(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスプライス板を用いて複数の炉構造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル領域のスプライス板を、銅あるいは銅合金のような電気抵抗の小さいパッシブシェル材と炉構造体の構造材と同種の構造材とからなるクラッド材で構成し、スプライス板の構造材と炉構造体セクタの構造材とを溶接接続し、さらにパッシブシェル材を用いた溶接あるいは溶射によりスプライス板のパッシブシェル部と炉構造体セクタのパッシブシェル部間を肉盛りしてこれらパッシブシェル間を電気的に接続したことを特徴とする核融合装置の炉構造体。
【請求項２】
スプライス板の構造材と炉構造体セクタの構造材を溶接接続し、この溶接接続する溶接継手の最終溶接パスの表面とその最終溶接パスの表面近傍、あるいはこの最終溶接パスの表面領域とパッシブシェル材表面の一部に亙ってニッケルを肉盛り溶接し、さらにパッシブシェル材を肉盛り溶接してなることを特徴とする請求項１記載の核融合装置の炉構造体。
【請求項３】
パッシブシェル材を用いた肉盛り溶接は、パッシブシェル材の粉末を用いた粉末プラズマ溶接であることを特徴とする請求項１記載の核融合装置の炉構造体。
【請求項４】
パッシブシェル領域に複数のスプライス板が設置されると共に、このスプライス板のポロイダル端面側の隣接スプライス板パッシブシェル間はパッシブシェル材を肉盛りしないことを特徴とする請求項１記載の核融合装置の炉構造体。
【請求項５】
複数のスプライス板を用いて複数の炉構造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル材と構造材とからなるクラッド材で構成するパッシブシェル領域におけるパッシブシェル材端面を所定の平面傾斜、あるいは凹面傾斜とすることを特徴とする核融合装置の炉構造体。
【請求項６】
パッシブシェル領域の構造溶接部位において、パッシブシェル材端面の位置を構造材の溶接開先面から所定の距離だけ離して設定したことを特徴とする請求項５記載の核融合装置の炉構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合装置の真空容器やブランケット支持構造体等のパッシブシェル領域の炉構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核融合装置の真空容器やブランケット支持構造体等の炉構造体は、大型のトーラス構造物であるため、一般に、トロイダル方向に複数個分割されたセクタの形で工場製作され、現地でセクタ間を溶接して組立てられる。セクタ間の現地接続では、製作精度等を吸収するため、現地接続部にはスプライス板が使用されるのが普通であり、内・外壁二重壁構成の炉構造体の場合には、空間的な制約から外壁は炉構造体の内側から接近して外壁を接続しなければならないので、少なくとも内壁にスプライス板の使用は避けられない。また、スプライス板の現地合せのし易さや幾何形状の制限からスプライス板はポロイダル方向に複数個分割されたものが使用される。
【０００３】
また、炉構造体の内部に生成されるプラズマの安定性を確保するためパッシブシェルが用いられる。これは、銅合金のような電気抵抗が小さい材料で作られ、プラズマに最も近く、かつトロイダル方向に連続した炉構造体に設置される。この場合、パッシブシェルはトロイダル方向に連続していることが望ましい。
【０００４】
このような炉構造体のセクタ間接続部はポロイダル方向に一周しているから、パッシブシェルをトロイダル方向に連続して構成するには、セクタ間接続部でセクタに既設のパッシブシェル間をトロイダル方向に電気的につなぐ必要がある。この場合、炉構造体には核融合反応の結果生じる中性子による核発熱があり、かつプラズマ崩壊時には電磁力が作用するので、セクタ間接続部のパッシブシェル構造はこれら熱負荷と電磁力荷重に耐えるものでなければならない。核発熱は体積発熱であるからパッシブシェルを効率良く冷却するには冷却面までの熱伝導距離を短くする必要がある。さらに、パッシブシェルは良導体であるから渦電流が流れやすく、一般的には薄肉シェルであるので、パッシブシェルは強固に支持する必要がある。
【０００５】
次に、真空容器にパッシブシェルを設置した従来構造例を図６及び図７を参照して説明する。
図６は内壁１と外壁２からなる二重壁トーラス状真空容器の隣接する真空容器セクタのみを示した模式図である。なお、真空容器内壁のほぼ全領域に亙ってその内面にブランケットが設置されているが、見易くするために図６ではこれを省略してある。
【０００６】
