JP2858191B2 - 核融合炉のブランケット - Google Patents
核融合炉のブランケットInfo
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、核融合炉のブランケッ
トに係り、特に、熱変形による伝熱特性への影響を軽減
でき、しかも製造の容易な核融合炉のブランケットの構
造に関するものである。
トに係り、特に、熱変形による伝熱特性への影響を軽減
でき、しかも製造の容易な核融合炉のブランケットの構
造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】核融合炉のブランケットには、種々の方
式のものが考案されているが、その１つにピン型ブラン
ケットがある。
式のものが考案されているが、その１つにピン型ブラン
ケットがある。
【０００３】図９は、従来のピン型ブランケットの一例
の構造を示す図である。多数のブランケットピンモデュ
ール２が、ブランケット容器１の内部には、設置されて
おり、各ブランケットピンモデュール２は、図１０に示
すように４重管で構成されている。中央部のトリチウム
増殖材被覆管５内には、トリチウム増殖材４が、充填さ
れている。その外側にはヘリウムギャップ９があり、ヘ
リウムギャップ９の内部にはスペーサ１０があり、内側
冷却管１１で冷却材３の層を仕切っている。その外側に
は、外側冷却管１２が中性子増倍材６を仕切っており、
最も外側にピンモデュール被覆管７がある。
の構造を示す図である。多数のブランケットピンモデュ
ール２が、ブランケット容器１の内部には、設置されて
おり、各ブランケットピンモデュール２は、図１０に示
すように４重管で構成されている。中央部のトリチウム
増殖材被覆管５内には、トリチウム増殖材４が、充填さ
れている。その外側にはヘリウムギャップ９があり、ヘ
リウムギャップ９の内部にはスペーサ１０があり、内側
冷却管１１で冷却材３の層を仕切っている。その外側に
は、外側冷却管１２が中性子増倍材６を仕切っており、
最も外側にピンモデュール被覆管７がある。
【０００４】核融合反応では、 Ｄ ＋ Ｔ ＝ ｎ ＋ α ……………………(1) のように反応して、トリチウムが１個消費され、１個の
中性子が放出される。燃料の１つであるトリチウムは、
天然には無い核種なので、核融合反応を維持するには、
この中性子を用いて、核融合炉自身でトリチウムを生産
しなければならない。そのため、ブランケット内には、
中性子と反応してトリチウムを生成するリチウムまたは
その化合物が充填されている。
中性子が放出される。燃料の１つであるトリチウムは、
天然には無い核種なので、核融合反応を維持するには、
この中性子を用いて、核融合炉自身でトリチウムを生産
しなければならない。そのため、ブランケット内には、
中性子と反応してトリチウムを生成するリチウムまたは
その化合物が充填されている。
【０００５】一般に、核融合反応で消費されたトリチウ
ムの消費率と、ブランケットでのトリチウムの生産率と
の比を、トリチウム増殖比という。核融合炉では、(1)
のように１個のトリチウムが消費されて１個の中性子が
放出されるので、トリチウム増殖比を１以上にすれば、
消費したトリチウム以上のトリチウムを生産できる。ま
た、新たに核融合炉を建設するためには、運転初期に装
荷するためのトリチウムが必要である。そのためのトリ
チウムも生産することを考えて、トリチウム増殖比は、
１を１０％程度越えていることが要求される。なお、ト
リチウムは、放射性核種で半減期１２年を持つため、生
産したトリチウムは年々減少していく。この点も考慮し
て、トリチウム増殖比は、１を１０％程度越えているこ
とが要求される。
ムの消費率と、ブランケットでのトリチウムの生産率と
の比を、トリチウム増殖比という。核融合炉では、(1)
のように１個のトリチウムが消費されて１個の中性子が
放出されるので、トリチウム増殖比を１以上にすれば、
消費したトリチウム以上のトリチウムを生産できる。ま
た、新たに核融合炉を建設するためには、運転初期に装
荷するためのトリチウムが必要である。そのためのトリ
チウムも生産することを考えて、トリチウム増殖比は、
１を１０％程度越えていることが要求される。なお、ト
リチウムは、放射性核種で半減期１２年を持つため、生
産したトリチウムは年々減少していく。この点も考慮し
て、トリチウム増殖比は、１を１０％程度越えているこ
とが要求される。
【０００６】核融合炉のブランケットにおいては、核融
合反応で発生した中性子は、次のようにリチウムと反応
してトリチウムを生成する。
合反応で発生した中性子は、次のようにリチウムと反応
してトリチウムを生成する。
【０００７】6 Ｌｉ ＋ ｎ ＝ Ｔ ＋ α…………………(2)7 Ｌｉ ＋ ｎ ＝ ｎ´＋ Ｔ ＋ α ………(3) (2)の反応は、6Ｌｉが熱中性子に対して９４０バーンと
いう大きなトリチウム生成反応断面積をもつ。この断面
積は、中性子の速度をｖとすると、１／ｖで変化し、２
５０ｋｅＶの中性子エネルギーで３.５バーンの共鳴を
もつ反応である。このため中性子のエネルギーが低い方
が反応し易くなる。
いう大きなトリチウム生成反応断面積をもつ。この断面
積は、中性子の速度をｖとすると、１／ｖで変化し、２
