(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ閉じ込め磁場を利用した核融合装置で発生したプラズマを加熱するために使用される中性粒子入射装置に、重水素の負イオンビームを発生させる負イオン生成部と、その負イオンビームを引き出し、加速して発生プラズマに供給するイオンビーム加速部とからなる負イオン源を設け、この負イオン源に、負イオンを大量に生成させるための触媒として使用されるセシウムを加熱ガス化して負イオン生成部に供給するためのセシウムオーブン装置を設け、セシウムガスをセシウムオーブン装置から負イオン生成部に供給する際に、能動的駆動力を使用せずに装置自身の温度により自己開閉動作するシャツター弁によりセシウムオーブン装置からのセシウムガスの流量を制御する開閉操作装置において、
前記シャッター弁を、外筒フランジ、シャッター、温度により伸び縮みするコイル状帯バイメタル及び内筒フランジで構成し、前記コイル状帯バイメタルの一端を前記シャッターに結合し、その他端を前記内筒フランジに結合し、
周囲温度の変化に応じて前記バイメタルの曲率が変化する際、そのバイメタルの一端が内筒フランジに固定されて動かず、その他端が前記シャツターに結合されていることにより、前記シャツターを回転させ、そのシャツターに設けられた開口部を前記外筒フランジの貫通孔と一致させる位置に移動させ、又は一致しない位置に移動させる、前記開閉操作装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ閉じ込めに磁場を利用した核離合装置において、発生したプラズマを追加熱するために使用される中性粒子入射装置に関するものである。
【０００２】
即ち、プラズマ閉じ込めに磁場を利用した核離合装置において、プラズマ加熱のために使用される中性粒子入射装置には、重水素の負イオンビームを発生させ、高速に加速させる負イオン源が使用されている。この負イオン源の負イオン生成部においては、負イオンを大量生成するためセシウムが触媒として使われる。このセシウムは負イオン源に設けられたセシウムオーブン装置で１８０℃以上に加熱され、ガス化されて負イオン生成部に供給される。本発明は、このセシウムオーブン装置において、能動的駆動力を使用せず装置自身の温度により、自己開閉動作するバイメタルシャッター弁を通してセシウムガスの流量を制御する構造を持つ開閉操作装置である。
【０００３】
【従来の技術】
生成したプラズマを追加熱する中性粒子入射装置の負イオン源では、数メガワットのパワーを得るために、十アンペア以上の負イオンビームを数百キロボルト以上の高い加速電圧で引出・加速している。この負イオン源は、負イオンビームの種となるプラズマを発生する負イオン生成部と負イオンビームを引出し加速するイオンビーム加速部からなる。負イオン生成部では、負イオンを大量生成するためセシウムが触媒で使われる。このセシウムは負イオン源に取り付けられたセシウムオーブン装置で１８０℃以上に加熱され高温ガスにされて負イオン生成部に供給される。
【０００４】
このセシウムオーブン装置は、セシウムを蓄えてガス化させるセシウムオーブン、セシウムを充填する等のためオーブンを取り外す時に大気を遮断するために使用する手動弁、セシウムガスの導入または停止を遠隔で行う圧空弁、それらを繋く配管、各部の温度を高温に保つヒーターと断熱保温マット、及び各部の温度を測定する熱電対から構成される。
【０００５】
このセシウムオーブン装置において、セシウムガスの流量は一定で有ることが負イオン源を安定確実に運転する上で必要である。また、その運転を簡単化するためセシウムカス流量の制御はセシウムオーブンの温度のみで行える必要がある。セシウムガス流量を一定に保つためにはセシウムオーブン装置においてセシウムガスの通路は２５０℃以上に保たれ１８０℃以下のコールドスポットがないことが必要である。
【０００６】
