(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心融合燃料ペレット・インゼクタにおいて、融合燃料供給システム、排気パイプを備えまた前記融合燃料供給システムと接続された押し出し機を収容する真空タンク、入口部及び出口部を含む融合燃料加速軌道を有するローター、及びペレット切断装置を含み、前記融合燃料加速軌道の入口部が前記ローターの回転軸と心合わせされていることを特徴とする遠心融合燃料ペレット・インゼクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御された熱核融合に関し、燃料補給式融合機械に使用可能なものである。本発明の遠心融合燃料ペレット・インゼクタは、融合式発電所における高温プラズマの燃料補給に適用される。
【０００２】
【先行技術】
ヴィニア、Ｉ．Ｖ．等の「スクリュー式押し出し機を用いた新しい反復式ペレット・インゼクタ（New Repetitive Pellet Injector with a New Extruder）」、プラズマ装置および操作（Plasma Devices and Operations）、１９９８、第６巻、第１−３号、２１１−２１７ページには、空気圧融合式燃料ペレット・インゼクタにおいて、ペレットが加圧気体によって加速されてプラズマ内に射出されるペレット・インゼクタが開示されている。この先行技術の装置の問題は、加速されるペレットに随伴するもののプラズマ内に入れてはならない大量の気体の存在で、この気体がプラズマ内に入ると、熱核融合が停止してしまう。融合の停止を防ぐために、複雑な気体の排気および浄化システムが用いられるが、これによってインゼクタの構造全体が複雑なものとなっている。
【０００３】
Ｃ．アンデルフィンガー等の「融合実験のための新しい遠心ペレット・インゼクタ（A new centrifuge pellet injector for fusion experiment）」、科学器具レビュー（Review Science Instruments）、１９９３年、第６４巻、第４号、９８３−９８９ページ、および、Ｗ．アメンダおよびＲ．Ｓ．ラングの「固体重水素の直接給送装置付き遠心ペレット・インゼクタ（Centrifugal pellet injector with direct solid-deuterium feed）」、物理ジャーナル（Physical Journal）、Ｅ部（E-part）：科学器具（Scientific Instruments）、１９８６年、第１９巻、９７０−９７５ページは、遠心融合式燃料ペレット・インゼクタにおいて、案内軌道を有するローターの回転によってペレットを加速し、ペレットが慣性力によって該軌道にそって移動するペレット・インゼクタを開示している。第一の文書の先行技術の遠心インゼクタの欠点は、ペレットが、直接、加速軌道に入るのではなく、まずストップ・シリンダと呼ばれる特殊な装置内に送られ、そこから、回転するローターのあらかじめ定められた位置でのみ加速軌道に入ることができる点である。これは、ローター軌道から射出されるペレットの散乱角を最小にし、それによってインゼクタ排気パイプの軸に添って移動するペレットの数を増やし、パイプの壁との衝突によるペレットの破砕を避けることを目的として、ペレットが正確に設定された時間に確実にローター軌道に入るようにするためにとられる手段である。その結果、インゼクタの設計および操作が複雑なものとなっている。さらに、インゼクタを使用するためには、ペレットをあらかじめ調製して専用の低温保持装置の中に約１０Ｋの温度で保存しておく必要があり、その結果、長時間（１０００秒以上）連続的に燃料を補給する融合機械用のインゼクタの使用が妨げられる。
【０００４】
第二の文書の先行技術の問題は、押し出し機から押し出される固体燃料棒を細かく切ってペレットにするための手段が、回転する取り付けの上に取り付けられるため、押し出し機は、ローターが一回転している間にペレットの長さと同じ長さだけ燃料棒を押し出すようにしなければならないことである。この一回転の間にペレットがなんとか軌道に入り、そこで加速されるようにするためには、予備押し出しされた固体燃料棒を３．５ｍ／ｓもの速度で押し出さなければならず（燃料の押し出し速度は、５０ｍｍ／ｃを超えない）、そのためには、長さが１ｍｍのペレットの場合でも、特殊で複雑な装置を使用する必要がある。ＩＴＥＲトカマクに燃料補給することを目的とした１０ｍｍのペレットの調整および加速にこの方法を用いる場合には、棒を１０ｍｍの長さに押し出すためにより複雑な装置が必要となる。このインゼクタでは、ペレットの生成および射出に先立って、固体燃料棒があらかじめ出されて専用の熱交換器の中で１０Ｋの温度に保たれることが必要である。これは、先行技術のインゼクタを、かなり長時間（１０００秒以上）融合機械の連続燃料補給用として使用する場合の障害となる。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