５０ｋｅＶの中性子エネルギーで３.５バーンの共鳴を
もつ反応である。このため中性子のエネルギーが低い方
が反応し易くなる。
【０００８】一方(3)の反応は、トリチウムを生成して
かつ中性子を生成する反応であり、この中性子は再び 6
Ｌｉと(2)の反応をして、トリチウムを生成する。これ
らの２つの反応によって、(1)のＤＴ反応で消費された
量以上のトリチウムを生産できる可能性がある。しか
し、7Ｌｉのトリチウム生成反応断面積は０.５バーンで
しきい値は２.５ＭｅＶを持つ反応であり、トリチウム
増殖比が１を大幅に越えるには至らない。そのため、ほ
とんどのブランケットでは、ベリリウムまたは鉛または
それらの化合物である中性子増倍材を用いて、核融合反
応で発生した中性子を次のように、 Ｂｅ ＋ ｎ ＝ ２ｎ ＋ ２α ……………(4) 中性子増倍材と反応させて中性子を増やした後、6Ｌｉ
と反応させてトリチウム増殖比を向上させる方法を採用
している。
かつ中性子を生成する反応であり、この中性子は再び 6
Ｌｉと(2)の反応をして、トリチウムを生成する。これ
らの２つの反応によって、(1)のＤＴ反応で消費された
量以上のトリチウムを生産できる可能性がある。しか
し、7Ｌｉのトリチウム生成反応断面積は０.５バーンで
しきい値は２.５ＭｅＶを持つ反応であり、トリチウム
増殖比が１を大幅に越えるには至らない。そのため、ほ
とんどのブランケットでは、ベリリウムまたは鉛または
それらの化合物である中性子増倍材を用いて、核融合反
応で発生した中性子を次のように、 Ｂｅ ＋ ｎ ＝ ２ｎ ＋ ２α ……………(4) 中性子増倍材と反応させて中性子を増やした後、6Ｌｉ
と反応させてトリチウム増殖比を向上させる方法を採用
している。
【０００９】このような理由から、従来のブランケット
では、ピンモデュールには中性子増倍材６の層が設置さ
れている。その内側の冷却材３には、水が使用されてお
り、運転中の水の温度は、核融合炉の目的によって〜１
００℃（発電しないでトリチウム生産のみを目的とした
ブランケット）、〜３００℃（発電しかつトリチウムを
生産するブランケット）の温度範囲に設計される。
では、ピンモデュールには中性子増倍材６の層が設置さ
れている。その内側の冷却材３には、水が使用されてお
り、運転中の水の温度は、核融合炉の目的によって〜１
００℃（発電しないでトリチウム生産のみを目的とした
ブランケット）、〜３００℃（発電しかつトリチウムを
生産するブランケット）の温度範囲に設計される。
【００１０】ところが、生成されたトリチウムがトリチ
ウム増殖材４の中から放出されるためには、材料の種類
にもよるが４５０℃以上の温度が必要である。一方で
は、トリチウム増殖材自身の健全性から８５０℃以下で
運転しなければならない。すなわち、核融合炉の運転中
は、トリチウム増殖材５は、４５０℃〜８５０℃の範囲
で使用しなければならない。したがって、冷却材３の温
度とトリチウム増殖材４の温度との間には、〜３５０℃
または〜１５０℃の温度差が存在する。
ウム増殖材４の中から放出されるためには、材料の種類
にもよるが４５０℃以上の温度が必要である。一方で
は、トリチウム増殖材自身の健全性から８５０℃以下で
運転しなければならない。すなわち、核融合炉の運転中
は、トリチウム増殖材５は、４５０℃〜８５０℃の範囲
で使用しなければならない。したがって、冷却材３の温
度とトリチウム増殖材４の温度との間には、〜３５０℃
または〜１５０℃の温度差が存在する。
【００１１】この温度差をつけるため、従来のブランケ
ットでは、冷却材３とトリチウム増殖材４のとの間に、
幅１ｍｍのヘリウムギャップ９を設置している。また、
従来のブランケットでは、トリチウム増殖材４には、リ
チウムアルミネイトＬｉＡｌＯ2が用いられ、中性子増
倍材６には、ベリリウムが用いられている。リチウムア
ルミネイトとベリリウムは、高温での共存性が悪いの
で、両者を分離して使用する必要がある。従来のブラン
ケットでは、図１０のように、中央にトリチウム増殖
材，最外層に中性子増倍材を装着し、冷却層を挟んで設
置している。このような考えから、従来のブランケット
は、４重管構造となっている。
ットでは、冷却材３とトリチウム増殖材４のとの間に、
幅１ｍｍのヘリウムギャップ９を設置している。また、
従来のブランケットでは、トリチウム増殖材４には、リ
チウムアルミネイトＬｉＡｌＯ2が用いられ、中性子増
倍材６には、ベリリウムが用いられている。リチウムア
ルミネイトとベリリウムは、高温での共存性が悪いの
で、両者を分離して使用する必要がある。従来のブラン
ケットでは、図１０のように、中央にトリチウム増殖
材，最外層に中性子増倍材を装着し、冷却層を挟んで設
置している。このような考えから、従来のブランケット
は、４重管構造となっている。
【００１２】図９に示した従来のブランケットの赤道断
面が、核融合炉のポロイダル断面に従って、上下に８ｍ
に亘って連続している。
面が、核融合炉のポロイダル断面に従って、上下に８ｍ
に亘って連続している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のブランケッ
トにおいては、冷却材３の温度とトリチウム増殖材４の
温度との間の〜３５０℃または〜１５０℃の温度差を幅
