(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セシウム貯蔵タンク、弁及びセシウム導入管から構成され、イオン源の外側にある貯蔵タンクでセシウムを気化させて、その蒸気を高真空のイオン源に導入する核融合装置のセシウム導入装置において、
前記セシウム導入管を、ヒータを備えた外径Ｄａを有する導入管１ａ、外径Ｄｂを有する導入管の熱伝導部１ｂ及び外径Ｄｃを有する導入管の先端部１ｃで構成し、その外径をＤｃ≦Ｄｂ≦Ｄａとし、その内径を同一にすることにより、導入管１ａのみを加熱し、熱伝導部を熱伝導で昇温し、先端部への熱伝導をスムーズに行う形状とし、
前記導入管の材質を銅とし、その導入管の加熱昇温時における強度低下を防止する手段として補強管を導入管の内周及び外周に設け、導入管１ａがヒータで加熱昇温されて銅材質が軟化しても導入管全体の強度低下を防止し、
導入管１ａと導入管の熱伝導部１ｂの境界部に円板状つばを取り付け、その外周に円筒状スリーブを取り付け、そのスリーブ端部にフランジを設け、導入管１ａからフランジまでの距離を長くし、その間の熱抵抗を大きくして前記フランジからの放熱量を少なくし、
スリーブ端部に設けられた前記フランジをイオン源鏡板のフランジに接続し、導入管先端部１ｃをイオン生成部内壁の円板状リングに取り付けて導入管全体を保持し、
導入管１ａをヒータで加熱して導入管の熱伝導部１ｂ及び導入管の先端部１ｃの温度をセシウムの飽和温度以上に保持することにより、セシウムをその貯蔵タンクからイオン源に安定して供給することを特徴とする前記装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、核融合装置の負イオンビーム中性粒子入射（Ｎｅｇａｔｉｖｅ−ｉｏｎ  ｂａｓｅｄ  Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ、以下、Ｎ−ＮＢＩと略す）装置に係わり、特に、そのセシウム導入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎ−ＮＢＩ装置の負イオン源（以下、イオン源と略す。）には、生成効率を向上させるため、セシウムを導入するセシウム導入装置が設置されている。セシウム導入装置はイオン源の外側にある貯蔵タンクでセシウムを気化させて、その蒸気を、高真空のイオン源に導入する装置である。（「ＪＡＥＲＩ−Ｍ９４−０７２」日本原子力研究所、１９９４，３月、ｐ１０６）。
【０００３】
セシウムは融点が約３０℃、沸点が７００℃の金属であるが、イオン源の圧力は１０-5〜１０-3Ｐａの高真空であるので、飽和蒸気温度は約１８０℃になる。このセシウムはイオン生成部において消費されるので、セシウム導入装置は消費量に見合った一定量を導入することが望まれる。また、セシウムは飽和温度以下になると液化して系統内が閉塞し、セシウム蒸気が流れなくなるので、系統内を飽和温度以上に保持する必要がある。
【０００４】
従来のセシウム導入装置は、貯蔵タンク、弁、導入管から構成され、貯蔵タンク、弁、導入管の周囲に加熱ヒータ及び断熱材が巻かれている。貯蔵タンクを加熱することにより、中のセシウムを気化させ、弁、導入管を加熱することにより、蒸気が途中で液化するのを防止している。
【０００５】
従来の装置では、導入管を一様な温度にするため、導入管全体に等間隔のらせん状溝を掘り、これに細いシースヒータを埋め込み、導入管をヒータで加熱していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、高電圧ノイズにより導入管のヒータが断線する問題があった。その断線箇所は、イオン源の内側に配置したヒータであった。従来例では、イオン源の内側に配置したヒータが、高電圧ノイズにより異常電圧／電流になり、断線することが配慮されていなかった。
【０００７】
以下、図２に示されるように、イオン源の外側に位置する導入管を導入管１aとし、イオン源の内側に位置する導入管を導入管１b及び導入管の先端部１ｃと称する。上記課題を解決し、導入管全体を飽和温度以上に保持し、セシウムを安定して供給するセシウム導入装置を提供することを本発明の目的とする。
【０００８】