図６において、真空容器セクタ３ａと真空容器セクタ３ｂは、セクタ間接続部でポロイダル方向に一周接続されるが、セクタの製作誤差を吸収するためもあって、このセクタ間接続には通常スプライス板が使用されている。パッシブシェル５は真空容器アウトボード側上部と下部に設置されており、それぞれトロイダル方向に一周している。したがって、セクタ接続部４では隣接セクタ間を溶接接続すると共に、隣接するセクタに設けられたパッシブシェル５をトロイダル方向に電気的に接続する必要がある。
【０００７】
図７は、図６のVII-VII 方向断面の内、真空容器セクタ接続部領域の断面図（トロイダル断面図）である。
図７ではパッシブシェル５は内壁１に接合されているが、セクタ間接続部では、スプライス板９を用いて真空容器セクタ３ａと真空容器セクタ３ｂとを溶接接続して溶接継手１３を構成した後、接続銅板１０をボルト１１で固定することによって隣接セクタのパッシブシェル間を電気的に接続している。また、内壁１と外壁２、パッシブシェル５、接続銅板１０及びボルト１１は、内壁１と外壁２とこれらを接続するポロイダルリブ７で作られた冷却通路６に冷却水を流して冷却される。また、ブランケット８は内壁１に設置されているが、通常、真空容器とは別系統の冷却水で冷却される。
【０００８】
ところで、上記のような従来の構造体の真空容器では次の如き問題がある。
【０００９】
（１）パッシブシェル５は必要以上に厚くする必要はなく、銅板パッシブシェルの場合では、概略５〜６ｍｍ程度が用いられている。したがって、接続銅板１０も同程度に薄く、その機械的剛性は小さいので、プラズマ急速消滅時の接続銅板１０に働く電磁力をボルト１１で支持しようとする電磁力が小さい場合であってもかなりの数のボルトが必要になる。
【００１０】
（２）接続銅板１０はボルト１１によって固定されているため、接続銅板１０と内壁１との間には大きな接触熱抵抗がある。このため、接続銅板１０の除熱能力には限界があるので、図７に示すような従来の構造体への適用は炉壁への熱負荷が小さい場合に限られる。
【００１１】
（３）ボルト１１は熱の繰返し環境及びパルス的に生じる電磁力下で使われるので、緩み易い。また運転中における締結力の保持を含めたボルトの健全性を調べることは非常に困難であるばかりか、保守・点検に長時間要し、核融合装置の稼働率を低下することになる。
【００１２】
（４）ボルト締結構造にはタップ切り加工が必要であるが、ボルトの本数が増えると、このタップ切りに長時間要する。また、セクタ間内外壁を溶接接続すると、溶接変形が生じるため、接続銅板１０の合せ加工工程が必要となる。このような工程が必要となるため真空容器の製作には長時間を要する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の核融合装置の炉構造体には、電磁力や熱応力対策が十分でないことに起因する低構造信頼性の問題、保守点検に多くの時間を要して核融合装置の稼働率が低下するという問題、更には製作時間が長くなるという問題があった。
【００１４】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、その目的は、構造が単純かつ高い信頼性を有し、しかも製作時間が短縮できる核融合装置の炉構造体を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１は、複数のスプライス板を用いて複数の炉構造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル領域のスプライス板を、銅あるいは銅合金のような電気抵抗の小さいパッシブシェル材と炉構造体の構造材と同種の構造材とからなるクラッド材で構成し、スプライス板の構造材と炉構造体セクタの構造材とを溶接接続し、さらにパッシブシェル材を用いた溶接あるいは溶射によりスプライス板のパッシブシェル部と炉構造体セクタのパッシブシェル部間を肉盛りしてこれらパッシブシェル間を電気的に接続したことを特徴とする。
【００１６】
請求項１によると、パッシブシェル材を用いた肉盛りの手段で隣接炉構造体セクタのパッシブシェル部間を電気的に接続したので、パッシブシェル材と構造材の間の接触熱抵抗や電磁力支持に関する問題を解決することができるばかりでなく、肉盛りには合せ加工やタップ切りなどの作業が不要となるため製作期間をかなり低減することができる。
【００１７】
本発明の請求項２は、請求項１記載の核融合装置の炉構造体において、スプライス板の構造材と炉構造体セクタの構造材を溶接接続し、この溶接接続する溶接継手の最終溶接パスの表面とその最終溶接パスの表面近傍、あるいはこの最終溶接パスの表面領域とパッシブシェル材表面の一部に亙ってニッケルを肉盛り溶接し、さらにパッシブシェル材を肉盛り溶接してなることを特徴とする。
【００１８】
請求項２によれば、ニッケルがバリアとなって、パッシブシェル材の肉盛り溶接時にパッシブシェル材が構造材に溶け込んで生じる溶接割れを防止し、したがって、このセクタ接続部に関して高い構造健全性を得ることができる。
