(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイバータ装置を有する核融合炉内部の少なくともセパラトリックス磁気面近傍の物理的な周辺プラズマ・パラメータを測定する周辺プラズマ・パラメータ測定手段と、
この周辺プラズマ・パラメータ測定手段の測定出力に応じて前記核融合炉内部に不純物を注入し、前記セパラトリックス磁気面近傍のプラズマ密度を制御する制御手段と
を具備したことを特徴とする核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項２】
前記核融合炉内部に注入される不純物は、不純物ガスからなり、該不純物ガスの輻射によりダイバータ装置の熱負荷を制御することを特徴とする請求項１記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項３】
前記不純物ガスは、あらかじめ水素ガスまたはヘリウム・ガスで希釈して注入することを特徴とする請求項２記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項４】
前記不純物ガスは、水素ガスまたはヘリウム・ガスにより不純物濃度を調節して注入することを特徴とする請求項３記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項５】
前記不純物ガスは、少なくとも２種類以上の不純物ガスを注入することを特徴とする請求項２記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項６】
不純物ガスとしてヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、炭化水素化合物のうち少なくとも２種類以上のガスを用いることを特徴とする請求項５記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項７】
前記少なくとも２種類以上の不純物ガスは、あらかじめ適当な比率で混合したものからなることを特徴とする請求項５記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項８】
前記核融合炉内部に注入される不純物は、２種類以上の不純物ガスを混合させて液体化または固体化したもの、または固体化した２種類以上の不純物ガスを均一に混合したもの、もしくは多層状に被覆したものからなることを特徴とする請求項１記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項９】
少なくとも２種類以上の不純物は、所定の温度範囲において、放射冷却率の温度依存性が平坦、もしくは単調増加になるような割合で混合したことを特徴とする請求項８記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【請求項１０】
前記核融合炉内部の炉心プラズマの表面付近において、磁力線がトーラスの大円方向に向いている磁気中性点の近傍に、１種類以上の不純物を注入することを特徴とする請求項１記載の核融合炉のダイバータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイバータ装置を有する核融合炉に用いられるダイバータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
核融合炉では発生した核融合出力の約４／５は中性子の運動エネルギーとなってブランケット部に入射するが、残りの約１／５はダイバータと呼ばれる装置に流入する。しかし、このようなダイバータ装置の受熱面積はブランケットの表面積に比べて極めて小さいため、大きな熱負荷を受けることになる。
【０００３】
そこで、従来、ダイバータ装置での熱負荷を低下させるために、核燃焼に対する寄与の小さな炉心プラズマの表面付近や周辺プラズマ領域（炉心プラズマの境界となるセパラトリックス磁気面の外側領域）に燃焼を妨げる不純物（例えば、アルゴン、ネオンなどの希ガス）を注入して放射パワー損失により熱負荷を分散させる方法がとられる。
【０００４】
ところが、炉心プラズマに何らかの異常が生じて核融合出力が上昇したような場合、ダイバータ装置への流入パワーがさらに増加し、ダイバータ装置の熱負荷が許容可能な範囲を越えて増加することがある。このような場合、炉心プラズマに不純物を注入して出力を下げる方法が提案されているが、投入された不純物はプラズマ中で複雑なふるまいをするため、ダイバータ装置での熱負荷を適切に制御することは困難であり、また、一度注入された不純物は簡単には排気されないので不純物の濃度を上げることは容易であるが下げることが困難であるという問題があった。
