄機器から電気的に絶縁する。このシステムでは、調整後、設備の接地電位にあるリチウムは、前の方法で行ったように、入力用貯蔵容器の底に到達する前に再度電気絶縁を経なければならない。
【００４５】
リチウムを含むタイル７１０に戻ると、この特別なタイル７１０の設計は３つの重要な特徴を有することに注意しなければならない。この設計の第１の重要な特徴は、リチウムが満たされた領域７０５（すなわち、チャネル７０５）とリチウムが存在しない領域７２０の幾何学的配置により、リチウム回路に印加される電流はすべて、印加される電圧の極性に応じて、リチウム自体の流れと平行に又は逆平行に流れざるを得ない点にある。この設計の第２の重要な特徴は、反応炉のプラズマに対向する壁の表面上の閉じたリングに一連のタイル７１０を配置することによって、タイル７１０のすべての電流によって生成される局所磁場を加算することによって、プラズマ７７０の操作に使用しうる最終的に大きな磁場が生成される点にある。この設計の第３の重要な特徴は、プラズマ制御電磁石（例えば、電磁石コイル）とプラズマ７７０（図１０、１１、及び１２を参照）との間にタイル７１０が配置される場合には、タイル７１０の表面電流経路はプラズマ制御磁石の電流と向きが揃えられ、且つタイル７１０の表面電流と磁石の電流は平行になり、液体リチウムの電流はプラズマ制御磁石によって生成される磁場を増強し、一方で液体リチウム内に制御された外部からの印加電流がない場合には、導電性液体リチウムはプラズマ制御磁石の電流の変化に応じて逆向きになる局所的な電流を支援する点にある。
【００４６】
図８は本発明の少なくとも１つの実施形態による、チャネル７０５を図解する図７のタイル７１０の側面図である。この図では、チャネル７０５は細いストリップ７２０によって絶縁されることが示されている。液体リチウムはチャネル７０５の中を矢印７４０で示される方向に流れる。
【００４７】
図９は本発明の少なくとも１つの実施形態による、互いに隣接するように実装される図７のタイル７１０を４個ずつ３列に並べた構成９００の上面図を示している。この図では、タイル７１０が反応炉壁の曲面に沿って互いに隣接するように列を成して実装可能であることが示されている。この構成でタイル７１０を実装する場合には、プラズマ７７０を含む反応炉内の空洞に面したタイル７１０の多孔質の外表面が曲面９１０を形成することが示されている。
【００４８】
本発明の一又は複数の実施形態では、タイル７１０の複数の列は反応炉チャンバの内壁の表面上に実装可能である。図９のタイル７１０の各列に対して示されているように、タイル７１０は液圧的に及び電気的に連続して結合することが可能で、これによって、１つのタイル７１０の出力配管は別のタイル７１０の入力配管に接続され、タイル７１０の各列の一端は入力配管７８０を介して電源（図示せず）のプラス端子に接続され、タイル７１０の各列の対向端は帰還配管７９０を介して電源（図示せず）のマイナス端子に接続されることが示されている。代替的な実施形態では、１列に並んだタイル７１０の各々は、特定のタイル７１０に対して分離された専用の電源に接続可能である。何個のタイルを連続して接続できるかは、リチウムを汲み上げるのに必要な圧力、リチウムを流れる所要電流の駆動に必要な電圧、及び配管及び電気接続に関してリチウムタイル７１０にアクセスする難易度に応じて決まる。
【００４９】
図１０は本発明の少なくとも１つの実施形態による、図７のタイル７１０の背後に取り付けられた２個の磁気コイル１０１０を含むトロイダル核融合炉の内部が図解されている。既に説明したように、プラズマの不安定化の制御に役立つ帯電した液体リチウムと連動して作用するように、電気コイル１０１０は帯電した液体リチウムを含むタイル７１０の背後に設置される。電気コイル１０１０は、限定しないが、銅合金材料を含む種々の材料から製造可能である。この図では、タイル１０２０は背後に磁気コイル１０１０を取り付けないように示されている。
【００５０】
図１１は本発明の少なくとも１つの実施形態による、任意の数のタイル７１０、１０２０に沿って描かれた図１０の磁気コイル１０１０の上面図を示している。この図では、磁気コイル１０１０は任意の数のタイル７１０の背後に帯電した液体リチウムを含むチャネル７０５が設置されることが示されている。磁気コイル１０１０の電流の方向は矢印１０３０で示されている。この図では、背後に設置される磁気コイル１０１０を有していないタイル１０２０は、チャネル７０５を含まない図４のタイル４１０の型式であることが示されている。しかしながら、他の実施形態では、背後に設置される磁気コイル１０１０を有していないタイル１０２０は、チャネル７０５を有していない図４のタイル４１０の型式及び／又はチャネル７０５を有する図７のタイル７１０の型式であってもよい。
【００５１】
図１２は本発明の少なくとも１つの実施形態による、図１１の磁気コイル１０１０の上面断面図である。この図では、磁気コイル１０１０は、チャネル７０５を含む任意の数のタイル７１０と反応炉チャンバの内壁１２１０（例えば、合金鋼壁）との間に実装されることが示されている。タイル７１０のチャネル７０５内の液体リチウムを流れる電流の向きは矢印１２２０で示されており、磁気コイル１０１０の電流の向きは矢印１０３０で示されている。
【００５２】
特定の実例となる実施形態及び方法を本明細書に開示してきたが、前述の開示内容から、当業者には本発明の誠の精神及び範囲から逸脱することなく上記実施形態及び方法に変更及び修正を加えることが可能であることが理解されるであろう。その他多数の本発明の実施例があり、各例はその詳細事項においてのみ他と異なる。したがって、本発明は添付の請求項及び適用法の規則及び原理で要求される範囲にのみ制限されることを目的としたものである。
【符号の説明】
【００５３】
１００    核融合炉
１１０、２００、３１０、４１０、６１０、７１０、１０２０    タイル
２２０、３４０、６６０、９１０    多孔質外表面
２３０、３２０、６７０、７７０    プラズマ
２４０    反応炉チャンバ
２５０    タイルの本体
２６０、４３０、６３０、７８０    入力プレナム
２７０、４５０、６５０    液体リチウムの流れる方向
２８０、４４０、６４０、７９０    出力プレナム
３００    タイル４個を隣接させた構成
４２０、６２０    一様な気泡率
５１０、５２０    タイルの側面領域
７０５    チャネル
７２０    セラミックストリップ
７３０    リチウムの入力
７４０    リチウムの出力
７５０    最初部分
７５５    セクション
７６０    電源
７６５    最終部分
９００    タイル4個を３列に並べた構成
１０１０    磁気コイル
１０３０、１２２０    電流の向き
１２１０    反応炉チャンバの内壁
【図１】
2013127457.tif 000002
【図２】
2013127457.tif 000003
【図３】
2013127457.tif 000004
【図４】
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【図５】
2013127457.tif 000006
【図６】
2013127457.tif 000007
【図７】
2013127457.tif 000008
【図８】
2013127457.tif 000009
【図９】
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【図１０】
2013127457.tif 000011
【図１１】
2013127457.tif 000012
【図１２】
2013127457.tif 000013
【外国語明細書】
2013127457000001.pdf
2013127457000002.pdf
2013127457000003.pdf
2013127457000004.pdf