本発明にもとづく遠心融合燃料ペレット・インゼクタに最も近いものとしては、融合燃料供給システム、排気パイプを備えまた前記融合燃料供給システムと接続された押し出し機を収容する真空タンク、融合燃料ペレットを加速するための案内軌道であって入口部および出口部を含む案内軌道を有するローターからなる遠心ペレット・インゼクタである。（Ｃ．Ａ．フォスター、固体重水素遠心ペレット・インゼクタ、真空科学技術ジャーナル（Journal of Vacuum Science Technology、Ａ１（２）、１９８３年、４−６月、９５２−９５８ページ）。
【０００６】
この先行技術の遠心インゼクタでは、押し出し機が、熱交換器内で凍結して固体となった水素同位元素の氷の棒などの融合燃料を押し出し、該棒の一部分がペレット切断装置で切断され、ローター軌道の入口部内に配送される。このペレットは、ローターの回転によってローターの軌道に添って加速され、ローター軌道の出口部から真空タンクの排気パイプ内に吐き出される。
しかし、この先行技術の遠心インゼクタでは、融合燃料ペレットが真空タンクの排気パイプ内に入る信頼性が低い。ペレット切断装置の操作は、ペレットが確実にローター軌道には入りその中で加速されるようにローター軌道入口部の位置によって調節される。ペレットの切断と該ペレットのローター軌道内への射出の間にはランダムな遅延が起こるため、時間に幅が生じ、その結果、１０−３０％では、ペレットの移動の方向が真空タンクの排気パイプの軸と一致しなくなってからペレットがローター軌道の出口部を離れる結果となる。その結果、ペレットが、排気パイプ内に入らなかったりあるいはパイプの壁に衝突して破壊されたりする事態が生じる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、インゼクタの真空タンクの排気パイプから吐き出されて接触を起こさないペレットの数を増加させることである。
本発明はまた、構造の簡単な遠心ペレット・インゼクタを提供するものである。
上記の目的は、遠心融合燃料ペレット・インゼクタにおいて、融合燃料供給システム、排気パイプを備えまた前記融合燃料供給システムと接続された押し出し機を収容する真空タンク、入口部及び出口部を含む融合燃料加速軌道を有するローター、及びペレット切断装置を含み、前記融合燃料加速軌道の入口部が前記ローターの回転軸と心合わせされていることを特徴とする遠心融合燃料ペレット・インゼクタによって達成される。
【０００８】
本発明の一実施形態は、前記融合燃料加速軌道の出口部に取り付けられる補助押し出しノズルを有する。
他の一実施形態にあっては、前記ペレット切断装置は、さらに、融合燃料蒸発器または気体供給弁を備えるものとすることができる。
該融合燃料蒸発器は、レーザー源、避火花器、または電子またはイオン・ビームとすることができる。
該気体は、ヘリウムまたは気体水素同位元素とすることができる。
【０００９】
本発明にもとづけば、回転するローター軌道の入口部は、ローターの回転軸と心合わせされ、したがって、融合燃料が供給されるローター軌道の入口部は、インゼクタの他の要素に対して、それも主として押し出しノズルに対して固定される。ローター軌道の入口部は、回転するにもかかわらず、押し出しノズルから押し出される固体燃料棒に対して変位しない。これによって、ペレット切断装置を、ペレットのローター軌道内への入口となるローター軌道入口部の位置によってではなく、真空タンク排気パイプに対するローター軌道の出口部の位置によって調節することが可能となる。
本発明の一実施形態にあっては、固化された水素同位元素の氷の棒は、押し出しノズルから、直接、回転するローター軌道の入口部内に押し出される。この場合、重要な点は、棒から切断する瞬間、形成されたペレットがすでにローター軌道内にあり、生成される蒸気および他の力が、該ローター軌道内にペレットが入ることに関係して遅延を生じることなく該軌道に添ってペレットの加速を始めることである。蒸発器または弁を備えたペレット切断装置を配設することによって、切断されたペレットをローター軌道に添ってさらに高速で前に進め、それによってペレットの切断と加速の間でランダムな遅延が生じるのを最小限度に抑える。
【００１０】
さらに重要な点は、固化された水素同位元素の棒が、燃料の３重点より低い２−５Ｋの温度でもその可橈性を保持し、したがって、ローターの回転半径が小さくとも、棒がその一体性を失うことなくローター軌道とともに曲がりまた回転することである。逆に、回転半径が大きい場合には、棒は、遠心力によって不均等に圧縮され、固体燃料が補助押し出しノズルの前にたまることになる。以下に述べる一定の条件のもとでは、固体燃料が、補助押し出しノズルを通って押し出され始める。
本発明にもとづく装置は、先行技術の装置に対して本質的な相異点を有する。ペレット切断装置の調節は、ペレットを軌道内に確実に入れるために、ローター軌道の入口部の位置によっておこなわれるのではなく、真空タンクの排気パイプに対する出口部の位置によって行なわれ、それによって、インゼクタの構成および操作がきわめて簡単となる。