【０００５】
一方、ダイバータ装置での熱負荷は核融合出力のみでは決まらず、セパラトリックス磁気面の温度や密度など周辺プラズマのパラメータにも大きく依存する。このため、例えば核融合出力が一定であっても何等かの原因で周辺プラズマの密度が低下するとダイバータ装置の熱負荷が増加して装置全体が損傷する可能性があった。
【０００６】
このため、このようなダイバータ装置を制御するためのダイバータ制御装置は、これら全ての問題点に対処可能なことが要求されていたが、これまでのものは、核融合出力が増加した場合しか考慮されておらず、周辺プラズマの密度が低下した場合には適切な処置を取ることができなかった。また、ダイバータ装置の熱負荷が異常に上昇した場合には、これまでは炉心プラズマに不純物を注入するなどして出力を低下させるか、炉を緊急停止するなどの方法がとられていたが、炉の出力が変動することは望ましくないし、炉を停止した場合には再起動に大きなパワーを必要とするという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来のダイバータ制御装置では、核融合出力は一定であるが周辺プラズマ温度が増加した場合や周辺プラズマ密度が減少した場合にダイバータ装置の各機器が大きな損傷を受けるおそれが生じ、また、核融合出力は一定であるが周辺プラズマの密度が低下した場合にダイバータ装置の熱負荷の増加を避けるために炉心プラズマを冷却して出力を低下もしくは停止させる必要があるが、炉を停止した場合には再起動に大きなパワーを必要とするという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、核融合炉の出力を変動させることなくダイバータ装置の熱負荷を過度に増加させないように制御できるダイバータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ダイバータ装置を有する核融合炉内部の少なくともセパラトリックス磁気面近傍の物理的な周辺プラズマ・パラメータを測定する周辺プラズマ・パラメータ測定手段と、この周辺プラズマ・パラメータ測定手段の測定出力に応じて前記核融合炉内部に不純物を注入し、前記セパラトリックス磁気面近傍のプラズマ密度を制御する制御手段とを具備したことを特徴としている。
【００１０】
このようにすれば、ダイバータ装置での熱負荷が増加したときも、この熱負荷を容易に制御できる。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記核融合炉内部に注入される不純物は、不純物ガスからなり、該不純物ガスによる輻射によりダイバータ装置の熱負荷を制御することを特徴としている。
【００１２】
このようにすれば、ダイバータ装置の熱負荷を適正な範囲で維持することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、前記不純物ガスは、あらかじめ水素ガスまたはヘリウム・ガスで希釈して注入することを特徴としている。
【００１４】
このようにすれば、水素ガスまたはヘリウム・ガスによる希釈により精度よく不純物を注入することができる。
【００１５】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明において、前記不純物ガスは、水素ガスまたはヘリウム・ガスにより不純物濃度を調節して注入することを特徴としている。
【００１６】
このようにすれば、不純物ガスの不純物濃度を調節することで、精度よく不純物を注入することができる。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、前記不純物ガスは、少なくとも２種類以上の不純物ガスを注入することを特徴としている。
【００１８】
このようにすれば、２種類以上の不純物ガスを注入することで、より細かな制御ができる。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の発明において、不純物ガスとしてヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、窒素、炭化水素化合物のうち少なくとも２種類以上のガスを用いることを特徴としている。
【００２０】
このようにすれば、放射パワーによって熱を分散させダイバータ装置のピーク熱負荷の増加を抑制できる。
【００２１】
請求項７記載の発明によれば、請求項５記載の発明において、前記少なくとも２種類以上の不純物ガスは、あらかじめ適当な比率で混合したものからなることを特徴としている。
【００２２】