本発明においては、上記目的を達成するかめに、図２に示されるように、導入管を熱伝導率の大きな材質で製作し、導入管１aのみを加熱して、導入管の熱伝導部１b及び導入管の先端部１cを熱伝導で昇温するようにした。また、導入管の加熱面から先端へとスムーズに熱伝導する形状を得るため、導入管１a、導入管の熱伝導部１b、導入管の先端部１cの外径を、それぞれ、Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃとし、Ｄｃ≦Ｄｂ≦Ｄａとした。
【０００９】
さらに、加熱・昇温時における強度低下を防止する手段として、補強管６ａ、６ｂ、６ｃを導入管の外周あるいは内周に挿入した。導入管のフランジ１１からの放熱量を低減する手段として、導入管１ａからフランジまでの距離を長くして、その間の熱抵抗を大きくした。その具体的手段として、導入管１ａと導入管の熱伝導部１ｂの境界部に円板状つば１４を取付け、その外周に円筒スリーブ１３を取付け、その端部にフランジ１１を接続した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
導入管を熱伝導率の大きな材質で製作したので、導入管１ａを加熱すれば、導入管の熱伝導部１ｂは熱伝導で昇温する。導入管の先端部１ｃは導入管表面からの輻射放熱のため、導入管１ａより温度差ΔＴだけ低温になるが、導入管１ａをあらかじめΔＴだけ高く設定すれば、導入管の先端部１ｃはセシウムの飽和温度以上になる。また、導入管は熱伝導が良いので短時間で飽和温度以上に昇温する。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図１〜図１４により説明する。図１にセシウム導入装置全体の縦断面図を示す。主要構成要素は導入管１、空気圧式駆動弁２、弁３、及び貯蔵タンク４であり、それらの周囲にヒータ５、断熱材１５が配置されている。導入管１に設けられたフランジｌｌと、イオン源鏡板１９に設けられたフランジ１２とを接続することにより、導入管１と負イオン源のイオン生成部７とを連絡する。
【００１２】
図２に導入管１の縦断面図を示す。導入管１ａは根元部をフランジｌｌで固定し、導入管１ｂの先端部ｌｃを円板状リング１０に挿入し、固定した。フランジｌｌは円筒スリーブ１３と円板状つば１４によって、導入管１に接続される。円板状つば１４の左側を導入管ｌａ、右側を導入管ｂと称する。本実施例では、導入管ｌａを外側からヒータ５で加熱した。
【００１３】
導入管１としては、加熱面と先端の温度差が小さくて、昇温時間の短い導入管がよい。そのため、材料の選定、形状の設計が重要である。
【００１４】
材料の選定のため、図９に示した基本特性解析モデルにより、一般に配管材として使用されている材料について、導入管先端の温度変化を計算した結果が図１０である。ステンレス材及び鋼材では、導入管１の先端が昇温されず、使用できないため、導入管１の材質を銅とした。なお、従来はステンレス管で厚さが２ｍｍであった。
【００１５】
本実施例によれば、熱伝導の良い銅を導入管１に用いたので、加熱面と先端の温度差を小さくすることができる。また、昇温時間を小さくできる。
【００１６】
しかし、銅は３００℃以上になると軟化する性質があるので、対策が必要であるが、まず、銅製の導入管１の形状について検討する。
【００１７】
また、導入管１は図１、図２および図３に示したように、導入管ｌａはヒータ５で加熱するので、その外径Ｄａを、導入管の熱伝導部１ｂの外径Ｄｂより大きくした。また、導入管の先端部ｌｃはポート９に取付け、円板状リング１０に挿入するので、その外径ＤｃをＤｂより小さくした。したがって、本発明では、Ｄａ≧Ｄｂ≧Ｄｃとした。
【００１８】
本実施例によれば、ヒータ５で加熱された熱は、導入管ｌａよりスムーズに導入管の熱伝導部１ｂ、導入管の先端部ｌｃへと伝導することができる。
【００１９】
前述のように、銅は軟化するので、図４に示すように、導入管１の内周あるいは外周に補強管６ａ、６ｂ、６ｃを挿入した。これらいずれか一つでも補強効果がある。補強管６ａ、６ｂ、６ｃの材質としてはステンレスを採用した。本実施例によれば、これら補強管により、導入管１ａがヒータ５で加熱・昇温され、銅の部分が軟化しても、導入管１全体の強度低下を防止することができる。