１mmのヘリウムギャップにより得ているので、ヘリウム
ギャップ幅が熱変形により変化すると、トリチウム増殖
材の温度特性が大きく変化する。特に、ギャップ幅が１
mmと小さいため、ギャップ幅の変化に対してトリチウム
増殖材の温度特性の変化は、過敏である。ギャップ間の
温度差は、近似的にはギャップ幅に逆比例するので、ギ
ャップ幅が０.５mm変化すると考えれば、冷却材３とト
リチウム増殖材４との温度差は、〜３５０℃±１７５℃
または〜１５０℃±７５℃となる。
トにおいては、冷却材３の温度とトリチウム増殖材４の
温度との間の〜３５０℃または〜１５０℃の温度差を幅
１mmのヘリウムギャップにより得ているので、ヘリウム
ギャップ幅が熱変形により変化すると、トリチウム増殖
材の温度特性が大きく変化する。特に、ギャップ幅が１
mmと小さいため、ギャップ幅の変化に対してトリチウム
増殖材の温度特性の変化は、過敏である。ギャップ間の
温度差は、近似的にはギャップ幅に逆比例するので、ギ
ャップ幅が０.５mm変化すると考えれば、冷却材３とト
リチウム増殖材４との温度差は、〜３５０℃±１７５℃
または〜１５０℃±７５℃となる。
【００１４】ギャップ幅が１ｍｍから０.５ｍｍに小さ
くなった場合、すなわち、−１７５℃または−７５℃の
場合を考えると、それぞれトリチウム増殖材４の最低温
度が、２７５℃または３７５℃となり、トリチウムの回
収が困難となる。このような場合でもトリチウムの回収
が可能であるようにピンモデュールを設計するには、ト
リチウム増殖材４の運転中の最低温度を高めに設定しな
ければならない。すなわち、それぞれ、 ４５０℃ ＋１７５℃＝６２５℃ （トリチウム増殖のみのブランケット） ４５０℃ ＋ ７５℃＝５２５℃ （発電およびトリチウム増殖用ブランケット） となるように設定しなければならない。
くなった場合、すなわち、−１７５℃または−７５℃の
場合を考えると、それぞれトリチウム増殖材４の最低温
度が、２７５℃または３７５℃となり、トリチウムの回
収が困難となる。このような場合でもトリチウムの回収
が可能であるようにピンモデュールを設計するには、ト
リチウム増殖材４の運転中の最低温度を高めに設定しな
ければならない。すなわち、それぞれ、 ４５０℃ ＋１７５℃＝６２５℃ （トリチウム増殖のみのブランケット） ４５０℃ ＋ ７５℃＝５２５℃ （発電およびトリチウム増殖用ブランケット） となるように設定しなければならない。
【００１５】一方、ギャップ幅が１ｍｍから1.5ｍｍに
大きくなった場合を考えると、すなわち、＋１７５℃ま
たは＋７５℃の場合を考えると、トリチウム増殖材４の
運転中の最高温度は、それぞれ１０２５℃または９２５
℃となり、トリチウム増殖材の健全性を危うくする。こ
れを避けるには、トリチウム増殖材４の運転中の最高温
度を低めに設定しなければならない。すなわち、それぞ
れ、 ８５０℃−１７５℃＝６７５℃ （トリチウム増殖のみのブランケット） ８５０℃− ７５℃＝７７５℃ （発電およびトリチウム増殖用ブランケット） となるように、設計値を設定しなければならない。
大きくなった場合を考えると、すなわち、＋１７５℃ま
たは＋７５℃の場合を考えると、トリチウム増殖材４の
運転中の最高温度は、それぞれ１０２５℃または９２５
℃となり、トリチウム増殖材の健全性を危うくする。こ
れを避けるには、トリチウム増殖材４の運転中の最高温
度を低めに設定しなければならない。すなわち、それぞ
れ、 ８５０℃−１７５℃＝６７５℃ （トリチウム増殖のみのブランケット） ８５０℃− ７５℃＝７７５℃ （発電およびトリチウム増殖用ブランケット） となるように、設計値を設定しなければならない。
【００１６】以上のように、トリチウム増殖材４の運転
中の最低温度と最高温度とを比較すると、発電しかつト
リチウム生産するブランケットでは、トリチウム増殖材
４の運転中の温度範囲は、５２５℃〜７７５℃と２５０
℃の余裕がある。しかし、発電しないでトリチウム生産
のみ目的としたブランケットの場合には、トリチウム増
殖材４の運転中の温度範囲としては、６２５℃〜６７５
℃と５０℃の余裕しか許されないことになる。上下８ｍ
に亘って、０.５ｍｍ以下の熱変形に抑えることは、製
造上非常に困難である。
中の最低温度と最高温度とを比較すると、発電しかつト
リチウム生産するブランケットでは、トリチウム増殖材
４の運転中の温度範囲は、５２５℃〜７７５℃と２５０
℃の余裕がある。しかし、発電しないでトリチウム生産
のみ目的としたブランケットの場合には、トリチウム増
殖材４の運転中の温度範囲としては、６２５℃〜６７５
℃と５０℃の余裕しか許されないことになる。上下８ｍ
に亘って、０.５ｍｍ以下の熱変形に抑えることは、製
造上非常に困難である。
【００１７】このように、従来のブランケットは、熱変
形の影響を受け易い欠点があった。また、ピンモデュー
ルは、直径が５ｃｍ足らずの円管の内部に、１ｍｍのギ
ャップを含む３重管を挿入した構造となっているため、
多数本のピンモデュールを所定の精度で製造することが
困難であるという欠点があった。
形の影響を受け易い欠点があった。また、ピンモデュー
ルは、直径が５ｃｍ足らずの円管の内部に、１ｍｍのギ
ャップを含む３重管を挿入した構造となっているため、