このようにすれば、不純物ガスを適当な比率で混合することで、冷却特性を改善し、ダイバータ装置でのピーク熱負荷の増加を抑制できる。
【００２３】
請求項８記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記核融合炉内部に注入される不純物は、２種類以上の不純物ガスを混合させて液体化または固体化したもの、または固体化した２種類以上の不純物ガスを均一に混合したもの、もしくは多層状に被覆したものからなることを特徴としている。
【００２４】
このようにすれば、注入場所をより正確に選択でき、効率よくダイバータ装置でのピーク熱負荷の増加を抑制できる。
【００２５】
請求項９記載の発明によれば、請求項８記載の発明において、少なくとも２種類以上の不純物は、所定の温度範囲において、放射冷却率の温度依存性が平坦、もしくは単調増加になるように割合で混合したことを特徴としている。
【００２６】
このようにすれば、プラズマ温度の不安定性が解消され、ダイバータ熱負荷の制御性が改善される。
【００２７】
請求項１０記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記核融合炉内部の炉心プラズマの表面付近において、磁力線がトーラスの大円方向に向いている磁気中性点の近傍に、１種類以上の不純物を注入することを特徴としている。
【００２８】
このようにすれば、プラズマを緊急停止する場合に、磁気中性点近傍に不純物を正確に注入することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のダイバータ制御装置を適用した核融合炉の概略構成を示している。この場合、図１では核融合炉のトーラス状の炉心部分の副軸（トーラス大円方向）に垂直な断面図を示している。
【００３１】
このような核融合炉では、真空容器２の内部に高温のプラズマ１を、磁場を用いて容器壁から離して保持している。この高温のプラズマ１は、燃焼生成物を排気する機能を備えたダイバータ装置３内部に設置され特別に冷却されたターゲット板４を介して真空容器２に接しており、他の部分では真空容器２の内壁に接しないように特別の形状の磁気面（以下、セパラトリックス磁気面と呼ぶ。）５によって区切られている。この場合、プラズマ１は、セパラトリックス磁気面５の内側を炉心プラズマ１ａ、セパラトリックス磁気面５の外側を周辺プラズマとし、また、周辺プラズマ１ｂのうち、ダイバータ装置３内をダイバータ・プラズマ１ｃとしている。また、セパラトリックス磁気面５上でダイバータ領域の入口付近には磁場が完全に副軸方向（トーラス大円方向）を向いた特異点があり、この点を磁気中性点８（ヌル点またはＸ点）としている。この磁気中性点８は、実際はトーラスを一周するリング状の領域である。
【００３２】
炉心プラズマ１ａは、主として重水素もしくは三重水素からなる燃料と、核融合反応による核燃焼で発生したヘリウム灰で構成され、真空容器２の内壁から発生した不純物が微量に混入している。この不純物の量が多くなると線輻射による放射パワー損失や燃料の希釈等のために核燃焼を維持できなくなるが、後述のように炉心プラズマに何等かの異常が発生して核融合出力が過度に上昇したような場合は外部から意図的に不純物を注入し燃焼を抑制または停止させる場合もある。また、核融合反応は主に炉心プラズマ１ａの領域で起こり、周辺プラズマ１ｂの領域の密度や不純物混入割合などのパラメータはほとんど核融合出力に影響しないが、ダイバータ装置での熱負荷は、周辺プラズマ１ｂの温度や密度などの物理的なパラメータに大きく依存する。
【００３３】
真空容器２周面には、周辺プラズマ１ｂやダイバータ・プラズマ１ｃのそれぞれの領域に対応させて周辺プラズマ・パラメータ測定器９が配置されている。これら周辺プラズマ・パラメータ測定器９は、核融合出力のみならず、セパラトリックス磁気面５近傍のプラズマの密度や温度などの物理的な周辺プラズマ・パラメータを測定するものである。、
これら周辺プラズマ・パラメータ測定器９には、制御装置１０が接続されている。この制御装置１０には、アルゴン・ガス、水素ガス、ヘリウム・ガスまたは希ガスなどの不純物ガスを各別に保持した不純物ガス保持装置１１のそれぞれの不純物ガス弁１５を開閉制御するための弁開閉駆動装置１４が接続されるとともに、ガス・リザーバー１２の混合ガス注入弁１７を開閉制御するための弁開閉駆動装置１６が接続されている。制御装置１０は、周辺プラズマ・パラメータ測定器９の測定信号をもとに各不純物ガス保持装置１１からの不純物ガスをガス・リザーバー１２で混合し、制御ガス注入装置１３により真空容器２内部の周辺プラズマ１ｂやダイバータ・プラズマ１ｃのそれぞれの領域に制御用の混合ガスを注入するようにしている。なお、図中の点線は周辺プラズマ・パラメータ測定器９の測定信号の流れを、太い実線は不純物ガス保持装置１１からの不純物ガス等の流れを示す。