【００２０】
図５〜図８に、フランジ１１の取付け位置、構造、及び、構成要素を示した。図５において、導入管ｌａと導入管の熱伝導部ｌｂの境界部に、図８に示す円板状つば１４を取付け、その外周に図７に示す円筒スリーブ１３を取付け、その端部にフランジｌｌを接続する。本実施例では、導入管ｌａからフランジｌｌまでの距離を長くして、その間の熱抵抗を大きくしたので、フランジｌｌからの放熱量が少ない。
【００２１】
従来構造のフランジからの放熱量と本発明のフランジからの放熱量を比較するために、図１１、図１２に示した計算モデルを用いる。図１１は従来構造モデル、図１２は本発明のモデルである。本発明のモデルにおいて、円筒スリーブの長さをＬｆとする。
【００２２】
図１３にフランジからの放熱量を示す。本発明は従来構造に比べて放熱量が明らかに小さい。Ｌｆ＝８０ｍｍ程度にすると従来フランジの１／４程度になる。
【００２３】
また、本発明のフランジにおいて、Ｌｆの増加と共に放熱量が減少し、その勾配もＬｆの増加と共に減少する。本発明のフランジは放熱量が小さいため、図１４に示すように、その加熱面の温度上昇も小さく、Ｌｆ＝８０ｍｍ程度にすると従来フランジの約１／２になる。
【００２４】
本実施例によれば、フランジ１１からの放熱量が小さく、加熱面の温度上昇も小さくできる。
【００２５】
以上、本実施例によれば、（１）導入管の加熱面と先端の温度差が小さい、昇温時間の小さな材質、銅を選定できる。（２）導入管の加熱面から先端へとスムーズに熱伝導する導入管の形状を提供できる。（３）補強管を導入管に挿入することにより、加熱・昇温による銅製部分の軟化を補い、導入管１全体の強度低下を防止することができる。（４）放熱量の小さなフランジ構造を提供できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン源の外側に位置する導入管１ａのみを加熱しても、導入管の先端部１ｃまで飽和温度以上に昇温できるので、イオン源内側の断線し易いヒータを削除できる。また、セシウムを安定して導入できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例のセシウム導入装置とイオン源の縦断面図である。
【図２】  本発明の一実施例の導入管の縦断面図である。
【図３】  本発明の一実施例の導入管外径の説明図である。
【図４】  本発明の一実施例の補強管取付け説明図である。
【図５】  本発明のフランジの取付け位置、構造及びその構成要素を示す図である。
【図６】  本発明のフランジの構造を示す図である。
【図７】  本発明の円筒スリーブの構造を示す図である。
【図８】  本発明の円板状つば構造を示す図である。
【図９】  本発明の導入管の基本伝熱特性解析モデルを示す図である。
【図１０】  本発明の導入管先端の温度変化を示す図である。
【図１１】  従来の導入管のフランジ形状計算モデルを示す図である。
【図１２】  本発明の導入管のフランジ形状計算モデルである。
【図１３】  本発明のフランジからの放熱量を示す図である。
【図１４】  本発明のフランジ設置による加熱面の温度上昇の変化を示す図である。
【符号の説明】
１・・・導入管、ｌａ・・・イオン源の外側に配置された導入管、ｌｂ・・・導入管の熱伝導部、ｌｃ・・・導入管の先端部、２・・・空気圧式駆動弁、３・・・弁、４・・・貯蔵タンク、５・・・ヒータ、６ａ〜６ｃ・・・補強管、７・・・イオン生成部、８・・・イオン生成部内壁、９・・・ポート、１０・・・円板状リング、１１・・・フランジ、１２・・・フランジ、１３・・・円筒スリーブ、１４・・・円板状つば、１５・・・断熱材、１９・・・イオン源鏡板、１０１・・・セシウム液、１０２・・・セシウム蒸気系統
【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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【図１３】
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【図１４】
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