【００１１】
本発明の他の一実施形態にあっては、押し出された燃料棒は、回転するローター軌道の入口部の壁と接触し得ないために、十分に長期間、ローターの回転軸上にとどまることができる。同時に、ペレットが切断される瞬間、該ペレットは、ただちに、それら自身の蒸気力と慣性（遠心）力の影響を受け、遅延なしにローター案内軌道に添って移動し始める。
ペレット切断装置が融合燃料加速軌道の出口に取り付けられると、二重に燃料の押し出しが生じる。第一に、回転するローター軌道の入口部内に供給するために棒が押し出されるため、ローター軌道の入口部を通って棒が破砕されたり吐き出されたりすることが防がれ、高速で回転するローター軌道から棒の形の燃料をさらに押し出して供給する必要が生じなくなる。実際、回転する固体燃料では、慣性力が、直線回転速度ｖおよび燃料密度ρの二乗に比例する応力σを生成する。
σ  ＝  （１／２）ρｗ2Ｒ2  ＝  （１／２）ρｖ2
遠心射出器のローターでは、直線回転速度として０．５−１．０ｋｍ／ｓの値が通常であるが、この値では、重水素燃料の応力は、約２５−１００ＭＰａに達するおそれがあり、この応力値は、固体重水素の押し出しに必要な通常の応力を若干超えるものである。ただし、このような応力が用いられる場合もときには存在する。
【００１２】
【実施形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を説明する。第１、２、３図は、本発明にもとづく遠心融合燃料ペレット・インゼクタの概要図である。図面中、（１）は燃料供給システム、（２）は真空タンク、（３）は真空タンクの排気パイプ、（４）は押し出し機、（５）は押し出し機の熱交換器、（６）は燃料を押し出し機の中に供給するための管、（７）は押し出しノズル、（８）はローター、（９）は融合燃料加速軌道、（１０）は融合燃料加速軌道の入口部、（１１）は融合燃料加速軌道の出口部、（１２）はペレット切断装置、（１３）は押し出された固体燃料棒、（１４）は蒸発器または弁、（１５）は補助押し出しノズルである。
【００１３】
本発明にもとづく遠心融合燃料ペレット・インゼクタは、以下に説明するように作動する。真空タンク内では、ローターが高速に加速され、熱交換器が重水素を取り扱うのに適した約１４−１５Ｋの温度まで押し出し器を冷却する。始動時には、燃料供給システムが、融合燃料を押し出し器内に充填し、以後、連続的に再重点を行なう。これは、例えばスクリュー押し出し器を用いた従来の方法によって行なうことができる。
固体融合燃料は、ローター軌道の入口部の近くで、押し出しノズルから連続的に押し出される。高真空タンク排気パイプの軸に添った軌道出口部から吐き出されるペレットの通路を調節することによって設定される融合燃料加速軌道の出口部のあるあらかじめ定められた位置で、ペレット切断装置が、棒から一個のペレットを切断し、それを加速軌道の入口部内へ供給する。
【００１４】
軌道入口部と押し出された棒の相対位置は、ローターの回転によって変化することがなく、したがって、切断されたペレットあるいは融合燃料棒がローター軌道の入口部内へ確実に入るようにすることは、とくに問題とはならない。ペレットは、機械式アクチュエータまたは他の手段のいずれを用いても形成することができる。切断手段のいかんにかかわらず、ペレット切断装置は、切断されたペレットにある初期速度をあたえるが、この速度は、大きければ大きいほど、ペレットの切断からそのローター軌道内での加速開始までの経過時間が減少するので好ましい。加速軌道に添っていどうするとき、ペレットは、慣性力（遠心力）によって加速され、加速軌道出口部からインゼクタ真空タンクの排気パイプ内に吐き出される。加速軌道内に供給されるペレットの初期速度を制御できるため、ペレットのローター軌道内の滞留時間は正確に（０．１ｍ秒以内に）調節することができる。
【００１５】
本発明の一実施形態にあっては、棒は、回転する燃料加速軌道の入口部の中に連続的に押し出すことができる。やはりローター軌道出口部から真空タンクの排気パイプの軸までの吐き出されるペレットの通路を調節することによって設定されるある瞬間に、ペレット切断装置が、棒の一部分を切断し、蒸発器または気体弁が、該ペレットに付加的なモーメントをあたえてローター軌道に添って該ペレットを前に進める。ペレットは、慣性力によって加速され、加速軌道の出口部から真空タンク排気パイプ内に吐き出される。
【００１６】