【００３４】
次に、このように構成した実施の形態の動作を説明する。
【００３５】
この場合、周辺プラズマ１ｂやダイバータ・プラズマ１ｃのそれぞれの領域において、周辺プラズマ・パラメータが変化したような場合、周辺プラズマ・パラメータ測定器９の測定信号が制御装置１０に入力すると、制御装置１０より弁開閉駆動装置１４、１６に制御指令が出力され、不純物ガス弁１５を介して不純物ガス保持装置１１よりアルゴン・ガス、水素ガス、ヘリウム・ガスまたは希ガスなどの不純物ガスがガス・リザーバー１２に送られる。そして、ガス・リザーバー１２で混合された混合ガスは、混合ガス注入弁１７を介して制御用ガスとしてガス注入装置１３により真空容器２内部の周辺プラズマ１ｂやダイバータ・プラズマ１ｃのそれぞれの領域に注入され、この時の不純物ガスによる輻射により、流入パワーが制御され、ダイバータ装置３のターゲット板４の熱負荷が制御される。
【００３６】
この場合の制御用ガスは、ダイバータ熱負荷の制御やプラズマ異常時のダイバータ・プラズマ冷却やプラズマ緊急停止などの目的に応じて、複数種類の不純物ガスを保持した不純物ガス保持装置１１の種々の不純物ガスをガス・リザーバー１２により所定の比率で混合することにより生成される。
【００３７】
ちなみに、図２は、典型的なトカマク核融合炉の設計例である国際熱核融合実験炉ITERにおいて、核融合出力が１．５ＧＷで一定の場合に、炉心プラズマの境界であるセパラトリックス磁気面５上でのプラズマ密度ｎｓとダイバータ装置内のターゲット板４上でのピーク熱負荷の関係をシミュレーション計算により求めた結果を示したものである。図には周辺プラズマ中の１一種類の不純物原子（アルゴン：Ａｒ）の割合を変化させたときの結果を同時に示してある。図において、不純物原子が存在しない場合（Ａｒ＝０．０％）に注目すると、核融合出力が一定、すなわち周辺プラズマ領域に流入するパワーが変化しない場合でも、セパラトリックス密度ｎｓが大きくなるにしたがってピーク熱負荷が低下していく様子がわかる。これは逆に核融合出力が一定で変化しない場合でも、何等かの原因で周辺プラズマ密度が低下した場合にダイバータ熱負荷が増加して機器が損傷する可能性があることを示している。
【００３８】
そこで、周辺プラズマ中にアルゴン原子を０．５％（Ａｒ＝０．５％）および１％（Ａｒ＝１．０％）をそれぞれ混入した場合について調べたところ、同図に示すように周辺プラズマ密度が一定でも不純物の混入率が大きくなるほど急激に熱負荷が低下することが確認された。また、クリプトンやキセノンなど、さらに原子番号の大きな不純物原子の場合はさらに小量の不純物で熱負荷が減少する。これは、ダイバータ装置の熱負荷は微量の不純物原子で大きく変化することを意味しており、機器の健全な運転の観点から不純物量の精度の高い調節が重要であることを意味している。このためには冷却性能の高い不純物ガスを直接に微量を注入するのではなく、不純物ガスを例えば水素ガスやヘリウム・ガスで希釈するなどして不純物濃度を調節して注入することが有効である。例えば、１％のアルゴン・ガスを注入する代わりに、ヘリウム・ガスで１０％に希釈したアルゴン・ガスを周辺プラズマ領域の密度の１０％まで注入することにより、１％のアルゴン・ガスを精度よく注入することができる。
【００３９】
また、図３は、いろいろな種類の不純物ガスの原子１個あたりの放射冷却パワーの電子温度依存性を周囲にあるプラズマ電子１個あたりの値（放射冷却率）で示したものである。図中、Ａｒはアルゴン・ガス、Ｋｒはクリプトン・ガス、Ｘｅはキセノン・ガス、Ａｒ＋Ｋｒ＋Ｘｅは、これらの混合ガスである。そして、この図からわかるように単一種類のガスの冷却パワーは、原子核周辺の電子の状態に依存するため、電子温度によって大きく変化してしまい、このため、不純物ガスをプラズマ中に注入した場合、プラズマ温度が低下すると冷却率が増加してさらにプラズマ温度が低下する場合、あるいはその逆の場合があり、一種の不安定性を示す可能性が高い。そこで、アルゴン（Ａｒ）とクリプトン（Ｋｒ）とキセノン（Ｘｅ）を適当な比率で均一に混合させた場合（図中Ａｒ＋Ｋｒ＋Ｘｅで示した線）、広い温度範囲において放射冷却率の温度依存性がおおむね平坦、または単純増加するようになる。この場合、アルゴン・ガスの分量１に対してクリプトン・ガスを０．２、キセノン・ガスを０，３の割合で混合したガスに対する冷却率を示しているが、多数の不純物ガスを組み合わせることで冷却率が所定の温度依存性を持つようにすることができる。このような不純物ガスを用いると前述のような不安定性が発生しないためダイバータ熱負荷の制御性が改善される。また、従来の技術ではダイバータ・プラズマの温度によって適当なガスを撰択する必要があったが、このような混合ガスであればダイバータ・プラズマの温度によらず使用することができて都合がよい。