【００１９】
本発明の請求項３は、請求項１記載の核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル材を用いた肉盛り溶接は、パッシブシェル材の粉末を用いた粉末プラズマ溶接であることを特徴とする。
請求項３によれば、通常のティグ（ＴＩＧ）やマグ（ＭＡＧ）溶接に比べ溶接の簡易化、施工時間の短縮を図ることができる。
【００２０】
本発明の請求項４は、請求項１記載の核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル領域に複数のスプライス板が設置されると共に、このスプライス板のポロイダル端面側の隣接スプライス板パッシブシェル間はパッシブシェル材を肉盛りしないことを特徴とする。
【００２１】
請求項４によれば、隣接スプライス板のパッシブシェル間のポロイダルギャップは小さいので、隣接スプライス板でポロイダル方向にパッシブシェルを電気的に接続しなくてもパッシブシェルの機能が損なわれることはない。したがって、炉構造体の大幅な製作期間の短縮が図れる。
【００２２】
本発明の請求項５は、複数のスプライス板を用いて複数の炉構造体セクタを接続してなる核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル材と構造材とからなるクラッド材で構成するパッシブシェル領域におけるパッシブシェル材端面を所定の平面傾斜、あるいは凹面傾斜とすることを特徴とする。
【００２３】
一般的に、炉構造体には大きな核発熱があり、熱伝導体に沿って大きな温度勾配が生じる。例えば銅合金のようなパッシブシェル材と例えばオーステナイトステンレス鋼のような構造材では熱膨張係数が異なる。このため、炉構造体の運転時にはパッシブシェル端面には大きな熱応力が集中する懸念がある。
請求項５によれば、この熱応力の集中を緩和し、当該部の構造健全性を高めることができる。
【００２４】
本発明の請求項６は、請求項５記載の核融合装置の炉構造体において、パッシブシェル領域の構造溶接部位におけるパッシブシェル材端面の位置を構造材の溶接開先面から所定の距離だけ離して設定したことを特徴とする。
請求項６によれば、構造材溶接時のパッシブシェル材の巻込みによる溶接割れや溶接熱によるパッシブシェル材の剥離の問題を解決することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施例（請求項１対応）である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部のパッシブシェル領域を示したトロイダル断面図である。
【００２６】
図に示すように、本実施例ではパッシブシェル５は内壁１に接合されており、また真空容器セクタ３ａと真空容器セクタ３ｂ間の接続部は、スプライス板９の構造材と内壁１の構造材を溶接して溶接継手１３を構成した後、スプライス板９のパッシブシェル部と真空容器のパッシブシェル部間に銅あるいは銅合金のような電気抵抗の小さいパッシブシェル材を肉盛りしてパッシブシェル材肉盛り部１４とし、これらパッシブシェルを電気的に接続している。また、内壁１と外壁２とこれらを接続するポロイダルリブ７で作られた冷却通路６には冷却水を流して冷却される。ブランケット８は内壁１に設置されている。
【００２７】
本実施例によれば、肉盛りで隣接セクタ間のパッシブシェル間を電気的に接続するため、セクタ接続部のパッシブシェル部の除熱特性と電磁力に対する強度を向上させることができるばかりでなく、肉盛りは極めて簡単な作業であるため真空容器の製作期間をかなり短縮することができる。
【００２８】
図２は、本発明の第２実施例（請求項２及び請求項３対応）である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部のトロイダル断面図であり、図１の“Ａ”部に相当した拡大図である。なお、図１の第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明は省略しており、以下の各実施例においても同様である。
【００２９】
図において、本実施例では、構造材相互を溶接した後、セクタ間構造材溶接継手１３の最終溶接パス表面と、パッシブシェルが除去されているセクタ間構造材溶接継手１３表面と、パッシブシェルの傾斜端面の一部にニッケルを肉盛り溶接してニッケル肉盛り部１５を構成する。しかる後にパッシブシェル材を粉末プラズマ溶接してパッシブシェル材肉盛り部１４を構成して隣接セクタのパッシブシェル間を電気的に接続する。また、パッシブシェルの端部は傾斜端面１６とする。
【００３０】