多数本のピンモデュールを所定の精度で製造することが
困難であるという欠点があった。
【００１８】本発明の目的は、熱変形による伝熱特性へ
の影響を軽減し、構造を単純化することによって製造性
の高い核融合炉のブランケットを提供することにある。
の影響を軽減し、構造を単純化することによって製造性
の高い核融合炉のブランケットを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、磁場により閉じ込められたプラズマ中の
核融合反応で消費された核融合炉の燃料の一つであるト
リチウムを生産するためのトリチウム増殖材と、トリチ
ウム生成効率を高めるための中性子増倍材と、核融合反
応で発生する中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに
変換しこの熱を取り出す冷却材とを収納する冷却構造を
内部に有するブランケット容器を備え、プラズマに近接
する領域に設置される核融合炉のブランケットにおい
て、トリチウム増殖材と中性子増倍材と冷却材のうちい
ずれかの２つの材料を充填した管をブランケット容器内
に装着し、管とブランケット容器との間の空間に残りの
材料を充填した核融合炉のブランケットを提案するもの
である。
成するために、磁場により閉じ込められたプラズマ中の
核融合反応で消費された核融合炉の燃料の一つであるト
リチウムを生産するためのトリチウム増殖材と、トリチ
ウム生成効率を高めるための中性子増倍材と、核融合反
応で発生する中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに
変換しこの熱を取り出す冷却材とを収納する冷却構造を
内部に有するブランケット容器を備え、プラズマに近接
する領域に設置される核融合炉のブランケットにおい
て、トリチウム増殖材と中性子増倍材と冷却材のうちい
ずれかの２つの材料を充填した管をブランケット容器内
に装着し、管とブランケット容器との間の空間に残りの
材料を充填した核融合炉のブランケットを提案するもの
である。
【００２０】本発明は、また、内側の管にトリチウム増
殖材を充填しその外側の管に中性子増倍材を充填した２
重管をブランケット容器内に装着し、２重管とブランケ
ット容器との間の空間に前記冷却材を充填した核融合炉
のブランケットを提案するものである。
殖材を充填しその外側の管に中性子増倍材を充填した２
重管をブランケット容器内に装着し、２重管とブランケ
ット容器との間の空間に前記冷却材を充填した核融合炉
のブランケットを提案するものである。
【００２１】本発明は、さらに、内側の管に冷却材を充
填しその外側の管に中性子増倍材を充填した２重管をブ
ランケット容器内に装着し、２重管とブランケット容器
との間の空間にトリチウム増殖材を充填した核融合炉の
ブランケットを提案するものである。
填しその外側の管に中性子増倍材を充填した２重管をブ
ランケット容器内に装着し、２重管とブランケット容器
との間の空間にトリチウム増殖材を充填した核融合炉の
ブランケットを提案するものである。
【００２２】冷却材を管とブランケット容器との間の空
間に充填した核融合炉のブランケットにおいては、冷却
材中で２重管同士またはカランドリア管同士を支持する
スペーサが、冷却材の流れに分布を付ける断面形状を有
するようにできる。
間に充填した核融合炉のブランケットにおいては、冷却
材中で２重管同士またはカランドリア管同士を支持する
スペーサが、冷却材の流れに分布を付ける断面形状を有
するようにできる。
【００２３】本発明は、冷却材を満たした管とトリチウ
ム増殖材を充填した管とをそれぞれブランケット容器内
に装着し、各管とブランケット容器との間の空間に中性
子増倍材を充填した核融合炉のブランケットを提案する
ものである。
ム増殖材を充填した管とをそれぞれブランケット容器内
に装着し、各管とブランケット容器との間の空間に中性
子増倍材を充填した核融合炉のブランケットを提案する
ものである。
【００２４】いずれの場合も、トリチウム増殖材は、具
体的には、リチウムまたはリチウム化合物のペブルまた
はペレットであり、中性子増倍材は、具体的には、ベリ
リウムおよび／または鉛のペブルまたはペレットであ
る。これらのペブルまたはペレットは、伝熱特性を制御
するために、空孔密度を制御したペブルまたはペレット
とすることが可能である。
体的には、リチウムまたはリチウム化合物のペブルまた
はペレットであり、中性子増倍材は、具体的には、ベリ
リウムおよび／または鉛のペブルまたはペレットであ
る。これらのペブルまたはペレットは、伝熱特性を制御
するために、空孔密度を制御したペブルまたはペレット
とすることが可能である。
【００２５】
【作用】本発明の核融合炉のブランケットにおいては、
トリチウム増殖材と中性子増倍材と冷却材のうち、いず
れかの材料をブランケット容器内に充填し、その中に残
りの材料を充填した管を装着し、冷却材とトリチウム増
殖材との間に中性子増倍材が介在する構造を採用して、
冷却材の温度とトリチウム増殖材の温度との間の〜３５
０℃または〜１５０℃の温度差を中性子増倍材であるベ
リリウムを介して得ている。この場合、中性子増倍材で
あるベリリウムの層は、少なくとも１０ｍｍ以上の厚さ