【００４０】
従って、このようにすれば、核融合出力などの炉心プラズマ・パラメータに加えて、セパラトリックス磁気面５近傍のプラズマ温度およびプラズマ密度を測定し、これらの信号に基づいて不純物ガスを周辺プラズマ領域またはダイバータ・プラズマ領域に注入して周辺プラズマ領域のパラメータを適正な範囲に制御することにより、ダイバータ熱負荷、つまりダイバータ装置でのターゲット板４の熱負荷を適正な範囲に維持することができる。また、不純物ガスをヘリウム・ガス等で希釈することで精度よく不純物を注入することができ、さらに、これら不純物ガスを適当な比率で混合することにより冷却特性を改善することができる。
【００４１】
なお、上述した実施の形態では、注入する不純物はガス状のものの場合を述べたが、ガス状である必要はなく、２種類以上の不純物ガスを液体化または固体化したものを用いてもよい。こうすれば、注入場所をより正確に選択することができる。また、液体の場合にはガスの場合と同じように混合することができるが、固体の場合には完全に均一に混合できない。この場合は顆粒状にしてできるだけ均一に混ぜ合わせるか、あるいは図４に示すように２種類以上の不純物２０、２１、２２を多層状に被覆した球形の混合不純物ペレット１９を用いてもよい。図４の混合不純物ペレット１９では３種類の不純物を球形に多層状に被覆した例であるが、ペレットの形状は例えば円筒形や立方体でもかまわない。
【００４２】
図５は、このような固体化された不純物を入射する場合の具体例を示すもので、図１と同一部分には、同符号を付している。この場合、不純物ガス保持装置１１の種々の不純物ガスをガス混合装置２３によって適当な比率の混合ガスを生成し、冷却装置２４で冷却して液化もしくは固体化する。固体ペレットの場合は不純物ペレット保存装置２５に保持しておき不純物ペレット入射装置２６により周辺プラズマ領域に注入する。ダイバータ装置のプラズマ温度は炉心プラズマに比べてはるかに低いため、炉心への燃料供給用ペレットや緊急停止用のペレットの入射装置に比べて低速度で投入できるので投入装置を簡易的なものにできる利点がある。
【００４３】
また、図６は、本発明のダイバータ制御装置をトーラス周方向に多数設けた例を示すもので、図１と同一部分には同符号を付している。この例ではドーナツ型の真空容器２の周囲に多数の周辺プラズマ・パラメータ測定器９および制御ガス注入装置１３が設けられており、炉心プラズマ１ａの周辺の全領域に均一にガスを注入できるようになっている。
【００４４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を、図１と同一部分には、同符号を付して示す図７に従い説明する。
【００４５】
ところで、核融合出力が一定であってもプラズマ周辺領域の密度分布が変化してセパラトリックス密度が低下すると、ダイバータ装置でのプラズマ温度が増加し、ターゲット板の熱負荷が危険な状態まで上昇することがある。
【００４６】
そこで、この第２の実施の形態は、このような場合にも対応できる具体的な例を示している。
【００４７】
この場合、真空容器２周囲には、周辺プラズマ・パラメータ測定器９の他に、核融合出力を測定する中性子モニター２７と静電プローブ等の測定素子２８、２９が配置されている。測定素子２８、２９は、中性子モニター２７を介して測定核融合出力測定装置３０で測定される核融合出力が一定である場合でも、これらの出力信号から計測データ処理装置３１および３２を用いてセパラトリックス磁気面近傍のプラズマ温度および密度をモニターし周辺プラズマ・パラメータの変化を検知できるようにしている。この場合、プラズマ密度の測定には、マイクロ波やレーザー等を用いることもできる。
【００４８】
このような構成によれば、炉心プラズマ１ａの閉じ込めモードが変化すると、核融合出力が一定であってもプラズマ周辺領域の密度分布が変化してセパラトリックス磁気面５近傍の密度が低下することがあるが、この状態で、測定素子２８および２９からの出力信号が計測データ処理装置３１および３２に送られ、周辺プラズマ・パラメータの変化が検知される。
【００４９】
そして、これら周辺プラズマ・パラメータは、データ処理用計算機３３に送られ、密度低下を補うのに必要な不純物ガス供給量が計算され、この計算結果が制御装置１０に送られる。これにより、制御装置１０より弁開閉駆動装置１４を介して不純物ガス弁１５が開放され、不純物ガス保持装置１１より制御ガス注入装置１３を介して真空容器２内部のダイバータ・プラズマ１ｃの領域に不純物ガスが注入される。
【００５０】
図８はダイバータ・プラズマ１ｃの領域に不純物ガスを注入した場合のダイバータ熱負荷の時間変化に対するシミュレーション結果を示すもので、ここでは、ITER装置において核融合出力が１．５ＧＷで一定、炉心プラズマの平均密度＜ｎ＞も１．１×１０２０／ｍ３で一定の状態から、セパラトリックス磁気面５の密度ｎｓが図中５秒の時点から減少したような場合に、ダイバータ領域にアルゴン（Ａｒ）不純物を注入してダイバータ熱負荷ＷＤＩＶを制御した例を示している。この場合、初期において電子密度に対する比率で０．２％含まれていたＡｒの密度を最大で０．９％まで増加させることによってダイバータ熱負荷を１０ＭＷ／ｍ２以下に制御できることがわかる。
【００５１】
この場合、１種類の不純物を単独で注入するという方法では、不純物濃度を所定の値に調整することは困難であるが、不純物ガスをヘリウム・ガス等で希釈して混合ガスの流量と混合比を制御することにより不純物濃度の制御を容易に行なうことができる。また、２種類以上の不純物ガスを空間的に異なる場所に投入することにより、より細かな制御を行うことができる。さらに、核融合出力の異常増加時や周辺プラズマ密度の低下時等に不純物ガスを混合して周辺プラズマ１ｂの領域やダイバータ・プラズマ１ｃの領域に注入することにより、放射パワー損失によって熱を分散させターゲット板４のピーク熱負荷の増加を抑制することもできる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を、図１と同一部分には、同符号を付して示す図９に従い説明する。
【００５３】
この場合、真空容器２の周面には、多数の周辺プラズマ・パラメータ測定器９と制御ガス注入装置１３が設けられ、周辺プラズマ・パラメータ測定器９によりプラズマ異常が検出された場合に、制御装置１０を用いてガス・リザーバー１２から多数の制御ガス注入装置１３を介して大量のヘリウム・ガスなどの不純物ガスを注入可能にしている。なお、図面中の点線は信号の流れを、太い実線は不純物ガス等の流れを示す。
【００５４】
このようにすれば、真空容器２内部の周辺プラズマ１ｂやダイバータ・プラズマ１ｃのそれぞれの領域において、周辺プラズマ・パラメータが変化すると、大量の不純物ガスを注入できるので、高温プラズマや高エネルギーの電子などが真空容器２の内壁に接触することを防止でき、さらに安定した制御を行なうことができる。
【００５５】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を、図１と同一部分には、同符号を付して示す図１０に従い説明する。
【００５６】
この場合、図１０は、ダイバータ制御装置を設けた核融合炉において制御ガス注入装置を磁気中性点付近に設けた場合の概念図を示している。なお、図面中の点線はセパラトリックス磁気面上の磁力線１１８を示している。
【００５７】
ここでの磁力線１１８は磁気面上をらせん状に取り巻いているが、磁気中性点付近ではほとんど副軸方向（トーラス大円方向）を向いており、このような磁場の構造のために不純物を注入する位置によりダイバータ・プラズマに対する冷却特性が大きく異なる。そして、プラズマ１中に注入された不純物ガスは中性原子のうちは自由に拡散するが、イオン化すると磁力線１１８に沿って動きやすい。また、磁力線１１８に沿って炉心プラズマからターゲット板４へのプラズマの流れがあるため、ターゲット板４付近に注入された不純物は磁気中性点８に届きにくい。さらに、磁気中性点８付近では磁力線が副軸方向（トーラス大円方向）に向いているため、この付近に注入された不純物はトーラス大円方向に一様に広がりやすいが、ターゲット板４付近に注入された不純物はトーラス大円方向の一部分にのみ集中しやすく、ダイバータ・プラズマの冷却が不均一になりやすい。
【００５８】
そこで、局所的にダイバータ・プラズマ１ｃを冷却する場合は、プラズマ温度が高い部分に不純物ガスなどを注入すればよいが、プラズマ異常時などに炉心全体を冷却したり、プラズマを緊急停止する場合には磁気中性点８付近への不純物ガスなどの注入を行うようにする。
【００５９】
従って、このようにすれば、何等かの異常によりダイバータ熱負荷が過度に増加するなどして、炉心プラズマの核燃焼を緊急に停止する必要が生じたような場合に、ヘリウム・ガスなどの不純物を周辺プラズマ領域や磁気中性点付近のダイバータ・プラズマ中に注入することにより、高温プラズマや高エネルギー粒子が真空容器の内壁に触れることを未然に防止できるとともに、ダイバータ・プラズマを冷却することによりダイバータ熱負荷の異常増加を防ぐことができるなど、状況に応じた効率的な制御を実現できる。
【００６０】