本実施例によれば、先ずニッケルを肉盛りすることによって、パッシブシェル材の肉盛り溶接時にパッシブシェル材が構造材に溶け込んで生じる溶接割れを防止できる。したがって、このセクタ接続部に関して高い構造健全性を得ることができる。次に、パッシブシェルの粉末を用いた粉末プラズマ溶接することによってパッシブシェルの肉盛り作業を容易にし、真空容器の製作期間を短縮することができる。更に、パッシブシェルの肉盛り側端部に傾斜を付けることにより肉盛りの一連の作業を容易にすることができる。
【００３１】
図３は、本発明の第３実施例（請求項４対応）である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部のパッシブシェル領域にある隣接スプライス板のポロイダル断面図である。
【００３２】
図に示すように、本実施例では、スプライス板の溶接において狭開先溶接法を適用して開先開口部が小さいスプライス板溶接継手１８を構成しており、隣接するスプライス板１７ａ，１７ｂのパッシブシェル５，５間にはパッシブシェル材を肉盛りしない構造としている。
【００３３】
本実施例によれば、パッシブシェル領域にある複数のスプライス板１７ａ，１７ｂのパッシブシェル５，５間の実効ポロイダルギャップ２０を小さくして、当該部分のパッシブシェル材の肉盛りを省いているので、真空容器の製作期間を短縮することができる。
【００３４】
図４は、本発明の第４実施例（請求項５対応）である核融合装置の真空容器のパッシブシェルのポロイダル端部を示すポロイダル断面図である。
図に示すように、本実施例では、パッシブシェル５のポロイダル端面を凹状端面２１に形成している。すなわち、図ではパッシブシェル材端面を凹面傾斜としているが所定の平面傾斜とすることも可能である。なお、ブランケットは図示していない。
【００３５】
本実施例によれば、パッシブシェル材と構造材の熱膨張係数の相違によって発生するパッシブシェル端面の構造体との接合界面の熱応力集中を低減し、高信頼のパッシブシェル付き真空容器を得ることができる。
【００３６】
図５は、本発明の第５実施例（請求項６対応）である核融合装置の真空容器のスプライス板の斜視図である。
図において、本実施例では、パッシブシェル５領域の構造溶接部位において、パッシブシェル材端面の位置を構造材の溶接開先面２２から所定の距離２３だけ離した位置に設定している。さらに、パッシブシェル端面には傾斜角２４を付けている。
本発明によれば、構造材溶接時のパッシブシェル材の巻込みによる溶接割れの問題や溶接熱によるパッシブシェル材の剥離の問題を解決することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明（請求項１乃至請求項６対応）によれば、電磁力や熱応力対策が十分でないことに起因する低構造信頼性の問題や製作時間が長くなるという問題が解決できるので、構造が単純かつ高信頼で、しかも製作時間が短縮できる核融合装置の炉構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部のパッシブシェル領域のトロイダル断面図。
【図２】本発明の第２実施例である核融合装置の真空容器のセクタ間接続部のトロイダル断面図であり、図１の“Ａ”部に相当した部分の拡大図。
【図３】本発明の第３実施例である核融合装置の真空容器のパッシブシェル領域にある隣接スプライス板のポロイダル断面図。
【図４】本発明の第４実施例である核融合装置の真空容器のパッシブシェルのポロイダル端面を示す断面図。
【図５】本発明の第５実施例である核融合装置の真空容器のスプライス板の斜視図。
【図６】従来の二重壁トーラス状真空容器の隣接２セクタの斜視図。
【図７】図６のVII-VII 方向の断面図。
【符号の説明】
１…内壁、２…外壁、３ａ，３ｂ…真空容器セクタ、４…セクタ間接続部、５…パッシブシェル、６…冷却流路、７…ポロイダルリブ、８…ブランケット、９…スプライス板、１０…接続銅板、１１…ボルト、１２…トロイダル方向を示す矢印、１３…セクタ間構造材溶接継手、１４…パッシブシェル材肉盛り部、１５…ニッケル肉盛り部、１６…傾斜端面、１７ａ，１７ｂ…パッシブシェル付き隣接スプライス板、１８…スプライス板間溶接継手、１９…ポロイダル方向を示す矢印、２０…パッシブシェル間実効ポロイダルギャップ、２１…凹状端面、２２…構造材の溶接開先面、２３…構造材溶接開先面とパッシブシェル端面までの距離、２４…パッシブシェルの傾斜端面の傾斜角。
【図１】
0003810935.tif 000002
【図２】
0003810935.tif 000003
【図３】
0003810935.tif 000004
【図４】
0003810935.tif 000005
【図５】
0003810935.tif 000006
【図６】
0003810935.tif 000007
【図７】
0003810935.tif 000008