本発明の可能な一実施形態にあっては、固体燃料棒は、ローター軌道の入口部内に直接押し出され、それ以後、押し出しが連続的に行なわれる。該入口部を通過した後、可橈性のある棒は、ローターの回転軸から変位し、湾曲し、ローターとともに同時に加速し始める。燃料の表面から消化した気体は、ローター軌道の壁の開口を通過するとき、この状態の燃料およびローターの軌道をともに冷却する。ローターの回転軸からある半径のところで、棒の不均等な圧縮が起こるため、ローター軌道の出口部からの棒の滑らかで均一な押し出しが行なわれるためには、ローター軌道出口部に補助押し出しノズルを取り付けることがのぞましい。この位置では、ローター軌道の壁の開口を効果的に閉じて、さもなければ該開口を通って押し出されて生じる燃料の損失を低減することができる。同じ理由から、ローター軌道の壁の開口は、直径０．５ｍｍとして、揮発する燃料から生じる気体は容易にそこを通れるが、燃料自身はそこから押し出されないようにすることが必要である。ローターの回転速度を調節すれば、燃料を補助押し出しノズル内の開口（１−１０ｍｍ）を強制的に通すことができるように固体可橈性燃料内の圧力を高めることができる。回転するローターに対する押し出される棒の速度は、通常の押し出し速度である２−５ｃｍ／ｓであるが、この速度は、押し出しノズルの形状、燃料の温度、およびローターの回転速度にも依存する。回転軸から遠く、遠心インゼクタ内の０．４ないし０．８ｍの回転軌道の半径に等しい距離にある棒部分の高真空タンクの排気パイプに対する速度は、約０．５−１．０ｋｍ／ｃで、これは、ローター軌道の軸から最も遠い点の直線回転速度およびペレットの射出として通常の値である。軌道出口部から真空タンク排気パイプの軸までの吐き出されるペレットの通路を調節して設定されるある瞬間に、ペレット切断装置は、棒の一部分を切断し、切断されたペレットは、排気パイプの軸と一致する通路に添って約０．５−１．０ｋｍ／ｃの直線速度で移動を続け、インゼクタを離れる。
【００１７】
本発明にもとづく遠心融合燃料ペレット・インゼクタは、切断されたペレットを正確に設定された時間に確実にローター軌道内に配送するものであり、ペレット切断装置は、ペレットを確実に軌道内に入れるためにローター軌道の入口部の位置によってではなく、高真空タンクの排気パイプに対する出口部の位置によって調節することができ、それによって、インゼクタの構成および性能をきわめて簡単なものとし、壁に接触せずにペレットを射出する信頼性を高めることができる。ペレットをローター軌道内に供給する初期速度を制御することによって、ペレットのローター軌道内の滞留時間は、より正確に調節することができ、またインゼクタ排気パイプに添った移動の信頼性も高めることができる。
【００１８】
本発明の他の一実施形態にあっては、融合燃料ペレットは、切断される瞬間に加速軌道内にあり、それによってペレットの切断から加速の開始までの経過時間を短縮することができる。この効果は、また、ペレットが切断されるときに蒸発器またはとくにペレットの加速を強制的にまたより迅速に開始させるために該切断と同時にローター軌道内に入る少量の気体を供給する弁によって生成される気体によっても高めることができる。これらの組み合わせた効果によって、ペレットをローター加速軌道内に供給する時間を短縮し、設定された時間に正確にペレットを吐き出して真空タンク排気パイプ内に入れる信頼性を高めることができる。
【００１９】
第三の実施形態にあっては、ペレットは、インゼクタの高真空タンクの排気パイプ内に入る直前のペレットがちょうど高速に達したときに押し出された棒から切断される。回転するローター軌道からの押し出しの工程は、目で観察することができ、したがって、ペレットの切断における同期システムをより正確に調節し、ペレットを排気パイプ内に入れる作業の信頼性を高めることが可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、真空タンク排気パイプから吐き出されて壁に接触しないペレットの数を増やし、さらに、遠心インゼクタ構造の構成をより簡単なものにする効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の遠心融合燃料ペレット・インゼクタの側面図である。
【図２】本発明の他の実施形態の遠心融合燃料ペレット・インゼクタの側面図である。
【図３】本発明の他の実施形態の遠心融合燃料ペレット・インゼクタの側面図である。
【図４】図３の矢印Ａから見た説明図である。
【符号の説明】
１          燃料供給システム
２          真空タンク
３          真空タンクの排気パイプ
４          押し出し機
５          押し出し機の熱交換器
６          燃料を供給するための管
７          押し出しノズル
８          ローター
９          融合燃料加速軌道
１０          融合燃料加速軌道の入口部
１１          融合燃料加速軌道の出口部
１２          ペレット切断装置
１３          押し出された固体燃料棒
１４          蒸発器または弁
１５          補助押し出しノズル
【図１】
0003780135.tif 000002
【図２】
0003780135.tif 000003
【図３】
0003780135.tif 000004
【図４】
0003780135.tif 000005