なお、図１１は不純物を磁気中性点付近に正確に注入するため、不純物注入装置１１３を磁気中性点８の下方に設けた具体例を示すもので、図１０と同一部分には、同符号を付している。このようにすれば、不純物注入弁１１７を開閉制御することにより、不純物注入装置１１３から磁気中性点８の付近に不純物を正確に注入することができる。
【００６１】
また、図１２も不純物を磁気中性点付近に正確に注入するため、不純物注入装置１１３を磁気中性点８の側方に設けた具体例を示すもので、図１０と同一部分には、同符号を付している。このようにしても、不純物注入弁１１７を開閉制御することにより、不純物注入装置１１３から磁気中性点８の付近に不純物を正確に注入することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、核融合出力が異常に上昇した場合は勿論、核融合出力は増加しないが周辺プラズマの状態が変化することによりダイバータ熱負荷が増加したときにもダイバータ熱負荷を容易に正確に制御することができる。また、注入ガスにヘリウム・ガスまたは水素ガスで希釈した不純物ガスを用いることによって制御性が改善される。さらに、不純物ガスを適切な比率で混合したガスを注入することによって、ダイバータ・プラズマの温度にかかわらず良好な制御が可能になる。
【００６３】
一方、周辺プラズマ密度を計測しているためプラズマ異常時に迅速に応答することができ、周辺プラズマ領域にヘリウム・ガスや水素ガスを注入して高温プラズマや高エネルギー粒子が容器の壁に接触することを避けることができる。また、磁気中性点付近に不純物ガスを注入することにより、プラズマを均一に冷却することができ、確実にダイバータ熱負荷を低下させることができる。この場合、不純物の固体ペレットを用いることもできるが、ダイバータ領域に入射することにより、炉心プラズマに入射する場合に比べて入射装置も簡略化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図。
【図２】第１の実施の形態を説明するためのセパラトリックス密度とダイバータ装置のピーク熱負荷の関係を示す図。
【図３】第１の実施の形態を説明するための不純物原子１個あたりの冷却率のプラズマ電子温度に対する依存性を示す図。
【図４】第１の実施の形態の他の例として不純物を固体化したものを多層状に被覆したペレットの概念を示す図。
【図５】第１の実施の形態の他の例として固体化した不純物ペレットを注入するダイバータ制御装置を概念的に示す図。
【図６】第１の実施の形態の他の例としてダイバータ制御装置をトーラス方向に多数設けた例を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の概略構成を示す図。
【図８】第２の実施の形態を説明するためのセパラトリックス密度が変化したときにアルゴン不純物を注入することによりダイバータ熱負荷の制御を行った例を示す図。
【図９】本発明の第３の実施の形態の概略構成を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態を説明する炉心プラズマのセパラトリックス磁気面上の磁力線を模式的に示す図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の他の例を説明するための磁気中性点に下方から不純物を入射するダイバータ制御装置の一実施例を模式的に示す図。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の他の例を説明するための磁気中性点に側面から不純物を入射するダイバータ制御装置の一実施例を模式的に示す図。
【符号の説明】
１…プラズマ
１ａ…炉心プラズマ
１ｂ…周辺プラズマ
１ｃ…ダイバータ・プラズマ
２…真空容器
３…ダイバータ装置
４…ターゲット板
５…セパラトリックス磁気面
８…磁気中性点
９…周辺プラズマ・パラメータ測定器
１０…制御装置
１１…不純物ガス保持装置
１２…ガス・リザーバー
１３…制御ガス注入装置
１４…弁開閉駆動装置
１５…不純物ガス弁
１６…弁開閉駆動装置
１７…混合ガス注入弁
１１８…磁力線
１８…混合ガス注入弁
１９…混合不純物ペレット
２０．２１．２２…不純物
２３…ガス混合装置
２４…冷却装置
２５…不純物ペレット保存装置
２６…不純物ペレット入射装置
２７…中性子モニター
２８．２９…測定素子
３０…核融合出力測定装置
３１、３２…計測データ処理装置
３３…データ処理用計算機
１１３…不純物注入装置
１１７…不純物注入弁
【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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