(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを閉じ込める真空容器内のブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、
冷却配管を備え且つ前記ブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、
前記接合基板の適宜箇所に銅あるいは銅合金製のＴ型のレールを前記ヒートシンク側に挿通して高融点ロウ材で接合し、これらレール間に前記アーマを配設して接合することを特徴とする核融合装置の第一壁。
【請求項２】
プラズマを閉じ込める真空容器内のブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、
冷却配管を備え且つ前記ブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、
前記ヒートシンクにＴ型の溝を加工し、この溝の中に銅あるいは銅合金製のＩ字型レールの一端部を挿入すると共に、他端部をヒートシンク上に突出させて前記接合基板の上面に這わせ、そのレール間に前記アーマを接合した接合基板を配設して接合することを特徴とする核融合装置の第一壁。
【請求項３】
プラズマを閉じ込める真空容器の内側に複数の遮蔽体モジュールおよびダイバータモジュールを配設して形成される遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、
冷却配管を備え且つ前記遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、
前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールの両端部に対応するヒートシンク内の冷却配管を、この冷却配管の隣の冷却配管と前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールとの間の距離よりも短い距離となる位置に取付けると共に、前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールの両端部に対応するヒートシンクの肉厚を前記両端部以外に対応するヒートシンクの肉厚よりも薄くなるように加工して階段状の段部を形成し、この段部の上にアーマを接合した接合基板を接合することを特徴とする核融合装置の第一壁。
【請求項４】
プラズマを閉じ込める真空容器の内側に複数の遮蔽体モジュールおよびダイバータモジュールを配設して形成される遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、
冷却配管を備え且つ前記遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、
前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールの両端部で、ヒートシンク上に取付け接合される接合基板の両端部分に階段状の段部を加工し、この段部の上にアーマを接合した接合基板を接合することを特徴とする核融合装置の第一壁。
【請求項５】
プラズマを閉じ込める真空容器の内側に複数の遮蔽体モジュールおよびダイバータモジュールを配設して形成される遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、
冷却配管を備え且つ前記遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、
水平部分とある曲率半径を持ったコーナ部分を有し、且つ前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールのコーナ部に対応するヒートシンクのコーナ部分の厚さを前記水平部分より厚くし、このヒートシンクのコーナ部分の上にアーマを接合した接合基板を接合することを特徴とする核融合装置の第一壁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを閉じ込めるための核融合装置に係り、特にプラズマを取り囲む真空容器、ブランケットあるいは遮蔽体の表面に設置される第一壁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トカマク型核融合装置としては、例えば図１２に示すような構成が採用されている。図１２において、１は全体がドーナツ状に形成され、且つ真空中でプラズマ２を閉じ込めるための真空容器で、この真空容器１の内側には燃料を増殖するブランケットまたは放射線遮蔽体（以下遮蔽体と称する）およびダイバータ4が設置され、またこの遮蔽体3およびダイバータ4のプラズマ2に対向する面にはプラズマ２に放射される高エネルギ粒子を受け止める防護壁（以下第一壁と称する）５が設けられている。
【０００３】
さらに、真空容器１の外周にはプラズマ２を磁場で閉じ込めて、その形状を制御するためのトロイダル磁場コイル６が複数個トーラス方向に放射状に、またポロイダル磁場コイル７が周方向に設置されている。
【０００４】
そして、これら全体はクライオスタット８の中に収納されている。
このような構成の核融合装置において、プラズマ２の核融合反応による高温、高エネルギのプラズマ２から高熱負荷、高粒子負荷に対し、真空容器１、遮蔽体３およびダイバータ４等の機器を保護する目的で、図１１に示すようにこれら機器の表面に取付けられている第一壁５は、ブロック状またはタイル状のアーマ９と冷却材を流通させる冷却配管１１を備えたヒートシンク１０とから構成されている。
【０００５】
ここで、上記アーマ９は、炉運転中に発生する荷電交換中の中性粒子等が金属壁に入射し、スパッタリング等の現象によって金属原子がプラズマの不純物として混入し、プラズマ運転に支障をきたさないように黒鉛系材料やベリリウムのような高融点で低原子番号の材料で構成されている。また、ヒートシンク１０はプラズマ中の超高温熱を良好に吸収する高熱伝導材、例えば銅または銅合金により作られている。
【０００６】
ところで、第一壁５のアーマ９は、ヒートシンク１０に確実且つ強固に被着させ、ヒートシンク１０を良好な熱吸収体として機能させるため、金属ロウにより接合されてきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の核融合装置の第一壁５において、プラズマ運転中に発生する中性子により、ヒートシンク１０が脆化するおそれがある。そのため脆化の少ない、アルミナを混入したアルミナ分散強化銅が使われる。
【０００８】
しかし、この材料を用いたヒートシンク１０とアーマ９の接合は、熱膨脹係数の相違により接合部に応力が発生し、アーマ９を直接ヒートシンク１０に接合することは難しく、その接合力を確実に確保することはできない。また、装置の大型化に伴い真空容器１内の遮蔽体３やダイバータ４の表面に取付けられる第一壁のアーマ９の数は極端に増加しており、多数のアーマを一度にヒートシンクに接合することは困難である。
【０００９】
さらに、遮蔽体３やダイバータ４は数百または数十個のモジュールあるいはセクターで構成されているため、これらのモジュールやセクターには必ずプラズマ２に対向する面に角部あるいは端部が存在し、これらの箇所にもアーマ９を取付ける必要がある。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、線膨脹係数の異なるアーマとヒートシンクを確実にロウ付け接合し、且つ角部や端部にもアーマを取付けることができる核融合装置の第一壁を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記のような課題を解決するため、次のような手段により核融合装置の第一壁を構成するものである。
請求項1に対応する発明は、プラズマを閉じ込める真空容器内のブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、冷却配管を備え且つ前記ブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、前記接合基板の適宜箇所に銅あるいは銅合金製のＴ型のレールを前記ヒートシンク側に挿通して高融点ロウ材で接合し、これらレール間に前記アーマを配設して接合する。
【００１５】
請求項２に対応する発明は、プラズマを閉じ込める真空容器内のブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、冷却配管を備え且つ前記ブランケットまたは遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、前記ヒートシンクにＴ型の溝を加工し、この溝の中に銅あるいは銅合金製のＩ字型レールの一端部を挿入すると共に、他端部をヒートシンク上に突出させて前記接合基板の上面に這わせ、そのレール間に前記アーマを接合した接合基板を配設して接合する。
【００１６】
請求項３に対応する発明は、プラズマを閉じ込める真空容器の内側に複数の遮蔽体モジュールおよびダイバータモジュールを配設して形成される遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、冷却配管を備え且つ前記遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールの両端部に対応するヒートシンク内の冷却配管を、この冷却配管の隣の冷却配管と前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールとの間の距離よりも短い距離となる位置に取付けると共に、前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールの両端部に対応するヒートシンクの肉厚を前記両端部以外のヒートシンクの肉厚よりも薄くなるように加工して階段状の段部を形成し、この段部の上にアーマを接合した接合基板を接合する。
【００１７】
請求項４に対応する発明は、プラズマを閉じ込める真空容器の内側に複数の遮蔽体モジュールおよびダイバータモジュールを配設して形成される遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、冷却配管を備え且つ前記遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールの両端で、ヒートシンク上に取付け接合される接合基板の両端部分に階段状の段部を加工し、この段部の上にアーマを接合した接合基板を接合する。
【００２０】
請求項５に対応する発明は、プラズマを閉じ込める真空容器の内側に複数の遮蔽体およびダイバータモジュールを配設して形成される遮蔽体およびダイバータの表面に取付けられ、プラズマからの高熱、高粒子負荷を受ける核融合装置の第一壁において、冷却配管を備え且つ前記遮蔽体およびダイバータの表面に設けられたアルミナ分散強化銅からなるヒートシンクと、このヒートシンク上に接合して取付けられる薄い無酸化銅からなる接合基板と、この接合基板のプラズマに対向する面に設けられる複数個のアーマとを備え、水平部分とある曲率半径を持ったコーナ部分を有し、且つ前記遮蔽体モジュールやダイバータモジュールのコーナ部に対応するヒートシンクのコーナ部分の厚さを前記水平部分より厚くし、このヒートシンクのコーナ部分の上にアーマを接合した接合基板を接合する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明による核融合装置の第一壁の第１の実施の形態を示す模式図であり、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００２２】
図１において、真空容器の内側に設けられる遮蔽体３やダイバータ４の表面に取付けられる第一壁５として、冷却配管１１を備えたアルミナ分散強化銅で構成されたヒートシンク１０にアーマ９を取付ける前に、薄い無酸素銅からなる接合基板１２に複数個のアーマ９を接合し、さらにこの接合基板１２をヒートシンク１０に接合する構成とするものである。
【００２３】
このような構成とする理由は、黒鉛系材料であるアーマ９とアルミナ分酸化銅でできたヒートシンク１０を接合する場合、線膨脹係数の相違により接合面の応力が大きくなり、接合強度が低下するためである。
【００２４】
そこで、上記のようにアーマ９を接合基板１２と接合することにより、アーマ９の接合界面応力が緩和され、またヒートシンク１０と接合基板１２とを確実に接合できる。また、複数個のアーマ９を接合基板１２に接合することにより、一度に多くのアーマ９をヒートシンク１０に接合することができる。
【００２５】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、線膨脹係数の相違による応力を緩和し、アーマ９をヒートシンク１０に接合することができ、さらに一度に多くのアーマ９をヒートシンク１０上に接合することができる。
【００２６】
図２は本発明による核融合装置の第一壁の第２の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第２の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の構成であるが、接合基板１２に複数個のアーマ９をＴｉ−Ｃｕ等の高融点ロウ材１５を用いて接合し、また接合基板１２とヒートシンク１０とは上記ロウ材よりも接合温度の低いＡｌ−Ｇｅ等の低融点ロウ材１６を用いて接合する構成とするものである。
【００２７】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、線膨脹係数の相違による応力を緩和し、アーマ９をヒートシンク１０に接合でき、さらに一度に多くのアーマ９をヒートシンク１０上に接合できると共に、低融点ロウ材１６の融点より高い温度で容易にアーマ９を交換することができる。
【００２８】
図３（ａ），（ｂ）は本発明による核融合装置の第一壁の第３の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第３の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の構成であるが、接合基板１２上にアーマ９の接合面側の各エッジに沿って切り欠き１２ａをそれぞれ設けるものである。
【００２９】
このような切り欠き１２ａを設けることにより、アーマ９のエッジと接合基板１２の接合面のエッジ位置を一致させることにより、接合面端部に発生する応力を緩和できる。
【００３０】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られ、且つ接合端部の応力の軽減を図ることができる。
図４は本発明による核融合装置の第一壁の第４の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００３１】
第４の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の構成であるが、アーマ９を接合する接合基板１２の適宜箇所にＴ字型レール１３をヒートシンク１０側に挿通してＴｉ−Ｃｕ等の高融点ロウ材で接合し、そのレール間にアーマ９を配設して接合する構成とするものである。
【００３２】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、炉稼働中に規定以上の熱負荷を受け、接合面温度が接合温度以上になった場合、接合基板１２とヒートシンク１０は剥がれるが、Ｔ字型レール１３によって接合基板１２が支持されるので、炉内にこれらの機器が落下せず、他の機器に損傷を与えることがなくなる。
【００３３】
図５は本発明による核融合装置の第一壁の第５の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第５の実施の形態においては、第１の実施の形態と同様の構成であるが、さらにアーマ９を接合するヒートシンク１０側の適宜箇所にＴ字型の溝を加工しておき、その溝の中に銅あるいは銅合金製のＩ字型レール１４の一端部を挿入すると共に、他端部をヒートシンク１０上に突出させて接合基板１２の上面に這わせ、そのレール間にアーマ９を配設して接合する構成とするものである。
【００３４】
このような構成の核融合装置の第一壁によれば、Ｉ字型レール１４がヒートシンク１０のＴ字溝に係止されているので、第４の実施の形態のようにＩ字型レール１４をヒートシンク１０に接合する必要がなく、また接合面温度が接合温度以上になった場合、接合基板１２とヒートシンク１０が剥がれても、Ｉ字型レール１４に支持されているので、炉内にこれら機器が落下せず、他の機器に損傷を与えることがなくなる。
【００３５】
図６は本発明による核融合装置の第一壁の第６の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第６の実施の形態では、アーマ９を取付ける遮蔽体モジュールあるいはダイバータセクタにおいて、その両端のヒートシンク１０内の冷却配管１１をこの冷却配管の隣の冷却配管１１よりも低い位置に取付け、この両端の冷却配管１１の配置に合せてヒートシンク１０を階段状に加工し、その段部に第１の実施の形態と同様のアーマ９を接合した接合基板１２を接合する構成とするものである。
【００３６】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、斜めに入射してくる粒子に対し、直接ヒートシンク１０の部分が晒されず、必ずアーマ９に衝突することになり、ヒートシンク部が損傷することはない。
【００３７】
図７は本発明による核融合装置の第一壁の第７の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第７の実施の形態においては、アーマ９を取付ける遮蔽体モジュールあるいはダイバータセクタの両端で、ヒートシンク１０上に接合される無酸素銅の接合基板１２の両端部分に階段状に段部を加工し、その上にアーマ９を接合し、さらに接合基板１２をヒートシンク１０に接合する構成とするものである。
【００３８】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、トロイダル方向に沿って斜めに入射してくる粒子に対し、直接ヒートシンク１０部分が晒されず、必ずアーマ９に衝突するので、ヒートシンク１０部が損傷することがなく、また接合基板１２が分割されないため、ヒートシンク１０の接合が容易になる。
【００３９】
図８は本発明による核融合装置の第一壁の第８の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第８の実施の形態においては、アーマ９を取付ける遮蔽体モジュールあるいはダイバータセクタの両端のヒートシンク１０部分にテーパ１０ａを形成し、その上面および側面部分に第１の実施の形態と同様にアーマ９を接合した接合基板１２を接合する構成とするものである。
【００４０】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、第４の実施の形態と同様にヒートシンク１０の側面部分に影響を与えることがない。
図９は本発明による核融合装置の第一壁の第９の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
【００４１】
第９の実施の形態においては、ある曲率半径を持ったコーナ部分を有し、且つアーマ９を取付ける遮蔽体モジュールあるいはダイバータセクタのヒートシンク１０部のコーナ部分に複数のテーパ面１０ｂを連接して形成し、そのテーパ面１０ｂ上に第１の実施の形態と同様にアーマ９を接合した接合基板１２を接合する構成とするものである。
【００４２】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、コーナ部分の曲面に沿って形成された連接する複数のテーパ面とすることにより、曲面部分を平面状にすることができるので、アーマ９を曲面状に加工することなくヒートシンク１０を接合することができる。
【００４３】
図１０は本発明による核融合装置の第一壁の第１０の実施の形態を示す模式図で、図１１と同一部品には同一符号を付して説明する。
第１０の実施の形態においては、ある曲率半径を持ったコーナ部分を有し、且つアーマ９を取付ける遮蔽体モジュールあるいはダイバータセクタのコーナ部分１０ｃのヒートシンク１０の厚さを水平部分より厚くし、そのコーナ部に複数のテーパ面を施し、そのテーパ面に第１の実施の形態と同様にアーマ９を接合した接合基板１２を接合する構成とするものである。
【００４４】
このような構成の核融合装置の第一壁とすれば、コーナ部のヒートシンク１０の厚さを厚くすることにより、コーナ部に沿って設置される冷却配管１１の曲率半径よりも小さい曲率半径のコーナ部が製作でき、プラズマ２からの粒子がコーナ部間の隙間に入り込むことを低減できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、接合が困難である材料間の接合ができ、且つ一度に接合するアーマの個数を削減でき、また遮蔽体モジュールやダイバータセクタのような分割された機器のエッジ部やコーナ部にもアーマを接合し、取付けることができる核融合装置の第一壁を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による核融合装置の第一壁の第１の実施の形態を示す模式図。
【図２】本発明による核融合装置の第一壁の第２の実施の形態を示す模式図。
【図３】本発明による核融合装置の第一壁の第３の実施の形態を示す模式図。
【図４】本発明による核融合装置の第一壁の第４の実施の形態を示す模式図。
【図５】本発明による核融合装置の第一壁の第５の実施の形態を示す模式図。
【図６】本発明による核融合装置の第一壁の第６の実施の形態を示す模式図。
【図７】本発明による核融合装置の第一壁の第７の実施の形態を示す模式図。
【図８】本発明による核融合装置の第一壁の第８の実施の形態を示す模式図。
【図９】本発明による核融合装置の第一壁の第９の実施の形態を示す模式図。
【図１０】本発明による核融合装置の第一壁の第１０の実施の形態を示す模式図。
【図１１】従来の核融合装置の第一壁の構成例を示す概略図。
【図１２】従来の核融合装置の構成例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１……真空容器
２……プラズマ
３……遮蔽体
４……ダイバータ
５……第一壁
６……トロイダル磁場コイル
７……ポロイダル磁場コイル
８……クライオスタット
９……アーマ
１０……ヒートシンク
１０ａ……テーパ
１０ｂ……テーパ面
１０ｃ……コーナ部
１１……冷却配管
１２……接合基板
１２ａ……切り欠き
１３……Ｔ字型レール
１４……Ｉ字型レール
１５……高融点ロウ材
１６……低融点ロウ材
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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