もし、コールドスポットがあると以下のようにセシウム流量が一定しないことが予想される。即ち、コールドスポットがあるとそこでセシウムが液化し、セシウムガスの通過が滞り、負イオン源へのセシウムガス流量は減る。さらに、そのコールドスポットのセシウム液滴は成長すると重力で落下し、落ちた所が高温ならば一気に気化するので、セシウムガス流量は急に増加する。このようにコールドスポットがあるとセシウム流量はセシウムオーブンの温度に無関係な変動を行い、一定しない恐れがある。また、このようなコールドスポットがあると、セシウムガス流量の制御はこのコールドスポットの温度にも左右されるので、運転が複雑になる。
【０００７】
セシウムオーブン装置において、コールドスポットは圧空弁に生じ易いと考えられている。圧空弁において、開閉を行う駆動機様と弁部とを繋ぐ駆動軸は、本体の高温部と駆動機構とを断熱するため、熱伝導がわるいべローズで本体の高温部と接続される。このように熱の流入し難い駆動軸の先端にある弁部はコールドスポットに成りやすいと予想されている。
【０００８】
圧空弁には圧空による開閉動作機構があるため、形状が複雑であり、重量も他の部分より大きく、この重量のため特別な支持構造が必要であり、さらに形状を複雑にしている。この形状の複雑さのため、ヒーターの巻き方及び断熱保温マットの設置に注意を払っている。しかし、コールドスポットの完全な解消は不可能と予想される。予想されるコールドスポットが２５０℃以上になるように、圧空弁は熱電対による測定点で３００℃以上の高温下での運転を強いられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
セシウムオーブン装置における圧空弁は、圧空による開閉操作機構があり、そのため重量も大きいので特別な支持構造が必要であり、形状が大変複雑であった。このため、ヒーターを一様に且つ余すすことなく巻くことが困難であった。また、圧空による動作部は、機能上常温に維持する必要があり、断熱保温マットで完全に被覆することが困難であった。即ち、圧空弁には形状の複雑さ、ヒーター巻き線の粗密及び断熱保温マットの厚さ不均一により部分的に温度の不均一が発生する問題があった。
【００１０】
又、圧空弁においては、弁部にコールドスポットが生じ易い構造上の問題があった。上記重量が大きい上、このコールドスポットを２５０℃以上にするため、圧空弁のヒータには過大な電力を投入しなければならない問題があった。この過大な電力投入及び上記部分的な温度の不均一が、ヒートスポットを発生させ、ヒーターの断線を生じさせたり、断熱保温マットの一部が硝子化して割れる等故障を起こさせる問題があった。
【００１１】
セシウムオーブン装置には、セシウムガスの導入または停止を遠隔で行う弁が必要である。この弁の動作環境は温度が２５０℃以上であること、大電流のケーブルによる磁場があること、及び常時高電圧ノイズが発生している等により、弁の駆動に油圧力、電磁力が使用できない問題があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のセシウムオーブン装置においては、従来の圧空弁に換えてバイメタルシャッター弁を設ける。本発明のバイメタルシャッター弁は、図４乃至図９に示すように、形状が単純で小型かつ軽量であり、部品点数が少ないものである。
【００１３】
よって、本発明バイメタルシャッター弁は、ヒーターを一様に巻ける上、断熱保温マットで均一に覆えるため、温度の不均一及びコールドスポットができにくい構造である。また、本発明のバイメタルシャッター弁の駆動機構は、バイメタル効果のみを使うので、外部からの動力、すなわち、圧空、油圧及び電磁力も使わないので、単純であり、動作の信頼性が非常に高い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のバイメタルシャッター弁の構造は、図７に示されるように、温度により伸び縮みするコイル状帯バイメタル１０で構成され、図４に示されるように、その一端がシャッター９に結合され、その他端が内筒フランジ１１に結合されている。
【００１５】