を持っているので、熱変形により厚さが例えば１ｍｍ程
度変化しても、伝熱特性への影響は小さい。また、ピン
構造を高々２重管としてあるので、製造が容易である。
トリチウム増殖材と中性子増倍材と冷却材のうち、いず
れかの材料をブランケット容器内に充填し、その中に残
りの材料を充填した管を装着し、冷却材とトリチウム増
殖材との間に中性子増倍材が介在する構造を採用して、
冷却材の温度とトリチウム増殖材の温度との間の〜３５
０℃または〜１５０℃の温度差を中性子増倍材であるベ
リリウムを介して得ている。この場合、中性子増倍材で
あるベリリウムの層は、少なくとも１０ｍｍ以上の厚さ
を持っているので、熱変形により厚さが例えば１ｍｍ程
度変化しても、伝熱特性への影響は小さい。また、ピン
構造を高々２重管としてあるので、製造が容易である。
【００２６】
【実施例】図１〜図３を参照して、本発明による核融合
炉のブランケットの一実施例を説明する。図１は、本実
施例の核融合炉のブランケットの赤道断面を示す図であ
る。中性子は、図の左側のプラズマから放出される。ブ
ランケット容器１内には、ピンモデュール２を装着して
あり、ピンモデュール２とブランケット容器１との間の
空間に冷却材である水３を充填している。
炉のブランケットの一実施例を説明する。図１は、本実
施例の核融合炉のブランケットの赤道断面を示す図であ
る。中性子は、図の左側のプラズマから放出される。ブ
ランケット容器１内には、ピンモデュール２を装着して
あり、ピンモデュール２とブランケット容器１との間の
空間に冷却材である水３を充填している。
【００２７】図２は、ピンモデュール２の構造を示す図
である。トリチウム増殖材被覆管５には、トリチウム増
殖材であるリチウムジルコネイト４が充填されている。
このトリチウム増殖材被覆管５を中心として、ピンモデ
ュール被覆管７には、中性子増倍材６であるベリリウム
が充填されている。
である。トリチウム増殖材被覆管５には、トリチウム増
殖材であるリチウムジルコネイト４が充填されている。
このトリチウム増殖材被覆管５を中心として、ピンモデ
ュール被覆管７には、中性子増倍材６であるベリリウム
が充填されている。
【００２８】プラズマからの１４ＭｅＶのエネルギーを
もつ中性子束は、４.４×１０13ｎ/ｃｍ2ｓで、ブラン
ケット容器１のプラズマ側である第一壁により、その一
部が減速または吸収される。その結果、第一壁をステン
レス鋼で製造し水冷却とした場合、第一壁での核発熱
は、約１５Ｗ/ｃｍ3となる。第一壁で吸収を逃れ減速さ
れた中性子の一部は、冷却材３である水で減速され、持
っている運動エネルギーの一部を、第一壁近傍で、７〜
８Ｗ／ｃｍ3の核発熱として放出する。第一壁近傍の水
の領域を通過した中性子は、中性子増倍材６であるベリ
リウムと、上記(2)式のように反応し、中性子を増倍す
る。ベリリウムは、優れた中性子減速材でもあるので、
ベリリウム中で中性子が減速される過程において運動エ
ネルギーを放出するが、中性子増倍反応である(2)式の
反応は吸熱反応であるため、両者が相殺し、放出される
核発熱が小さくなる。その発熱量は、第一壁近傍で２〜
３Ｗ／ｃｍ3程度である。
もつ中性子束は、４.４×１０13ｎ/ｃｍ2ｓで、ブラン
ケット容器１のプラズマ側である第一壁により、その一
部が減速または吸収される。その結果、第一壁をステン
レス鋼で製造し水冷却とした場合、第一壁での核発熱
は、約１５Ｗ/ｃｍ3となる。第一壁で吸収を逃れ減速さ
れた中性子の一部は、冷却材３である水で減速され、持
っている運動エネルギーの一部を、第一壁近傍で、７〜
８Ｗ／ｃｍ3の核発熱として放出する。第一壁近傍の水
の領域を通過した中性子は、中性子増倍材６であるベリ
リウムと、上記(2)式のように反応し、中性子を増倍す
る。ベリリウムは、優れた中性子減速材でもあるので、
ベリリウム中で中性子が減速される過程において運動エ
ネルギーを放出するが、中性子増倍反応である(2)式の
反応は吸熱反応であるため、両者が相殺し、放出される
核発熱が小さくなる。その発熱量は、第一壁近傍で２〜
３Ｗ／ｃｍ3程度である。
【００２９】ベリリウムを通過しまたは減速された中性
子およびベリリウムで増倍された中性子は、トリチウム
増殖材４と上記(2)，(3)式のように反応し、トリチウム
を生成する。ベリリウムを通過した多くの中性子のエネ
ルギーは、(3)式の反応のしきい値２.５ＭｅＶより低い
ので、トリチウム生成反応の中で(3)式の反応の占める
割合は、数％と小さく、ほとんどは(2)式の反応とな
る。(2)式の反応は、発熱反応であり、一回の反応で４.
８ＭｅＶのエネルギーを放出する。本実施例の核融合炉
のブランケットでは、トリチウム増殖材４としてリチウ
ムジルコネイトＬｉ2ＺｒＯ3を用いた場合、第一壁近傍
領域でのリチウムジルコネイトＬｉ2ＺｒＯ3の核発熱
は、〜２５Ｗ／ｃｍ3となる。
子およびベリリウムで増倍された中性子は、トリチウム
増殖材４と上記(2)，(3)式のように反応し、トリチウム
を生成する。ベリリウムを通過した多くの中性子のエネ
ルギーは、(3)式の反応のしきい値２.５ＭｅＶより低い
ので、トリチウム生成反応の中で(3)式の反応の占める
割合は、数％と小さく、ほとんどは(2)式の反応とな
る。(2)式の反応は、発熱反応であり、一回の反応で４.
８ＭｅＶのエネルギーを放出する。本実施例の核融合炉
のブランケットでは、トリチウム増殖材４としてリチウ
ムジルコネイトＬｉ2ＺｒＯ3を用いた場合、第一壁近傍
領域でのリチウムジルコネイトＬｉ2ＺｒＯ3の核発熱
は、〜２５Ｗ／ｃｍ3となる。
【００３０】このような核発熱条件を考慮すると、核融
合炉の運転中、トリチウム増殖材５は、４５０℃〜８５
０℃の範囲で使用しなければならない。前記核発熱条件
下においてこの温度範囲の要請を満たすためのピンモデ
ュール２の大きさは、次のようになる。図２に示すピン
モデュール２の直径は〜５０ｍｍ、トリチウム増殖材４
であるリチウムジルコネイトの直径は〜２０ｍｍ、トリ
チウム増殖材被覆管５は肉厚１ｍｍで、その外側の中性
子増倍材６であるベリリウムの厚さは〜１５ｍｍ、最外
部はピンモデュール被覆管７は肉厚１ｍｍである。
合炉の運転中、トリチウム増殖材５は、４５０℃〜８５
０℃の範囲で使用しなければならない。前記核発熱条件
下においてこの温度範囲の要請を満たすためのピンモデ
ュール２の大きさは、次のようになる。図２に示すピン
モデュール２の直径は〜５０ｍｍ、トリチウム増殖材４
であるリチウムジルコネイトの直径は〜２０ｍｍ、トリ
チウム増殖材被覆管５は肉厚１ｍｍで、その外側の中性
子増倍材６であるベリリウムの厚さは〜１５ｍｍ、最外
部はピンモデュール被覆管７は肉厚１ｍｍである。
【００３１】このような構成のピンモデュール群からな
る核融合炉のブランケットでは、冷却材３の温度を１０
０℃とした場合でも、トリチウム増殖材４の運転中の最
低温度４５０℃との間の温度差３５０℃であり、この温
度差を中性子増倍材６の層で達成できる。中性子増倍材
６の層の厚さ１５mmが熱変形により１ｍｍ変化したとす
ると、温度差の変化ΔＴは、 ΔＴ＝３５０／１５＝２３℃ のように、高々２３℃である。したがって、トリチウム
増殖材４の運転中の最低温度が４５０℃以下にならない
ように、熱変形２ｍｍ程度見込んでも、設計温度を〜５
００℃程度に設定し、ピンモデュール２の構造を決めれ
ばよい。ピンモデュール２は、肉厚１ｍｍ直径５ｃｍの
管に、肉厚１ｍｍ直径２ｃｍの管を挿入した構造となっ
ているので、内部に部分的にサポートすれば、長さ８ｍ
のピンモデュール２を製造することは容易である。
る核融合炉のブランケットでは、冷却材３の温度を１０
０℃とした場合でも、トリチウム増殖材４の運転中の最
低温度４５０℃との間の温度差３５０℃であり、この温
度差を中性子増倍材６の層で達成できる。中性子増倍材
６の層の厚さ１５mmが熱変形により１ｍｍ変化したとす
ると、温度差の変化ΔＴは、 ΔＴ＝３５０／１５＝２３℃ のように、高々２３℃である。したがって、トリチウム
増殖材４の運転中の最低温度が４５０℃以下にならない
ように、熱変形２ｍｍ程度見込んでも、設計温度を〜５
００℃程度に設定し、ピンモデュール２の構造を決めれ
ばよい。ピンモデュール２は、肉厚１ｍｍ直径５ｃｍの
管に、肉厚１ｍｍ直径２ｃｍの管を挿入した構造となっ
ているので、内部に部分的にサポートすれば、長さ８ｍ
のピンモデュール２を製造することは容易である。
【００３２】各ピンモデュール２は、相互にピンモデュ
ールスペーサ８により、図３のように支持する。ピンモ
デュールスペーサ８は、８ｍにわたるピンモデュール２
のいくつかの箇所に設置し、ピンモデュール２の相互の
間隔を保持させる。ピンモデュールスペーサ８は、冷却
材の流れに分布を付けるために、その断面形状を設置個
所に応じて、変更してもよい。
ールスペーサ８により、図３のように支持する。ピンモ
デュールスペーサ８は、８ｍにわたるピンモデュール２
のいくつかの箇所に設置し、ピンモデュール２の相互の
間隔を保持させる。ピンモデュールスペーサ８は、冷却
材の流れに分布を付けるために、その断面形状を設置個
所に応じて、変更してもよい。
【００３３】なお、本実施例においては、個々のピンモ
デュール２をブランケット容器１内に装着してあるが、
ピンモデュール２を何本かまとめて、いわゆるカランド
リア管に内蔵させ、このカランドリア管をブランケット
容器１に収納してもよい。
デュール２をブランケット容器１内に装着してあるが、
ピンモデュール２を何本かまとめて、いわゆるカランド
リア管に内蔵させ、このカランドリア管をブランケット
容器１に収納してもよい。
【００３４】図４および図５を参照して、本発明による
核融合炉のブランケットの他の実施例を説明する。図４
は、本実施例の核融合炉のブランケットの赤道断面を示
す図である。中性子は、図の左側のプラズマから放出さ
れる。ブランケット１容器内部には、トリチウム増殖材
４が充填されており、その中に冷却材と中性子増倍材と
を含むピンモデュール１５が多数本装着されている。
核融合炉のブランケットの他の実施例を説明する。図４
は、本実施例の核融合炉のブランケットの赤道断面を示
す図である。中性子は、図の左側のプラズマから放出さ
れる。ブランケット１容器内部には、トリチウム増殖材
４が充填されており、その中に冷却材と中性子増倍材と
を含むピンモデュール１５が多数本装着されている。
【００３５】冷却材と中性子増倍材を含むピンモデュー
ル１５は、図５に示すような構造である。すなわち、内
側冷却管１１内を冷却材３である水が占め、内側冷却管
１１とピンモデュール被覆管７との間の空間には、中性
子増倍材６であるベリリウムが充填されている。
ル１５は、図５に示すような構造である。すなわち、内
側冷却管１１内を冷却材３である水が占め、内側冷却管
１１とピンモデュール被覆管７との間の空間には、中性
子増倍材６であるベリリウムが充填されている。
【００３６】本実施例の核融合炉のブランケットにおい
ても、トリチウム増殖材４と冷却材３との間隔は１ｃｍ
程度であるから、トリチウム生産のみ目的とし発電をし
ないブランケットを考えた場合でも、運転中の両者の温
度差３５０℃に対する熱変形による影響は、±３０℃程
度であり、この分を見込んだ設計をすることは可能であ
る。また、構造的には２重管で構成してあり、従来の４
重管と比較して、製造が容易である。
ても、トリチウム増殖材４と冷却材３との間隔は１ｃｍ
程度であるから、トリチウム生産のみ目的とし発電をし
ないブランケットを考えた場合でも、運転中の両者の温
度差３５０℃に対する熱変形による影響は、±３０℃程
度であり、この分を見込んだ設計をすることは可能であ
る。また、構造的には２重管で構成してあり、従来の４
重管と比較して、製造が容易である。
【００３７】図６〜図８を参照して、本発明による核融
合炉のブランケットの別の実施例を説明する。図６は、
本実施例の核融合炉のブランケットの赤道断面を示す図
である。中性子は、図の左側のプラズマから放出され
る。ブランケット容器１には、冷却用ピンモデュール１
３とトリチウム増殖用ピンモデュール１４とが装着され
ており、残りのスペースに中性子増倍材であるベリリウ
ム６が充填されている。
合炉のブランケットの別の実施例を説明する。図６は、
本実施例の核融合炉のブランケットの赤道断面を示す図
である。中性子は、図の左側のプラズマから放出され