そこで、周囲温度の変化に応じて、バイメタル１０の曲率を変化させると、その一端がフランジ１１に固定されて動かないので、その他端に結合された円筒形シャッター９が内筒内で回転する。したがって、図４に示されるように、温度が上昇して２３０℃以上になると、シャッター９に設けられた扇状の開口部１６が回転して貫通孔１２と一致した位置に到達し、セシウムガスが通過できるようになる。又、温度が降下して１８５℃以下になると、シャッター９に設けられた扇状の開口部１６が回転して貫通孔１２と一致しない位置に到達し、セシウムガスが通過できなくなる。本発明のバイメタルシャッター弁は周囲温度に応じて回転するので、シャッター扇状の開口部と外筒の貫通孔との位置の一致又は不一致によって、セシウムガスが通過できる場合又は通過できない場合の態様を示すと図９に示されるようになる。このようにして、本発明においては、能動的駆動力を使用せず装置自身の温度により自己開閉動作するバイメタルシャッター弁を使用することにより、セシウムオーブン装置からのセシウムガスの流量を制御することができる。
【００１６】
【実施例】
プラズマ閉じこめに磁場を利用した核融合装置の代表的なものに、トカマク型核融合装置がある。ここでは、本発明の実施例である図１に示すトカマク型核融合装置ＦのプラズマＧの追加熱用中性粒子入射装置を例に、以下に実施例を説明する。
【００１７】
中性粒子入射装置の主要機器は、高エネルギーで大電流且つ発散の良い負イオンビームを加速することが要求される負イオン源Ａである。このようなビームを加速するため、負イオン源Ａの構造をその断面図である図２で示す。図でわかるように、負イオン源は、ビームの種となる重水素の負イオンを生成する負イオン生成部Ａと数枚の電極からなるイオンビーム加速部Ｂとで構成される。なお、矢印Ｃはイオンビームの加速方向である。負イオン生成部Ａは、負イオンを生成するプラズマをアーク放電で得ている。このアーク放電はアークチェンバー１をアノードとし、フィラメント２をカソードとして行われる。また、アークチェンバーには、セシウムオーブン３から高温のセシウムガスが導入される。このセシウムガスはプラズマ電極４に蒸着され、できたセシウム蒸着面の触媒効果でプラズマ電極付近には負イオンが豊富なプラズマが生成される。発生した負イオンはプラズマ電極を通過して下方向に引き出される。
【００１８】
セシウムオーブン装置の詳細を図３に示す。本発明の装置はセシウムを蓄えておくセシウムオーブン３、手動弁５及びバイメタルシャッター弁６の取り付けられた配管から成る。セシウムオーブンでは、蓄えていたセシウムが周囲に巻かれたヒータで１８０℃以上のガスに加熱される。この高温のセシウムガスは手動弁及びバイメタルシャッター弁を通過して矢印Ａ方向に流れアークチェンバーに導入される。高温のセシウムガスを停滞無くアークチェンバーに導入するため、手動弁及びバイメタルシャッター弁に取り付けられた配管は周囲に巻かれたヒータで２５０℃以上の高温に保たれる。よって、実際に使用されている時は、セシウムオーブンは全体厚さ約２ｃｍ以上の断熱保温マットで覆われている。
【００１９】
本発明のバイメタルシャッター弁の詳細構造をその縦断面図である図４で説明する。バイメタルシャッター弁は、冷却用空冷パイプ７、外筒フランジ８、シャッター９、コイル状帯バイメタル１０及び内筒フランジ１１から構成される。１２はセシウムガスが流れる貫通孔である。矢印Ａ方向からセシウムガスが流れてくる。
【００２０】
外筒フランジの詳細を図５に示す。外筒フランジには、メタル中空Ｏリング用フランジ（Ｆ３４−０１０）１３があり、外周に冷却用空冷パイプ７が巻かれ、中心付近にセシウムガスが通過する貫通孔１４が設けられている。なお、メタル中空Ｏリング用フランジにはタップ穴１５が設けられている。
【００２１】
シャッターは、図６に示すように、扇状の開口部１６がある。このシャッターには、図７に示すコイル状帯バイメタル１０の一端が溶接してある（図４参照）。このコイル状帯バイメタルの他端は図８に示す内筒フランジ１１に溶接されている（図４に参照）。内筒フランジには、図８に示されるように、メタル中空Ｏリング用フランジの（Ｆ３４−０１０）１３があり、セシウムガスが通過する貫通孔１４が設けられている。なお、メタル中空Ｏリング用フランジにはタップ穴１５が設けられている。外筒フランジと内筒フランジとは溶接固定される（図４に参照）。
【００２２】
本発明のバイメタルシャッター弁は自身の温度が１８５℃以下で全閉であり、２３０℃以上で全開となるように動作する。バイメタルシャッター弁の温度とシャッターの動作との関係を図９に示す。温度の上昇によりコイル状帯びバイメタルの曲率が増加し、シャッターはＯ点を中心に時計方向に回転し、２３０℃以上で全開となる。この時のシャッターは１度／℃の角度変化で回転する様なコイル状帯びバイメタを取り付けてある。
【００２３】
本発明のバイメタルシャッター弁を緊急に全閉とする時、冷却用空冷パイプに窒素ガスを流し、それ自身を１８５℃以下に一気に冷却する。この時、全閉となる時間は数分以内と予想している。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のセシウムオーブン装置において、セシウムガスの導入または停止は、開閉操作機構が不必要なバイメタルシャッター弁で自身の温度により自動的に行われる。開閉操作機構が無いバイメタルシャッター弁の使用によりセシウムオーブン装置は形状が簡単化されるため、ヒーターが一様に巻き易くなるとともに断熱保温マットを一定の厚さで覆えるようになる。これにより、セシウムカス通路全体を２５０℃以上に維持することが容易になり、コールドスポットができにくい構造となる。このコールドスポットが無くなることにより、セシウムガスの流量は、セシウムオーブンの温度のみで制御でき、時間的に一定に維持しやすくなる。
【００２５】
コールドスポットができにくい構造となるため、局部的な高温によるヒーターの断線等の事故がなくなる。コールドスポットの温度を２５０℃にするための過剰なヒーター電力の供給が不必要な上、本発明のセシウムオーブン装置は、軽量化されるため、ヒーターの消費電力を大幅に下げられる。
【００２６】
バイメタルシャッター弁付きセシウムオーブン装置を使用することで、負イオン源の高エネルギー大パワーのビーム引出運転が安定確実になり、負イオン源の開発試験を進捗させる。そこで得られたデータは将来の核融合炉で使用される中性粒子入射装置にも適応されるものと期待される。また、ここで使用されるバイメタルシャッター弁は高温・高真空における液体金属の流量制御に使用できる技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  中性粒子入射装置全体の構造を示す図である。
【図２】  イオン源の構造を示す図である。
【図３】  セシウムオーブン装置の構造を示す図である。
【図４】  バイメタルシャッター弁の構造を示す図である。
【図５】  バイメタルシャッター弁の外筒の構造を示す図である。
【図６】  バイメタルシャッター弁のシャッターの構造を示すずである。
【図７】  バイメタルシャッター弁のコイル状帯バイメタルの構造を示す図である。
【図８】  バイメタルシャッター弁の内筒の構造を示す図である。
【図９】  バイメタルシャッター弁の温度とシャッターの動作との関係を示す図である。
【符号の説明】
１：アークチェンバー
２：フィラメント
３：セシウムオーブン
４：プラズマ電極
５：手動弁
６：バイメタルシャッター
７：冷却用空冷パイプ
８：外筒フランジ
９：シャッター
１０：コイル状帯バイメタル
１１：内筒フランジ
１２：セシウム通過貫通孔
１３：メタル中空Ｏリング用フランジ
１４：貫通孔
１５：タップ穴
１６：扇状の開口部
【図１】
0003762553.tif 000002
【図２】
0003762553.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003762553.tif 000005
【図５】
0003762553.tif 000006
【図６】
0003762553.tif 000007
【図７】
0003762553.tif 000008
【図８】
0003762553.tif 000009
【図９】
0003762553.tif 000010