る。ブランケット容器１には、冷却用ピンモデュール１
３とトリチウム増殖用ピンモデュール１４とが装着され
ており、残りのスペースに中性子増倍材であるベリリウ
ム６が充填されている。
【００３８】図７は、冷却用ピンモデュールの断面を示
す図である。冷却冷却材である水３は、冷却管を兼ねた
ピンモデュール被覆管７の内部を流れる。
す図である。冷却冷却材である水３は、冷却管を兼ねた
ピンモデュール被覆管７の内部を流れる。
【００３９】図８は、トリチウム増殖用ピンモデュール
の断面を示す図である。トリチウム増殖材４は、ピンモ
デュール被覆管７内に充填されている。
の断面を示す図である。トリチウム増殖材４は、ピンモ
デュール被覆管７内に充填されている。
【００４０】本実施例の核融合炉のブランケットにおい
ても、トリチウム増殖材４と冷却材３との間隔は１ｃｍ
程度であり、トリチウム生産のみ目的とし発電しないブ
ランケットを考えた場合でも、運転中の両者の温度差３
５０℃に対する熱変形による影響は±３０℃程度なの
で、この分を見込んだ設計をすることは可能である。構
造的には、単純な１重管であり、製造は容易である。
ても、トリチウム増殖材４と冷却材３との間隔は１ｃｍ
程度であり、トリチウム生産のみ目的とし発電しないブ
ランケットを考えた場合でも、運転中の両者の温度差３
５０℃に対する熱変形による影響は±３０℃程度なの
で、この分を見込んだ設計をすることは可能である。構
造的には、単純な１重管であり、製造は容易である。
【００４１】なお、いずれの実施例においても、ベリリ
ウムやリチウムおよびそれらの化合物は、ペブルまたは
ペレットの形に成形する。その際に熱伝導率を制御する
ために、空孔率を調整してもよい。
ウムやリチウムおよびそれらの化合物は、ペブルまたは
ペレットの形に成形する。その際に熱伝導率を制御する
ために、空孔率を調整してもよい。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、冷却材とトリチウム増
殖材と中性子増倍材のうち、いずれかの材料をブランケ
ット容器内に充填し、その中に残り２つの材料を充填し
た管を装着し、冷却材とトリチウム増殖材の間に中性子
増倍材を介在させる構造を採用し、少なくとも１０ｍｍ
以上の厚さの中性子増倍材を介して冷却し、冷却材の温
度とトリチウム増殖材の温度との間の所定の温度差を得
ているので、中性子増倍材の厚さが、熱変形により１ｍ
ｍ程度厚さが変化しても、伝熱特性への影響は小さい。
また、本発明の核融合炉のブランケットにおいては、高
々２重管のピン型管群の集合体によりブランケットを構
成してあり、製造が容易である。
殖材と中性子増倍材のうち、いずれかの材料をブランケ
ット容器内に充填し、その中に残り２つの材料を充填し
た管を装着し、冷却材とトリチウム増殖材の間に中性子
増倍材を介在させる構造を採用し、少なくとも１０ｍｍ
以上の厚さの中性子増倍材を介して冷却し、冷却材の温
度とトリチウム増殖材の温度との間の所定の温度差を得
ているので、中性子増倍材の厚さが、熱変形により１ｍ
ｍ程度厚さが変化しても、伝熱特性への影響は小さい。
また、本発明の核融合炉のブランケットにおいては、高
々２重管のピン型管群の集合体によりブランケットを構
成してあり、製造が容易である。
【図１】本発明による核融合炉のブランケットの一実施
例の赤道断面図である。
例の赤道断面図である。
【図２】図１の実施例のピンモデュールの断面図であ
る。
る。
【図３】図１の実施例のピンモデュール管を支持するピ
ンモデュールスペーサの一例を示す図である。
ンモデュールスペーサの一例を示す図である。
【図４】本発明による核融合炉のブランケットの他の実
施例の赤道断面図である。
施例の赤道断面図である。
【図５】図４の実施例のピンモデュールの断面図であ
る。
る。
【図６】本発明による核融合炉のブランケットの別の実
施例の赤道断面図である。
施例の赤道断面図である。
【図７】図６の実施例の冷却管ピンモデュールの断面図
である。
である。
【図８】図６の実施例のトリチウム増殖用ピンモデュー
ルの断面図である。
ルの断面図である。
【図９】従来の核融合炉のブランケットの赤道断面図で
ある。
ある。
【図１０】図９の従来の核融合炉のブランケットに用い
られているピンモデュールの断面図である。
られているピンモデュールの断面図である。
１ ブランケット容器 ２ ブランケットピンモデュール ３ 冷却材 ４ トリチウム増殖材 ５ トリチウム増殖材被覆管 ６ 中性子増倍材 ７ ピンモデュール被覆管 ８ ピンモデュールスペーサ ９ ヘリウムギャップ １０ スペーサ １１ 内側冷却管 １２ 外側冷却管 １３ 冷却用ピンモデュール １４ トリチウム増殖用ピンモデュール １５ 冷却兼中性子増倍用ピンモデュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天田 達雄 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 小澤 義弘 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 宇田 達彦 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所 エネルギー研究所内 (72)発明者 大塚 道夫 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社 日立製作所 エネルギー研究所内 (72)発明者 仁田脇 武志 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 吉田 浩 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の １ 日本原子力研究所 那珂研究所内 (72)発明者 榎枝 幹夫 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の １ 日本原子力研究所 那珂研究所内 (72)発明者 高津 英幸 茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の １ 日本原子力研究所 那珂研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−104293（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−202187（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−231481（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G21B 1/00
Claims (10)
- 【請求項１】 磁場により閉じ込められたプラズマ中の
核融合反応で消費された核融合炉の燃料の一つであるト
リチウムを生産するためのトリチウム増殖材と、トリチ
ウム生成効率を高めるための中性子増倍材と、核融合反
応で発生する中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに
変換し当該熱を取り出す冷却材とを収納する冷却構造を
内部に有するブランケット容器を備え、前記プラズマに
近接する領域に設置される核融合炉のブランケットにお
いて、 前記トリチウム増殖材と中性子増倍材と冷却材のうちい
ずれかの２つの材料を充填した管を前記ブランケット容
器内に装着し、 前記管と前記ブランケット容器との間の空間に残りの材
料を充填したことを特徴とする核融合炉のブランケッ
ト。 - 【請求項２】 磁場により閉じ込められたプラズマ中の
核融合反応で消費された核融合炉の燃料の一つであるト
リチウムを生産するためのトリチウム増殖材と、トリチ
ウム生成効率を高めるための中性子増倍材と、核融合反
応で発生する中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに
変換し当該熱を取り出す冷却材とを収納する冷却構造を
内部に有するブランケット容器を備え、前記プラズマに
近接する領域に設置される核融合炉のブランケットにお
いて、内側の管 に前記トリチウム増殖材を充填しその外側の管
に前記中性子増倍材を充填した２重管を前記ブランケッ
ト容器内に装着し、 前記２重管と前記ブランケット容器との間の空間に前記
冷却材を充填したことを特徴とする核融合炉のブランケ
ット。 - 【請求項３】 磁場により閉じ込められたプラズマ中の
核融合反応で消費された核融合炉の燃料の一つであるト
リチウムを生産するためのトリチウム増殖材と、トリチ
ウム生成効率を高めるための中性子増倍材と、核融合反
応で発生する中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに
変換し当該熱を取り出す冷却材とを収納する冷却構造を
内部に有するブランケット容器を備え、前記プラズマに
近接する領域に設置される核融合炉のブランケットにお
いて、内側の管 に前記冷却材を充填しその外側の管に前記中性
子増倍材を充填した２重管を前記ブランケット容器内に
装着し、 前記２重管と前記ブランケット容器との間の空間に前記
トリチウム増殖材を充填したことを特徴とする核融合炉
のブランケット。 - 【請求項４】 請求項２に記載の核融合炉のブランケッ
トにおいて、 前記冷却材中で前記２重管同士または前記カランドリア
管同士を支持するスペーサが、前記冷却材の流れに分布
を付ける断面形状を有することを特徴とする核融合炉の
ブランケット。 - 【請求項５】 磁場により閉じ込められたプラズマ中の
核融合反応で消費された核融合炉の燃料の一つであるト
リチウムを生産するためのトリチウム増殖材と、トリチ
ウム生成効率を高めるための中性子増倍材と、核融合反
応で発生する中性子の運動エネルギーを熱エネルギーに
変換し当該熱を取り出す冷却材とを収納する冷却構造を
内部に有するブランケット容器を備え、前記プラズマに
近接する領域に設置される核融合炉のブランケットにお
いて、 前記冷却材を満たした管と前記トリチウム増殖材を充填
した管とをそれぞれ前記ブランケット容器内に装着し、 前記各管と前記ブランケット容器との間の空間に中性子
増倍材を充填したことを特徴とする核融合炉のブランケ
ット。 - 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか一項
に記載の核融合炉のブランケットにおいて、 前記トリチウム増殖材が、リチウムまたはリチウム化合
物のペブルまたはペレットであることを特徴とする核融
合炉のブランケット。 - 【請求項７】 請求項６に記載の核融合炉のブランケッ
トにおいて、 前記ペブルまたはペレットが、空孔密度を制御したペブ
ルまたはペレットであることを特徴とする核融合炉のブ
ランケット。 - 【請求項８】 請求項１ないし請求項７のいずれか一項
に記載の核融合炉のブランケットにおいて、 前記中性子増倍材が、ベリリウムおよび／または鉛のペ
ブルまたはペレットであることを特徴とする核融合炉の
ブランケット。 - 【請求項９】 請求項８に記載の核融合炉のブランケッ
トにおいて、 前記ペブルまたはペレットが、空孔密度を制御したペブ
ルまたはペレットであることを特徴とする核融合炉のブ
ランケット。 - 【請求項１０】 請求項１ないし請求項９のいずれか一
項に記載のブランケットを備えた核融合炉。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4241810A JP2858191B2 (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 核融合炉のブランケット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4241810A JP2858191B2 (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 核融合炉のブランケット |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0694866A JPH0694866A (ja) | 1994-04-08 |
| JP2858191B2 true JP2858191B2 (ja) | 1999-02-17 |
Family
ID=17079842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4241810A Expired - Fee Related JP2858191B2 (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 核融合炉のブランケット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2858191B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6715428B2 (ja) * | 2016-11-01 | 2020-07-01 | 三菱重工業株式会社 | ブランケットモジュールおよび核融合装置 |
| GB202018198D0 (en) * | 2020-11-19 | 2021-01-06 | Tokamak Energy Ltd | Breeder blanket |
| CN115440394B (zh) * | 2022-08-31 | 2024-09-10 | 核工业西南物理研究院 | 一种产氚包层 |
-
1992
- 1992-09-10 JP JP4241810A patent/JP2858191B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0694866A (ja) | 1994-04-08 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |