高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム及び高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法
【課題】狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができ、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止する高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムを提供する。
【解決手段】
高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムは真空雰囲気に管理された差動排気室２０と蒸発室１０を備える。蒸発室１０には高熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属と、蒸発した金属を凝縮させる冷却部５０が設けられ、冷却部５０には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システム６０を備える。液体金属は高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪い、金属蒸気は冷却部５０にて凝縮して蒸発室１０の蒸気圧を下げる。蒸発室１０から漏れた金属蒸気は差動排気室２０において除去し、ビーム発生室３０の真空度上昇を妨げる。
【解決手段】
高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムは真空雰囲気に管理された差動排気室２０と蒸発室１０を備える。蒸発室１０には高熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属と、蒸発した金属を凝縮させる冷却部５０が設けられ、冷却部５０には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システム６０を備える。液体金属は高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪い、金属蒸気は冷却部５０にて凝縮して蒸発室１０の蒸気圧を下げる。蒸発室１０から漏れた金属蒸気は差動排気室２０において除去し、ビーム発生室３０の真空度上昇を妨げる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムに係り、特に、真空中でのプラズマ、粒子ビーム、電子ビーム、レーザ等の高熱流束を遮断し、受熱してエネルギーを回収することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム及び高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図３に示すように核融合装置にはダイバータ２００が設置されており、プラズマから多数の中性粒子が、ダイバータ磁力線に沿ってダイバータ室２１０内の固体耐熱材料２２０（対抗材ともいう）に流れ込む。このとき、固体耐熱材料２２０から不純物がたたき出されるが、不純物が中性ガスであれば、ダイバータ室２１０の狭いスリット２３０から殆ど出られず、ダイバータ室２１０から真空排気ポンプで排気される。又、不純物がイオンであれば、同イオンは、ダイバータ磁力線に沿って固体耐熱材料２２０に戻り、中性化される。その結果、不純物がプラズマ内に入ることが妨げられる。
【０００３】
前記固体耐熱材料２２０はモリブデン、タングステン、カーボン材などから構成され、冷却水で冷却されることが多い。ダイバータ磁力線は細い束となりダイバータレグとよばれる。ダイバータレグは大変薄いので対抗材には大変大きな熱流束が流入する。 一般に、パルス的に、すなわち、断続的に高熱流束を受け入れる場合、受け入れる固体耐熱材料の熱容量で対応できれば、冷却する必要はない。しかし、高熱流束の発生が連続的に行われる連続運転の場合、受け入れる固体耐熱材料の熱容量では対応できなくなり、高効率の熱交換が可能な冷却手段を設けるか、或いは、受熱できる粒子（ビーム）の熱流束を小さくする必要がある。
【０００４】
また、前記冷却水により冷却を行う場合、冷却温度を低くしなければ高熱流束を冷却できないため、熱エネルギーの回収が困難になる。
一例として、ＤＴ核融合では、中性子出力の約１／４がα加熱となる。例えば、電気出力百万kW発電炉では、中性子出力が約３ＧＷとなり、α加熱は７５０ＭＷとなる。定常状態ではこのプラズマ加熱入力はプラズマの損失と等しい。プラズマの損失は放射損失か粒子による損失であり、粒子による損失のほとんどはダイバータレグに流れる。仮に１つのダイバータレグにα加熱の１／４が来るとすると、その主半径が６ｍであれば、周長は３８ｍであるので、１ｍ当たり５MWがダイバータレグの対抗材表面に入力する。ダイバータレグの厚さは１〜５cmである。
【０００５】
したがって、ダイバータレグの対抗材表面に入力する熱流束は、１００〜５００MW/m2となり、固体の対抗材では対応できないものとなる。
そこで、固体の対抗材では受熱できない高熱流束であって、連続運転する場合、液体金属で受熱することが考えられている（非特許文献１）。しかし、磁場中で、液体金属の高速流をつくるには、電磁流体力学的な強い力に対抗するという新たな問題がある。この場合の高速流は、例えば、１０〜２０ｍ／ｓの範囲で制御して、平均１５ｍ／ｓ程度としている。このように高速流で行うのは、液体金属を蒸発させないようにするために高速としているのである。
【０００６】
ここで、液体金属を高速流とする場合、電磁流体力学的な強い力に対抗するような強力なポンプが必要となる理由を述べる。
非特許文献５によると、一般に磁場Ｂ中での速度Ｖの液体金属が受ける電磁力による圧力損失は概略式（１）で与えられる。
【０００７】
【数１】
ここで、Ｃは壁コンダクタンス比
【０００８】
【数２】
ただし、σwは壁の電気伝導度、σｆは流体の電気伝導度、ｔは磁場方向の壁厚、ａは管の半径である。Ｈａはハルトマン数
【０００９】
【数３】
である。ただし、μｆは流体の粘性係数である。ｋ１とｋ２は管の形状の関数であり、１程度の大きさを持つ。計算例として、Ｂ＝１０Ｔでの液体金属流としてリチウム流を考えると、概ねσｆ＝３×１０６Ｓ／ｍ、Ｈａ＝１０４、Ｃ＝０．０１であるから、流速Ｖ＝１ｍ／ｓでも、圧力損失は３MPaという大きな電磁力による圧力損失となる。従って、この圧力損失分を上回る圧力を発生可能な強力なポンプが必要となる。
【００１０】
非特許文献２〜４では、高熱流束下では、液体金属はむしろ蒸発すると考えるのが自然であり、液体が蒸発する場合は、大きな潜熱を奪うため、冷却効果が期待できるとしている。
【非特許文献１】エイ・ワイ・イング（A. Y. Ying）、エム・エイ・アブドゥ（M. A. Abdou）、エヌ・モーリ（N. Morley）、ティ・スケッチリイ（T. Skechley）、アル・ウーリィ（R. Woolley）、ジェイ・バリス（J. Burris）、アル・カイタ（R. Kaita）、ピー・、フォガルティ（P. Forgarty）、エッチ・ヒュアン（H. Huang）、エックス・ラオ（X. Lao）、エム・ナルラ（M. Narula）、エス・スモレンチェフ（S. Smolentsev）、エム・ユーリックソン（M. Ulrickson）、「エクスプロラトリイ スタディズ オブ フローイング リキッド メタル ダイベータ オプションズ フォー フュージョン−リリーヴァント マグネティック フィールズ イン ザ エム・ティ・オー・アル ファシィリティ（Exploratory studies of flowing liquid metal divertor options for fusion-relevant magnetic fields in the MTOR facility）」、Fusion Engineering and Design、Vol.72, pp.35-62 (2004)
【非特許文献２】アル・カイタ（R. Kaita）、アル・マジェスキイ（R. Majeski）、エム・ホーズ（M. Boaz）、ピー・エフシミィオン（P. Efthimion）他（et al.）、「スフェリカル トーラス プラズマ インターアクションズ ウイズ ラージ−エリア リキッド リチウム サーフェスズ イン シディエックス−ユアル（Spherical torus plasma interactions with large-area liquid lithium surfaces in CDX-U）」、Fusion Engineering and Design、Vol.61-62, pp.217-222 (2002)
【非特許文献３】アル・マジェスキイ（R. Majeski）、エス・ジャーディン（S. Jardin）、アル・カイタ（R. Kaita）、ティ・グレイ（T. Gray）、ピー・マルフタ（P. Marfuta）他（et al.）、「リーセント リキッド リチウム リミッタ エクスペリメンツ イン シディエックス−ユアル（Recent liquid lithium limiter experiments in CDX-U）」、Nuclear Fusion、Vol.45, pp.519-523 (2005)
【非特許文献４】ヴイ・エイ・エヴィテイキン（V. A. Evtikhin）、アイ・イー・リュビリンスキ（I. E. Lyublinsky）、エー・ヴィ・ヴェルトコフ（A. V. Vertkov ）、エス・ヴイ・ミルノフ（S. V. Mirnov）、ヴィ・ビー・ラザレフ（V. B. Lazarev ）他（et al.）、「リチウム ダイベータ コンセプト アンド リザルト オブ サポーティング エクスプリメンツ（Lithium divertor concept and results of supporting experiments）」、Plasma Physics and Controlled Fusion,Vol.44, pp955-977 (2002)
【非特許文献５】井上晃、「４．核融合炉の冷却方式とその諸問題 ４．２ 液体金属冷却」、プラズマ・核融合学会誌、Vol.69、pp.1469 (1993)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、液体金属を使用して、高熱流束を蒸発冷却で受け止める場合、問題があるのは、蒸発した大量の金属が、ビームの発生源側に逆流することである。
本発明の目的は、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムを提供することにある。
【００１２】
又、本発明の他の目的は、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室と、前記差動排気室に隣接して設けられて前記差動排気室を通過した前記高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室とを備え、前記蒸発室には前記高熱流束に当てられて同高熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属が配置され、前記蒸発室には蒸発した金属を凝縮させる冷却部が設けられ、前記冷却部には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システムを備えていることを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムを要旨とするものである。
【００１４】
請求項１の発明によれば、液体金属は、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪う。蒸発した金属（すなわち、金属蒸気）は冷却部にて凝縮し、金属蒸気が凝縮することにより蒸発室の蒸気圧が下がる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システムにより熱エネルギーが回収される。又、蒸発室及び蒸発室に隣接して設けられた差動排気室は、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室で生じた金属蒸気は、差動排気室を介して外部に逆流することが抑制される。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１において、前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする。請求項２の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収される。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２において、前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３において、前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明によれば、液体金属循環システムの浸み出し部から浸み出した液体金属は、表面張力が大きいため、浸み出し部から浸み出した液体金属は、浸み出し部で保持、すなわち、重力や電磁力に対して支えることが可能である。
【００２０】
ここで、液体金属は、イオンや中性粒子等のビームを吸収するため、厚さを薄くする必要があるが、液体金属を薄い状態で高速流を作るのは大変困難である。例えば、波が立つなどで均等な厚みができない。しかし、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記冷却部には、蒸発した金属を凝縮させる冷却面積拡大部材が設けられていることを特徴とする。
請求項５の発明によれば、冷却部に設けられた冷却面積拡大部材により、蒸発した金属を冷却する面積を拡大することにより、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気が凝縮する。
【００２２】
請求項６の発明は、内部が真空雰囲気に管理された差動排気室を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室に高熱流束を導入し、前記蒸発室内で、前記高熱流束を液体金属に当てて同液体金属を蒸発させ、前記蒸発室に設けられるとともに冷却媒体循環システムにより冷却媒体が内部を通過する冷却部にて蒸発した液体金属を凝縮させ、前記冷却媒体循環システムで冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収することを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法を要旨とするものである。
【００２３】
請求項６の発明によれば、液体金属は、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪う。蒸発した金属（すなわち、金属蒸気）が冷却部にて凝縮することにより蒸発室の蒸気圧が下がる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システムにより熱エネルギーが回収される。又、蒸発室及び蒸発室に隣接して設けられた差動排気室は、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室で生じた金属蒸気は、差動排気室を介して外部に逆流することを抑制する。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項６において、前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする。請求項７の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収される。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項７において、前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項８において、前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項９の発明によれば、液体金属循環システムの浸み出し部から浸み出した液体金属は、表面張力が大きいため、浸み出し部から浸み出した液体金属は、浸み出し部で保持、すなわち、支えることが可能となる。ここで、液体金属は、中性子等のビームを吸収するため、厚さを薄くする必要があるが、液体金属を薄い状態で高速流を作るのは大変困難である。例えば、波が立つなどで均等な厚みができない。しかし、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を低速で流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１の発明によれば、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる。
【００３０】
請求項２の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収できる。
請求項３の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００３１】
請求項４の発明によれば、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で重力や電磁力に対抗して支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００３２】
請求項５の発明によれば、冷却部に設けられた冷却面積拡大部材により、蒸発した金属を冷却する面積を拡大することにより、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気が凝縮することができる。
【００３３】
請求項６の発明によれば、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法を提供できる。
【００３４】
請求項７の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収される。
請求項８の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００３５】
請求項９の発明によれば、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を低速で流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（第１実施形態）
以下、本発明を、強力中性子源の高速ビームを高熱流束とし、この高熱流束に液体金属を高速ビーム対抗材として使用する高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムに具体化した第１実施形態を図１を参照して説明する。
【００３７】
ここで、強力中性子源の高速ビームは、例えば、核融合炉材料の１４ＭｅＶ中性子照射のために、４０ＭｅＶ，１２５ｍＡ（５ＭＷ）の重水素原子核ビームを想定しており、このビームを、例えば２０cm×５cm（0.01ｍ２）に絞ってリチウムターゲットに照射することで、１４ＭｅＶ中性子を発生させる。この場合、リチウムターゲットに入射する熱流束は、500MW/m2となり、固体では対応できないものとなる。上記のような１４ＭｅＶ中性子を発生させるものでは、例えばＩＦＭＩＦ（国際核融合材料照射施設）とよばれているプロジェクトがある。しかし、ＩＦＭＩＦでは、後述する液体金属としてのリチウムの流速を高速流（１０−２０ｍ／ｓ）で対応しようとしている。
【００３８】
この場合、リチウムは、１４ＭｅＶ中性子を吸収するために厚さを薄くするしなければならないが、薄い高速流を作るのは大変困難であり、波が立つなどで均等な厚みができない問題がある。
【００３９】
本実施形態は、これらの困難性を解消するものである。
図１は高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム（以下、単にエネルギー回収システムという）の概略図である。
【００４０】
エネルギー回収システムは、蒸発室１０と蒸発室１０に隣接して設けられた差動排気室２０とを備え、差動排気室２０にはビーム室３０が設けられている。ビーム室３０と差動排気室２０間の壁には、開口部として第１スリット２２が設けられている。差動排気室２０と蒸発室１０間の壁には第２スリット２４が設けられている。第１スリット２２と第２スリット２４は、ビーム室３０内の図示しない高熱流束がそれぞれ差動排気室２０及び蒸発室１０内に導入される。
【００４１】
蒸発室１０には、液体金属循環システム４０が付設されている。液体金属循環システム４０は、蒸発室１０内において、第２スリット２４と対向する壁面側に設けられたウィック４２と、蒸発室１０外に設けられた液体金属溜まり部４６間を循環する管路４４を備え、管路４４に設けられた循環ポンプ４８の駆動により、液体金属が管路４４内を循環駆動する。液体金属は、融点が４５３．７Ｋ（１８０℃）のリチウムであり、管路４４に設けられた図示しない加熱源により融点以上、沸点（１６１５Ｋ）未満の温度域で加熱されている。
【００４２】
ウィック４２は、耐熱性の網、耐熱性の布、或いは耐熱性の多孔質材からなり、前記循環ポンプ４８によって印加される内圧により、管路４４で循環する液体金属がウィック４２の表面を一定の厚さで覆うように浸み出し可能である。液体金属は、濡れ性が良いため、浸み出すウィック４２の目は、粗くても良い。この循環ポンプ４８による管路４４を流れる液体金属の流速は、蒸発させないために高速としていた速度（背景技術で述べた１０〜２０ｍ／ｓ）である必要はなく、高速度域よりも低い低速域で十分である。ウィック４２は、浸み出し部に相当する。
【００４３】
蒸発室１０の底面には貯留部としての回収溜まり部５６が設けられている。回収溜まり部５６は後述する冷却部５０で凝縮した液体金属を溜める。回収溜まり部５６の液体金属は、循環ポンプ４８により管路４４ａを介して液体金属溜まり部４６に移動する。このように、回収溜まり部５６は、液体金属循環システム４０に含まれている。
【００４４】
蒸発室１０及び差動排気室２０及内の壁面には冷却部５０が設けられている。冷却部５０は冷却板から構成されている。蒸発室１０の冷却板には冷却面積を拡大するために複数のフィン５２が設けられている。互いに隣接するフィン５２同士の間隔は冷却部５０にて凝縮した液体金属が、万一凝固した場合でも詰まらない程度に空けることが好ましい。なお、差動排気室２０の冷却部５０にはフィン５２は設けられていないが、蒸発室１０の冷却部５０と同様にフィン５２を設けても良い。
【００４５】
冷却部５０と蒸発室１０との壁面間には、冷却媒体循環システム６０の管路５４が配置されている。冷却媒体循環システム６０の管路５４内には冷却媒体が充填されており、図１に示すように熱交換器６２、ポンプ６４を介して冷却媒体を循環する。なお、冷却媒体は、本実施形態ではリチウム鉛（融点２３５℃）としているが、冷却媒体は液体金属の融点よりも沸点が高いものであればよく、リチウム鉛に限定されるものではない。
【００４６】
このように、冷却媒体が液体金属の融点よりも沸点が高いものであれば、金属蒸気が冷却部５０で凝縮しても固まることがないため、冷却板のすきま（例えば、フィン５２間の空間）が凝縮した液体金属で詰まることがない。
【００４７】
熱交換器６２には、図示はしないが二次の循環系が設けられており、二次の循環系を循環する熱交換媒体と熱交換をするようにされている。この二次の循環系の熱交換媒体が熱交換により気化して、図示しない蒸気タービン等を回転駆動させ、図示しない発電機を回転させる。
【００４８】
蒸発室１０には、バッフル板（すなわち、邪魔板）１４を備えた排気口１２が設けられている。蒸発室１０は、室内の不純物ガスが排気口１２に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板１４により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされている。
【００４９】
又、第２スリット２４には、ジェット機構２６が設けられ、蒸発室１０から差動排気室２０内への金属蒸気の逆流を小さくしている。又、差動排気室２０には、バッフル板（すなわち、邪魔板）２８を備えた排気口５８が設けられている。差動排気室２０は、室内の不純物ガスが排気口５８に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板２８により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされている。
【００５０】
差動排気室２０へ、第２スリット２４を介して蒸発室１０からもれた金属等の蒸気は、排気口１２で排気され、ビーム室３０への金属等の蒸気の逆流を抑制している。
（作用）
本実施形態におけるエネルギー回収システムの作用を説明する。
【００５１】
液体金属循環システム４０は液体金属を循環ポンプ４８により循環し、ウィック４２から液体金属を一定の厚さで覆うように浸み出させている。この状態で、ビーム室３０内の図示しないビームの高熱流束が差動排気室２０及び蒸発室１０内に導入され、ウィック４２の表面に高熱流束が当たり、ウィック４２の表面にある液体金属が沸点以上に加熱されると金属蒸気となり、大きな潜熱を高熱流束から奪う。
【００５２】
金属蒸気は、冷却部５０にて凝縮することにより蒸発室１０の蒸気圧を下げる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部５０を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システム６０により熱エネルギーが回収される。この冷却媒体循環システム６０の冷却媒体の熱を利用して二次熱交換器により水等の熱交換媒体を蒸気として発生させ、この蒸気を利用して公知の発電システムで発電させるようにする。又、蒸発室１０及び蒸発室に隣接して設けられた差動排気室２０が、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１０で生じた金属蒸気は、差動排気室２０を通して外部であるビーム室３０へ逆流することが抑制される。
【００５３】
ここで、本実施形態における液体金属としてのリチウムの蒸発による冷却量を説明する。
液体金属の温度や蒸気圧は熱入力でほとんど決まる。蒸気圧ｐ[Pa]、温度Ｔ[K]の単位面積当たりの蒸発量Ｊ[atoms/m2sec]は、
【００５４】
【数４】
となる。従って、蒸発による冷却量ｑｖは
【００５５】
【数５】
となる。ここで、ｍLiはリチウムの原子量、γvは蒸発潜熱である。
【００５６】
この金属蒸気を冷却部５０である冷却板により冷却する場合の凝縮について説明する。
冷却板の面積は、フィン５２等の冷却面積を拡大する冷却面積拡大部材を使用すれば、広くすることができる。例えば、単位長さ当たりの冷却板の面積を５ｍ2とすると、冷却板での冷却量は、１ＭＷ／ｍ2となる。これは十分冷却媒体で冷却可能な値である。冷却板での熱流束は直接当たらないため大きくなく、冷却媒体の流量や温度に自由度があり、発電効率の良い値を選択可能である。
【００５７】
なお、発生蒸気の一部は、ビーム室３０へ逆流するが、この量を算出する。
単位面積当たり蒸発するリチウムの質量Ｍｖは、
【００５８】
【数６】
である。
【００５９】
例えば、熱流束Ｑin＝５００ＭＷ／ｍ2を金属リチウム（ｍLi＝１．１５×１０−26[/kg]）、γv＝２．２７３×１０7[J/kg]で受熱することが可能となる。なお、このような強力な熱流束を受熱できる固体は存在しない。この場合、単位面積当たり蒸発する金属の質量はＭｖ＝２２[kg/m2-sec]となる。
【００６０】
これが全てビーム室３０に流入すると問題があるため、本実施形態では、差動排気室２０が隣接して設けられている。
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
【００６１】
（１） 本実施形態のエネルギー回収システムは、高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室２０と、差動排気室２０に隣接して設けられて差動排気室２０を通過した高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室１０とを備える。又、蒸発室１０には高熱流束に当てられて同高熱流束の熱を受熱して蒸発するリチウム（液体金属）が配置され、蒸発室１０には蒸発した金属を凝縮させる冷却部５０が設けられ、冷却部５０には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システム６０を備えている。そして、本実施形態では、リチウム（液体金属）は、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪い、金属蒸気は冷却部５０にて凝縮することにより蒸発室１０の蒸気圧を下げる。又、金属蒸気の凝縮熱は冷却部５０を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システム６０により熱エネルギーが回収される。又、蒸発室１０及び差動排気室２０が、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１０で生じた金属蒸気は、差動排気室２０を介して外部であるビーム室へ逆流することが抑制できる。この結果、狭い範囲に集中するビームの高熱流束を、液体金属であるリチウムを介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる。
【００６２】
（２） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、蒸発室１０には、凝縮した液体金属を溜める回収溜まり部５６（貯留部）が設けられている。このため、本実施形態では、冷却部５０で凝縮したリチウム（液体金属）を回収溜まり部５６で貯留して回収することができる。
【００６３】
（３） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、回収溜まり部５６は、リチウム（液体金属）を循環する液体金属循環システム４０に含まれ、液体金属循環システム４０により、高熱流束が当たる領域にあるリチウム（液体金属）の量が一定に保たれている。このため、本実施形態で、液体金属循環システム４０により、回収溜まり部５６に溜まったリチウム（液体金属）が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にあるリチウム（液体金属）の量を一定に保つことができる。
【００６４】
（４） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、液体金属循環システム４０には、循環するリチウムが浸み出すウィック４２（浸み出し部）が設けられており、ウィック４２から浸み出したリチウムが高熱流束に当たるように配置されている。このため、液体金属循環システム４０のウィック４２から浸み出したリチウムは、表面張力が大きいため、ウィック４２から浸み出したリチウムは、ウィック４２で支えることができる。このため、ウィック４２で重力や電磁力に対してリチウムを支持できることから、高速流は必要でなくなり、ウィック４２に沿ってリチウムを流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００６５】
（５） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、冷却部５０には、蒸発した金属を凝縮させるフィン５２（冷却面積拡大部材）が設けられていることにより、蒸発した金属を冷却する面積が拡大するため、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気を凝縮することができる。
【００６６】
（６） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、内部が真空雰囲気に管理された差動排気室２０を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室１０に高熱流束を導入し、蒸発室１０内で、高熱流束を液体金属であるリチウムに当ててリチウムを蒸発させる。そして、同回収方法は、蒸発したリチウムを、蒸発室１０に設けられた冷却媒体循環システム６０の冷却部５０にて凝縮させる。そして、冷却媒体循環システム６０で冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収するようにする。
【００６７】
この結果、液体金属としてのリチウムは、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪う。又、金属蒸気は冷却部５０にて凝縮することにより蒸発室１０の蒸気圧を下げる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部５０を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システム６０により熱エネルギーが回収される。又、蒸発室１０及び蒸発室１０に隣接して設けられた差動排気室２０が真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１０で生じた金属蒸気が、差動排気室２０を介して外部であるビーム室へ逆流することを抑制できる。
【００６８】
（７） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、蒸発室１０には、凝縮した液体金属としてのリチウムを溜める回収溜まり部５６（貯留部）が設けられている。この結果、本実施形態では、冷却部５０で凝縮した液体金属を回収溜まり部５６（貯留部）で貯留して回収することができる。
【００６９】
（８） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、回収溜まり部５６（貯留部）が、液体金属としてのリチウムを循環する液体金属循環システム４０に含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれている。この結果、液体金属循環システム４０により、回収溜まり部５６（貯留部）に溜まったリチウムが循環されるとともに、高熱流束が当たる領域、すなわち、ウィック４２の表面に浸み出すリチウムの量を一定に保つことができる。
【００７０】
（９） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、液体金属循環システム４０には、循環する液体金属としてのリチウムが浸み出すウィック４２（浸み出し部）が設けられており、ウィック４２から浸み出したリチウムが高熱流束が当たるように配置されている。本実施形態の回収方法によれば、液体金属循環システム４０のウィック４２から浸み出したリチウムは、表面張力が大きいため、ウィック４２から浸み出した液体のリチウムは、ウィック４２で支えることが可能となる。このようにリチウムがウィック４２で支持されるため、高速流は必要でなくなり、ウィック４２に沿ってリチウムを流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００７１】
（第２実施形態）
次に第２実施形態を、図２を参照して説明する。
第２実施形態は、核融合炉のダイバータ対抗材システムに具体化したものである。図２に示すように、ダイバータ対抗材システムのダイバータ室１００は、蒸発室１１０と差動排気室１２０とに区分されている。差動排気室１２０と蒸発室１１０とには、それぞれダイバータレグを導入するための第１スリット１２２と、第２スリット１１２が形成されている。
【００７２】
なお、説明の便宜上、図２に示す核融合炉のダイバータ対抗材システムは、左半分と右半分とは、液体金属であるリチウムの循環方式が異なる構成がそれぞれ図示されており、第２実施形態では、図２のＡで示されたリチウムの循環方式、すなわち、自然循環方式が採用されている。従って、第２実施形態において、核融合炉のダイバータ対抗材システムの右半分の構成は、図２の左半分の構成が略対称状に設けられているものと理解されたい。
【００７３】
図２のＡにおいて、ダイバータ室１００の蒸発室１１０内に、蒸発室１１０の下部が、液体金属としてのリチウムＬｉを貯留する貯留部１１４が設けられている。リチウムＬｉは、対抗材として使用されるものである。蒸発室１１０の内壁面には冷却部１５０としての冷却板が設けられ、冷却板と前記内壁面間には、冷却媒体循環システムの管路１５４が設けられている。冷却媒体循環システムは、第１実施形態の冷却媒体循環システム６０と同様の構成であるため、本実施形態では図示しない。
【００７４】
又、蒸発室１１０は、バッフル板１１６を備えた排気口１１８が設けられている。蒸発室１１０は、室内の不純物ガスが排気口１１８に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板１１６により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされる。
【００７５】
差動排気室１２０には、バッフル板１２８を備えた排気口１３０が設けられている。差動排気室１２０は、室内の不純物ガスが排気口１３０に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板１２８により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされている。
【００７６】
差動排気室１２０へ、第２スリット１１２を介して蒸発室１１０からもれた金属等の蒸気は、排気口１３０で排気され、ビーム室３０への金属等の蒸気の逆流を抑制している。
さて、上記のように構成されたダイバータ対抗材システムでは、図２のＡに示すように、プラズマから放射された多数の中性子線は高熱流束として、ダイバータ磁力線に沿ってダイバータ室１００の差動排気室１２０、蒸発室１１０内に、第１スリット１２２、第２スリット１１２を介してそれぞれ導入される。貯留部１１４に貯留された液対金属としてのリチウムＬｉの表面に高熱流束が当たり、その表面にあるリチウムが沸点以上に加熱されると金属蒸気となり、大きな潜熱を高熱流束から奪う。
【００７７】
金属蒸気は、冷却部１５０にて凝縮することにより蒸発室１１０の蒸気圧を下げる。凝縮した液体金属であるリチウムＬｉは、貯留部１１４に滴下し自然循環する。一方、金属蒸気の凝縮熱は冷却部１５０を介して冷却媒体が受熱し、図示しない冷却媒体循環システムにより熱エネルギーが回収される。なお、冷却媒体循環システムは第１実施形態の冷却媒体循環システムと同様の構成であるため、説明を省略する。又、蒸発室１１０及び差動排気室１２０は、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１１０で生じた金属蒸気は、差動排気室１２０を介してダイバータ室１００の外部であるプラズマへ逆流することが抑制される。
【００７８】
背景技術で説明したように、ＤＴ核融合においては、中性子出力の約１／４がα加熱となることから、例えば、電気出力百万kW発電炉では、中性子出力が約３ＧＷとなり、α加熱は７５０ＭＷとなる。定常状態ではこのプラズマ加熱入力はプラズマの損失と等しい。プラズマの損失は放射損失か粒子による損失であり、粒子による損失のほとんどはダイバータレグに流れる。仮に１つのダイバータレグにα加熱の１／４が来るとすると、その主半径が６ｍであれば、周長は３８ｍであるので、１ｍ２当たり５MWがダイバータレグの対抗材表面に入力する。ダイバータレグの厚さがスクレイプオフレイヤの幅とすると、約１cmである。
【００７９】
すると、ダイバータレグの対抗材表面に入力する熱流束は、５００MW/m2となり、固体の対抗材では対応できないものとなる。
しかし、本実施形態では、この熱流束に耐えることが可能となるだけでなく、最終的には、ダイバータにくるα加熱も発電に利用することが可能となる。すなわち、高温熱媒体（例えば、ヘリウムや炭酸ガス）の使用が可能となり、高効率発電が可能となる。
【００８０】
なお、第１実施形態のビームと異なり、プラズマは曲がったダイバータ磁力線（図２のＡ参照）に沿って流れてくるため、蒸発室１１０からもれた金属蒸気のプラズマが形成されているプラズマ室への流入量を減らすことが容易である。
【００８１】
なお、第２実施形態の変形例として、図２のＢで示すように、液体金属を強制循環方式で循環させてもよい。
なお、説明の便宜上、変形例では図２のＢに示すように、核融合炉のダイバータ対抗材システムの右半分の構成のみが図示されているが、実際は図２の左半分の構成も、右半分の構成が略対称状に設けられているものと理解されたい。又、第２実施形態で説明した構成と同一構成、又は相当する構成については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００８２】
この変形例では、蒸発室１１０には、液体金属を貯留するとともにダイバータレグを受け入れて、貯留した液体金属を蒸発させるための第１貯留部１６０と、第１貯留部１６０に対して隣接して設けられ、冷却部１５０で凝縮した液体金属を回収する第２貯留部１７０とが設けられている。
【００８３】
第１貯留部１６０と第２貯留部１７０間には管路１９０が接続されて循環ポンプ１８０の駆動により液体金属が強制循環するようにされている。そして、第１貯留部１６０の液体金属がダイバータレグを受けて蒸発することによって減少しないように、第２貯留部１７０で回収した液体金属を、高熱流束が当たる領域、すなわち、第１貯留部１６０へ液体金属を補充して第１貯留部１６０の液体金属の量が一定に保たれている。
【００８４】
なお、管路１９０には、液体金属を融点以上、沸点未満に加熱するための加熱手段（図示略）が設けられている。
管路１９０、循環ポンプ１８０、第１貯留部１６０、第２貯留部１７０により液体金属循環システム１９５が構成されている。
【００８５】
上記のように、核融合炉のダイバータ対抗材システムに液体金属を強制循環方式により循環させても、前記第２実施形態と同様に高熱流束に耐えることが可能となるだけでなく、最終的には、ダイバータにくるα加熱も発電に利用することが可能となる。
【００８６】
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
○ 前記各実施形態では、液体金属をリチウムとしたが、リチウムに限定されるものではなく、例えば、ナトリウム金属であってもよく、いずれの液体金属も融点以上、沸点以下で図示しない加熱源で加熱して液体状態となっていればよい。
【００８７】
○ 第１実施形態では、冷却媒体をリチウム鉛（融点２３５℃）としているが、リチウム鉛の代わりに、ヘリウムガス、炭酸ガス、窒素ガスでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明を具体化した一実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムの概略図。
【図２】他の実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムの概略図。
【図３】従来のダイバータの概略図。
【符号の説明】
【００８９】
１０…蒸発室、２０…差動排気室、２２…第１スリット、２４…第２スリット、
４０…液体金属循環システム、４２…ウィック（浸み出し部）、５０…冷却部、
５２…フィン、５４…管路、５６…回収溜まり部（貯留部）、５８…排気口、
６０…冷却媒体循環システム、
１１０…蒸発室、１１２…第２スリット、１２０…差動排気室、
１２２…第１スリット、１５０…冷却部、
１５４…冷却媒体循環システムの管路、１６０…第１貯留部、
１７０…第２貯留部、１９５…液体金属循環システム。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムに係り、特に、真空中でのプラズマ、粒子ビーム、電子ビーム、レーザ等の高熱流束を遮断し、受熱してエネルギーを回収することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム及び高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、図３に示すように核融合装置にはダイバータ２００が設置されており、プラズマから多数の中性粒子が、ダイバータ磁力線に沿ってダイバータ室２１０内の固体耐熱材料２２０（対抗材ともいう）に流れ込む。このとき、固体耐熱材料２２０から不純物がたたき出されるが、不純物が中性ガスであれば、ダイバータ室２１０の狭いスリット２３０から殆ど出られず、ダイバータ室２１０から真空排気ポンプで排気される。又、不純物がイオンであれば、同イオンは、ダイバータ磁力線に沿って固体耐熱材料２２０に戻り、中性化される。その結果、不純物がプラズマ内に入ることが妨げられる。
【０００３】
前記固体耐熱材料２２０はモリブデン、タングステン、カーボン材などから構成され、冷却水で冷却されることが多い。ダイバータ磁力線は細い束となりダイバータレグとよばれる。ダイバータレグは大変薄いので対抗材には大変大きな熱流束が流入する。 一般に、パルス的に、すなわち、断続的に高熱流束を受け入れる場合、受け入れる固体耐熱材料の熱容量で対応できれば、冷却する必要はない。しかし、高熱流束の発生が連続的に行われる連続運転の場合、受け入れる固体耐熱材料の熱容量では対応できなくなり、高効率の熱交換が可能な冷却手段を設けるか、或いは、受熱できる粒子（ビーム）の熱流束を小さくする必要がある。
【０００４】
また、前記冷却水により冷却を行う場合、冷却温度を低くしなければ高熱流束を冷却できないため、熱エネルギーの回収が困難になる。
一例として、ＤＴ核融合では、中性子出力の約１／４がα加熱となる。例えば、電気出力百万kW発電炉では、中性子出力が約３ＧＷとなり、α加熱は７５０ＭＷとなる。定常状態ではこのプラズマ加熱入力はプラズマの損失と等しい。プラズマの損失は放射損失か粒子による損失であり、粒子による損失のほとんどはダイバータレグに流れる。仮に１つのダイバータレグにα加熱の１／４が来るとすると、その主半径が６ｍであれば、周長は３８ｍであるので、１ｍ当たり５MWがダイバータレグの対抗材表面に入力する。ダイバータレグの厚さは１〜５cmである。
【０００５】
したがって、ダイバータレグの対抗材表面に入力する熱流束は、１００〜５００MW/m2となり、固体の対抗材では対応できないものとなる。
そこで、固体の対抗材では受熱できない高熱流束であって、連続運転する場合、液体金属で受熱することが考えられている（非特許文献１）。しかし、磁場中で、液体金属の高速流をつくるには、電磁流体力学的な強い力に対抗するという新たな問題がある。この場合の高速流は、例えば、１０〜２０ｍ／ｓの範囲で制御して、平均１５ｍ／ｓ程度としている。このように高速流で行うのは、液体金属を蒸発させないようにするために高速としているのである。
【０００６】
ここで、液体金属を高速流とする場合、電磁流体力学的な強い力に対抗するような強力なポンプが必要となる理由を述べる。
非特許文献５によると、一般に磁場Ｂ中での速度Ｖの液体金属が受ける電磁力による圧力損失は概略式（１）で与えられる。
【０００７】
【数１】
ここで、Ｃは壁コンダクタンス比
【０００８】
【数２】
ただし、σwは壁の電気伝導度、σｆは流体の電気伝導度、ｔは磁場方向の壁厚、ａは管の半径である。Ｈａはハルトマン数
【０００９】
【数３】
である。ただし、μｆは流体の粘性係数である。ｋ１とｋ２は管の形状の関数であり、１程度の大きさを持つ。計算例として、Ｂ＝１０Ｔでの液体金属流としてリチウム流を考えると、概ねσｆ＝３×１０６Ｓ／ｍ、Ｈａ＝１０４、Ｃ＝０．０１であるから、流速Ｖ＝１ｍ／ｓでも、圧力損失は３MPaという大きな電磁力による圧力損失となる。従って、この圧力損失分を上回る圧力を発生可能な強力なポンプが必要となる。
【００１０】
非特許文献２〜４では、高熱流束下では、液体金属はむしろ蒸発すると考えるのが自然であり、液体が蒸発する場合は、大きな潜熱を奪うため、冷却効果が期待できるとしている。
【非特許文献１】エイ・ワイ・イング（A. Y. Ying）、エム・エイ・アブドゥ（M. A. Abdou）、エヌ・モーリ（N. Morley）、ティ・スケッチリイ（T. Skechley）、アル・ウーリィ（R. Woolley）、ジェイ・バリス（J. Burris）、アル・カイタ（R. Kaita）、ピー・、フォガルティ（P. Forgarty）、エッチ・ヒュアン（H. Huang）、エックス・ラオ（X. Lao）、エム・ナルラ（M. Narula）、エス・スモレンチェフ（S. Smolentsev）、エム・ユーリックソン（M. Ulrickson）、「エクスプロラトリイ スタディズ オブ フローイング リキッド メタル ダイベータ オプションズ フォー フュージョン−リリーヴァント マグネティック フィールズ イン ザ エム・ティ・オー・アル ファシィリティ（Exploratory studies of flowing liquid metal divertor options for fusion-relevant magnetic fields in the MTOR facility）」、Fusion Engineering and Design、Vol.72, pp.35-62 (2004)
【非特許文献２】アル・カイタ（R. Kaita）、アル・マジェスキイ（R. Majeski）、エム・ホーズ（M. Boaz）、ピー・エフシミィオン（P. Efthimion）他（et al.）、「スフェリカル トーラス プラズマ インターアクションズ ウイズ ラージ−エリア リキッド リチウム サーフェスズ イン シディエックス−ユアル（Spherical torus plasma interactions with large-area liquid lithium surfaces in CDX-U）」、Fusion Engineering and Design、Vol.61-62, pp.217-222 (2002)
【非特許文献３】アル・マジェスキイ（R. Majeski）、エス・ジャーディン（S. Jardin）、アル・カイタ（R. Kaita）、ティ・グレイ（T. Gray）、ピー・マルフタ（P. Marfuta）他（et al.）、「リーセント リキッド リチウム リミッタ エクスペリメンツ イン シディエックス−ユアル（Recent liquid lithium limiter experiments in CDX-U）」、Nuclear Fusion、Vol.45, pp.519-523 (2005)
【非特許文献４】ヴイ・エイ・エヴィテイキン（V. A. Evtikhin）、アイ・イー・リュビリンスキ（I. E. Lyublinsky）、エー・ヴィ・ヴェルトコフ（A. V. Vertkov ）、エス・ヴイ・ミルノフ（S. V. Mirnov）、ヴィ・ビー・ラザレフ（V. B. Lazarev ）他（et al.）、「リチウム ダイベータ コンセプト アンド リザルト オブ サポーティング エクスプリメンツ（Lithium divertor concept and results of supporting experiments）」、Plasma Physics and Controlled Fusion,Vol.44, pp955-977 (2002)
【非特許文献５】井上晃、「４．核融合炉の冷却方式とその諸問題 ４．２ 液体金属冷却」、プラズマ・核融合学会誌、Vol.69、pp.1469 (1993)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、液体金属を使用して、高熱流束を蒸発冷却で受け止める場合、問題があるのは、蒸発した大量の金属が、ビームの発生源側に逆流することである。
本発明の目的は、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムを提供することにある。
【００１２】
又、本発明の他の目的は、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室と、前記差動排気室に隣接して設けられて前記差動排気室を通過した前記高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室とを備え、前記蒸発室には前記高熱流束に当てられて同高熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属が配置され、前記蒸発室には蒸発した金属を凝縮させる冷却部が設けられ、前記冷却部には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システムを備えていることを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムを要旨とするものである。
【００１４】
請求項１の発明によれば、液体金属は、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪う。蒸発した金属（すなわち、金属蒸気）は冷却部にて凝縮し、金属蒸気が凝縮することにより蒸発室の蒸気圧が下がる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システムにより熱エネルギーが回収される。又、蒸発室及び蒸発室に隣接して設けられた差動排気室は、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室で生じた金属蒸気は、差動排気室を介して外部に逆流することが抑制される。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１において、前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする。請求項２の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収される。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２において、前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３において、前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明によれば、液体金属循環システムの浸み出し部から浸み出した液体金属は、表面張力が大きいため、浸み出し部から浸み出した液体金属は、浸み出し部で保持、すなわち、重力や電磁力に対して支えることが可能である。
【００２０】
ここで、液体金属は、イオンや中性粒子等のビームを吸収するため、厚さを薄くする必要があるが、液体金属を薄い状態で高速流を作るのは大変困難である。例えば、波が立つなどで均等な厚みができない。しかし、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記冷却部には、蒸発した金属を凝縮させる冷却面積拡大部材が設けられていることを特徴とする。
請求項５の発明によれば、冷却部に設けられた冷却面積拡大部材により、蒸発した金属を冷却する面積を拡大することにより、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気が凝縮する。
【００２２】
請求項６の発明は、内部が真空雰囲気に管理された差動排気室を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室に高熱流束を導入し、前記蒸発室内で、前記高熱流束を液体金属に当てて同液体金属を蒸発させ、前記蒸発室に設けられるとともに冷却媒体循環システムにより冷却媒体が内部を通過する冷却部にて蒸発した液体金属を凝縮させ、前記冷却媒体循環システムで冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収することを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法を要旨とするものである。
【００２３】
請求項６の発明によれば、液体金属は、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪う。蒸発した金属（すなわち、金属蒸気）が冷却部にて凝縮することにより蒸発室の蒸気圧が下がる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システムにより熱エネルギーが回収される。又、蒸発室及び蒸発室に隣接して設けられた差動排気室は、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室で生じた金属蒸気は、差動排気室を介して外部に逆流することを抑制する。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項６において、前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする。請求項７の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収される。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項７において、前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする。
【００２６】
請求項８の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項８において、前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項９の発明によれば、液体金属循環システムの浸み出し部から浸み出した液体金属は、表面張力が大きいため、浸み出し部から浸み出した液体金属は、浸み出し部で保持、すなわち、支えることが可能となる。ここで、液体金属は、中性子等のビームを吸収するため、厚さを薄くする必要があるが、液体金属を薄い状態で高速流を作るのは大変困難である。例えば、波が立つなどで均等な厚みができない。しかし、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を低速で流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１の発明によれば、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる。
【００３０】
請求項２の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収できる。
請求項３の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００３１】
請求項４の発明によれば、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で重力や電磁力に対抗して支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００３２】
請求項５の発明によれば、冷却部に設けられた冷却面積拡大部材により、蒸発した金属を冷却する面積を拡大することにより、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気が凝縮することができる。
【００３３】
請求項６の発明によれば、狭い範囲に集中するビームやプラズマ流の高熱流束を、液体金属を介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法を提供できる。
【００３４】
請求項７の発明によれば、冷却部で凝縮した液体金属は貯留部で貯留されて回収される。
請求項８の発明によれば、液体金属循環システムにより、貯留部に溜まった液体金属が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にある液体金属の量を一定に保つことができる。
【００３５】
請求項９の発明によれば、浸み出し部で液体金属を浸み出すようにしておけば、液体金属は、液体金属自身の表面張力が大きいため、浸み出し部で支持できることから、高速流は必要でなくなり、浸み出し部に沿って液体金属を低速で流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
（第１実施形態）
以下、本発明を、強力中性子源の高速ビームを高熱流束とし、この高熱流束に液体金属を高速ビーム対抗材として使用する高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムに具体化した第１実施形態を図１を参照して説明する。
【００３７】
ここで、強力中性子源の高速ビームは、例えば、核融合炉材料の１４ＭｅＶ中性子照射のために、４０ＭｅＶ，１２５ｍＡ（５ＭＷ）の重水素原子核ビームを想定しており、このビームを、例えば２０cm×５cm（0.01ｍ２）に絞ってリチウムターゲットに照射することで、１４ＭｅＶ中性子を発生させる。この場合、リチウムターゲットに入射する熱流束は、500MW/m2となり、固体では対応できないものとなる。上記のような１４ＭｅＶ中性子を発生させるものでは、例えばＩＦＭＩＦ（国際核融合材料照射施設）とよばれているプロジェクトがある。しかし、ＩＦＭＩＦでは、後述する液体金属としてのリチウムの流速を高速流（１０−２０ｍ／ｓ）で対応しようとしている。
【００３８】
この場合、リチウムは、１４ＭｅＶ中性子を吸収するために厚さを薄くするしなければならないが、薄い高速流を作るのは大変困難であり、波が立つなどで均等な厚みができない問題がある。
【００３９】
本実施形態は、これらの困難性を解消するものである。
図１は高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム（以下、単にエネルギー回収システムという）の概略図である。
【００４０】
エネルギー回収システムは、蒸発室１０と蒸発室１０に隣接して設けられた差動排気室２０とを備え、差動排気室２０にはビーム室３０が設けられている。ビーム室３０と差動排気室２０間の壁には、開口部として第１スリット２２が設けられている。差動排気室２０と蒸発室１０間の壁には第２スリット２４が設けられている。第１スリット２２と第２スリット２４は、ビーム室３０内の図示しない高熱流束がそれぞれ差動排気室２０及び蒸発室１０内に導入される。
【００４１】
蒸発室１０には、液体金属循環システム４０が付設されている。液体金属循環システム４０は、蒸発室１０内において、第２スリット２４と対向する壁面側に設けられたウィック４２と、蒸発室１０外に設けられた液体金属溜まり部４６間を循環する管路４４を備え、管路４４に設けられた循環ポンプ４８の駆動により、液体金属が管路４４内を循環駆動する。液体金属は、融点が４５３．７Ｋ（１８０℃）のリチウムであり、管路４４に設けられた図示しない加熱源により融点以上、沸点（１６１５Ｋ）未満の温度域で加熱されている。
【００４２】
ウィック４２は、耐熱性の網、耐熱性の布、或いは耐熱性の多孔質材からなり、前記循環ポンプ４８によって印加される内圧により、管路４４で循環する液体金属がウィック４２の表面を一定の厚さで覆うように浸み出し可能である。液体金属は、濡れ性が良いため、浸み出すウィック４２の目は、粗くても良い。この循環ポンプ４８による管路４４を流れる液体金属の流速は、蒸発させないために高速としていた速度（背景技術で述べた１０〜２０ｍ／ｓ）である必要はなく、高速度域よりも低い低速域で十分である。ウィック４２は、浸み出し部に相当する。
【００４３】
蒸発室１０の底面には貯留部としての回収溜まり部５６が設けられている。回収溜まり部５６は後述する冷却部５０で凝縮した液体金属を溜める。回収溜まり部５６の液体金属は、循環ポンプ４８により管路４４ａを介して液体金属溜まり部４６に移動する。このように、回収溜まり部５６は、液体金属循環システム４０に含まれている。
【００４４】
蒸発室１０及び差動排気室２０及内の壁面には冷却部５０が設けられている。冷却部５０は冷却板から構成されている。蒸発室１０の冷却板には冷却面積を拡大するために複数のフィン５２が設けられている。互いに隣接するフィン５２同士の間隔は冷却部５０にて凝縮した液体金属が、万一凝固した場合でも詰まらない程度に空けることが好ましい。なお、差動排気室２０の冷却部５０にはフィン５２は設けられていないが、蒸発室１０の冷却部５０と同様にフィン５２を設けても良い。
【００４５】
冷却部５０と蒸発室１０との壁面間には、冷却媒体循環システム６０の管路５４が配置されている。冷却媒体循環システム６０の管路５４内には冷却媒体が充填されており、図１に示すように熱交換器６２、ポンプ６４を介して冷却媒体を循環する。なお、冷却媒体は、本実施形態ではリチウム鉛（融点２３５℃）としているが、冷却媒体は液体金属の融点よりも沸点が高いものであればよく、リチウム鉛に限定されるものではない。
【００４６】
このように、冷却媒体が液体金属の融点よりも沸点が高いものであれば、金属蒸気が冷却部５０で凝縮しても固まることがないため、冷却板のすきま（例えば、フィン５２間の空間）が凝縮した液体金属で詰まることがない。
【００４７】
熱交換器６２には、図示はしないが二次の循環系が設けられており、二次の循環系を循環する熱交換媒体と熱交換をするようにされている。この二次の循環系の熱交換媒体が熱交換により気化して、図示しない蒸気タービン等を回転駆動させ、図示しない発電機を回転させる。
【００４８】
蒸発室１０には、バッフル板（すなわち、邪魔板）１４を備えた排気口１２が設けられている。蒸発室１０は、室内の不純物ガスが排気口１２に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板１４により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされている。
【００４９】
又、第２スリット２４には、ジェット機構２６が設けられ、蒸発室１０から差動排気室２０内への金属蒸気の逆流を小さくしている。又、差動排気室２０には、バッフル板（すなわち、邪魔板）２８を備えた排気口５８が設けられている。差動排気室２０は、室内の不純物ガスが排気口５８に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板２８により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされている。
【００５０】
差動排気室２０へ、第２スリット２４を介して蒸発室１０からもれた金属等の蒸気は、排気口１２で排気され、ビーム室３０への金属等の蒸気の逆流を抑制している。
（作用）
本実施形態におけるエネルギー回収システムの作用を説明する。
【００５１】
液体金属循環システム４０は液体金属を循環ポンプ４８により循環し、ウィック４２から液体金属を一定の厚さで覆うように浸み出させている。この状態で、ビーム室３０内の図示しないビームの高熱流束が差動排気室２０及び蒸発室１０内に導入され、ウィック４２の表面に高熱流束が当たり、ウィック４２の表面にある液体金属が沸点以上に加熱されると金属蒸気となり、大きな潜熱を高熱流束から奪う。
【００５２】
金属蒸気は、冷却部５０にて凝縮することにより蒸発室１０の蒸気圧を下げる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部５０を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システム６０により熱エネルギーが回収される。この冷却媒体循環システム６０の冷却媒体の熱を利用して二次熱交換器により水等の熱交換媒体を蒸気として発生させ、この蒸気を利用して公知の発電システムで発電させるようにする。又、蒸発室１０及び蒸発室に隣接して設けられた差動排気室２０が、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１０で生じた金属蒸気は、差動排気室２０を通して外部であるビーム室３０へ逆流することが抑制される。
【００５３】
ここで、本実施形態における液体金属としてのリチウムの蒸発による冷却量を説明する。
液体金属の温度や蒸気圧は熱入力でほとんど決まる。蒸気圧ｐ[Pa]、温度Ｔ[K]の単位面積当たりの蒸発量Ｊ[atoms/m2sec]は、
【００５４】
【数４】
となる。従って、蒸発による冷却量ｑｖは
【００５５】
【数５】
となる。ここで、ｍLiはリチウムの原子量、γvは蒸発潜熱である。
【００５６】
この金属蒸気を冷却部５０である冷却板により冷却する場合の凝縮について説明する。
冷却板の面積は、フィン５２等の冷却面積を拡大する冷却面積拡大部材を使用すれば、広くすることができる。例えば、単位長さ当たりの冷却板の面積を５ｍ2とすると、冷却板での冷却量は、１ＭＷ／ｍ2となる。これは十分冷却媒体で冷却可能な値である。冷却板での熱流束は直接当たらないため大きくなく、冷却媒体の流量や温度に自由度があり、発電効率の良い値を選択可能である。
【００５７】
なお、発生蒸気の一部は、ビーム室３０へ逆流するが、この量を算出する。
単位面積当たり蒸発するリチウムの質量Ｍｖは、
【００５８】
【数６】
である。
【００５９】
例えば、熱流束Ｑin＝５００ＭＷ／ｍ2を金属リチウム（ｍLi＝１．１５×１０−26[/kg]）、γv＝２．２７３×１０7[J/kg]で受熱することが可能となる。なお、このような強力な熱流束を受熱できる固体は存在しない。この場合、単位面積当たり蒸発する金属の質量はＭｖ＝２２[kg/m2-sec]となる。
【００６０】
これが全てビーム室３０に流入すると問題があるため、本実施形態では、差動排気室２０が隣接して設けられている。
本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
【００６１】
（１） 本実施形態のエネルギー回収システムは、高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室２０と、差動排気室２０に隣接して設けられて差動排気室２０を通過した高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室１０とを備える。又、蒸発室１０には高熱流束に当てられて同高熱流束の熱を受熱して蒸発するリチウム（液体金属）が配置され、蒸発室１０には蒸発した金属を凝縮させる冷却部５０が設けられ、冷却部５０には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システム６０を備えている。そして、本実施形態では、リチウム（液体金属）は、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪い、金属蒸気は冷却部５０にて凝縮することにより蒸発室１０の蒸気圧を下げる。又、金属蒸気の凝縮熱は冷却部５０を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システム６０により熱エネルギーが回収される。又、蒸発室１０及び差動排気室２０が、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１０で生じた金属蒸気は、差動排気室２０を介して外部であるビーム室へ逆流することが抑制できる。この結果、狭い範囲に集中するビームの高熱流束を、液体金属であるリチウムを介在することで、受熱するだけでなく、高効率のエネルギー回収を行うことができるとともに、金属蒸気が発生した室内の金属蒸気による真空劣化を防止することができる。
【００６２】
（２） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、蒸発室１０には、凝縮した液体金属を溜める回収溜まり部５６（貯留部）が設けられている。このため、本実施形態では、冷却部５０で凝縮したリチウム（液体金属）を回収溜まり部５６で貯留して回収することができる。
【００６３】
（３） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、回収溜まり部５６は、リチウム（液体金属）を循環する液体金属循環システム４０に含まれ、液体金属循環システム４０により、高熱流束が当たる領域にあるリチウム（液体金属）の量が一定に保たれている。このため、本実施形態で、液体金属循環システム４０により、回収溜まり部５６に溜まったリチウム（液体金属）が循環されるとともに、高熱流束が当たる領域にあるリチウム（液体金属）の量を一定に保つことができる。
【００６４】
（４） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、液体金属循環システム４０には、循環するリチウムが浸み出すウィック４２（浸み出し部）が設けられており、ウィック４２から浸み出したリチウムが高熱流束に当たるように配置されている。このため、液体金属循環システム４０のウィック４２から浸み出したリチウムは、表面張力が大きいため、ウィック４２から浸み出したリチウムは、ウィック４２で支えることができる。このため、ウィック４２で重力や電磁力に対してリチウムを支持できることから、高速流は必要でなくなり、ウィック４２に沿ってリチウムを流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００６５】
（５） 本実施形態のエネルギー回収システムでは、冷却部５０には、蒸発した金属を凝縮させるフィン５２（冷却面積拡大部材）が設けられていることにより、蒸発した金属を冷却する面積が拡大するため、冷却面積拡大部材がない場合に比して、より多くの金属蒸気を凝縮することができる。
【００６６】
（６） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、内部が真空雰囲気に管理された差動排気室２０を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室１０に高熱流束を導入し、蒸発室１０内で、高熱流束を液体金属であるリチウムに当ててリチウムを蒸発させる。そして、同回収方法は、蒸発したリチウムを、蒸発室１０に設けられた冷却媒体循環システム６０の冷却部５０にて凝縮させる。そして、冷却媒体循環システム６０で冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収するようにする。
【００６７】
この結果、液体金属としてのリチウムは、高熱流束が当たると蒸発し大きな潜熱を奪う。又、金属蒸気は冷却部５０にて凝縮することにより蒸発室１０の蒸気圧を下げる。金属蒸気の凝縮熱は冷却部５０を介して冷却媒体が受熱し、冷却媒体循環システム６０により熱エネルギーが回収される。又、蒸発室１０及び蒸発室１０に隣接して設けられた差動排気室２０が真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１０で生じた金属蒸気が、差動排気室２０を介して外部であるビーム室へ逆流することを抑制できる。
【００６８】
（７） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、蒸発室１０には、凝縮した液体金属としてのリチウムを溜める回収溜まり部５６（貯留部）が設けられている。この結果、本実施形態では、冷却部５０で凝縮した液体金属を回収溜まり部５６（貯留部）で貯留して回収することができる。
【００６９】
（８） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、回収溜まり部５６（貯留部）が、液体金属としてのリチウムを循環する液体金属循環システム４０に含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれている。この結果、液体金属循環システム４０により、回収溜まり部５６（貯留部）に溜まったリチウムが循環されるとともに、高熱流束が当たる領域、すなわち、ウィック４２の表面に浸み出すリチウムの量を一定に保つことができる。
【００７０】
（９） 本実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法は、液体金属循環システム４０には、循環する液体金属としてのリチウムが浸み出すウィック４２（浸み出し部）が設けられており、ウィック４２から浸み出したリチウムが高熱流束が当たるように配置されている。本実施形態の回収方法によれば、液体金属循環システム４０のウィック４２から浸み出したリチウムは、表面張力が大きいため、ウィック４２から浸み出した液体のリチウムは、ウィック４２で支えることが可能となる。このようにリチウムがウィック４２で支持されるため、高速流は必要でなくなり、ウィック４２に沿ってリチウムを流せば波も立たないため、均等な厚みをつくることができる。
【００７１】
（第２実施形態）
次に第２実施形態を、図２を参照して説明する。
第２実施形態は、核融合炉のダイバータ対抗材システムに具体化したものである。図２に示すように、ダイバータ対抗材システムのダイバータ室１００は、蒸発室１１０と差動排気室１２０とに区分されている。差動排気室１２０と蒸発室１１０とには、それぞれダイバータレグを導入するための第１スリット１２２と、第２スリット１１２が形成されている。
【００７２】
なお、説明の便宜上、図２に示す核融合炉のダイバータ対抗材システムは、左半分と右半分とは、液体金属であるリチウムの循環方式が異なる構成がそれぞれ図示されており、第２実施形態では、図２のＡで示されたリチウムの循環方式、すなわち、自然循環方式が採用されている。従って、第２実施形態において、核融合炉のダイバータ対抗材システムの右半分の構成は、図２の左半分の構成が略対称状に設けられているものと理解されたい。
【００７３】
図２のＡにおいて、ダイバータ室１００の蒸発室１１０内に、蒸発室１１０の下部が、液体金属としてのリチウムＬｉを貯留する貯留部１１４が設けられている。リチウムＬｉは、対抗材として使用されるものである。蒸発室１１０の内壁面には冷却部１５０としての冷却板が設けられ、冷却板と前記内壁面間には、冷却媒体循環システムの管路１５４が設けられている。冷却媒体循環システムは、第１実施形態の冷却媒体循環システム６０と同様の構成であるため、本実施形態では図示しない。
【００７４】
又、蒸発室１１０は、バッフル板１１６を備えた排気口１１８が設けられている。蒸発室１１０は、室内の不純物ガスが排気口１１８に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板１１６により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされる。
【００７５】
差動排気室１２０には、バッフル板１２８を備えた排気口１３０が設けられている。差動排気室１２０は、室内の不純物ガスが排気口１３０に接続された図示しない真空ポンプにより排気されることにより、真空雰囲気となるように管理されている。又、バッフル板１２８により、金属蒸気が前記図示しない真空ポンプに入らないようにされている。
【００７６】
差動排気室１２０へ、第２スリット１１２を介して蒸発室１１０からもれた金属等の蒸気は、排気口１３０で排気され、ビーム室３０への金属等の蒸気の逆流を抑制している。
さて、上記のように構成されたダイバータ対抗材システムでは、図２のＡに示すように、プラズマから放射された多数の中性子線は高熱流束として、ダイバータ磁力線に沿ってダイバータ室１００の差動排気室１２０、蒸発室１１０内に、第１スリット１２２、第２スリット１１２を介してそれぞれ導入される。貯留部１１４に貯留された液対金属としてのリチウムＬｉの表面に高熱流束が当たり、その表面にあるリチウムが沸点以上に加熱されると金属蒸気となり、大きな潜熱を高熱流束から奪う。
【００７７】
金属蒸気は、冷却部１５０にて凝縮することにより蒸発室１１０の蒸気圧を下げる。凝縮した液体金属であるリチウムＬｉは、貯留部１１４に滴下し自然循環する。一方、金属蒸気の凝縮熱は冷却部１５０を介して冷却媒体が受熱し、図示しない冷却媒体循環システムにより熱エネルギーが回収される。なお、冷却媒体循環システムは第１実施形態の冷却媒体循環システムと同様の構成であるため、説明を省略する。又、蒸発室１１０及び差動排気室１２０は、真空雰囲気に管理されていることから、蒸発室１１０で生じた金属蒸気は、差動排気室１２０を介してダイバータ室１００の外部であるプラズマへ逆流することが抑制される。
【００７８】
背景技術で説明したように、ＤＴ核融合においては、中性子出力の約１／４がα加熱となることから、例えば、電気出力百万kW発電炉では、中性子出力が約３ＧＷとなり、α加熱は７５０ＭＷとなる。定常状態ではこのプラズマ加熱入力はプラズマの損失と等しい。プラズマの損失は放射損失か粒子による損失であり、粒子による損失のほとんどはダイバータレグに流れる。仮に１つのダイバータレグにα加熱の１／４が来るとすると、その主半径が６ｍであれば、周長は３８ｍであるので、１ｍ２当たり５MWがダイバータレグの対抗材表面に入力する。ダイバータレグの厚さがスクレイプオフレイヤの幅とすると、約１cmである。
【００７９】
すると、ダイバータレグの対抗材表面に入力する熱流束は、５００MW/m2となり、固体の対抗材では対応できないものとなる。
しかし、本実施形態では、この熱流束に耐えることが可能となるだけでなく、最終的には、ダイバータにくるα加熱も発電に利用することが可能となる。すなわち、高温熱媒体（例えば、ヘリウムや炭酸ガス）の使用が可能となり、高効率発電が可能となる。
【００８０】
なお、第１実施形態のビームと異なり、プラズマは曲がったダイバータ磁力線（図２のＡ参照）に沿って流れてくるため、蒸発室１１０からもれた金属蒸気のプラズマが形成されているプラズマ室への流入量を減らすことが容易である。
【００８１】
なお、第２実施形態の変形例として、図２のＢで示すように、液体金属を強制循環方式で循環させてもよい。
なお、説明の便宜上、変形例では図２のＢに示すように、核融合炉のダイバータ対抗材システムの右半分の構成のみが図示されているが、実際は図２の左半分の構成も、右半分の構成が略対称状に設けられているものと理解されたい。又、第２実施形態で説明した構成と同一構成、又は相当する構成については同一符号を付して、その説明を省略する。
【００８２】
この変形例では、蒸発室１１０には、液体金属を貯留するとともにダイバータレグを受け入れて、貯留した液体金属を蒸発させるための第１貯留部１６０と、第１貯留部１６０に対して隣接して設けられ、冷却部１５０で凝縮した液体金属を回収する第２貯留部１７０とが設けられている。
【００８３】
第１貯留部１６０と第２貯留部１７０間には管路１９０が接続されて循環ポンプ１８０の駆動により液体金属が強制循環するようにされている。そして、第１貯留部１６０の液体金属がダイバータレグを受けて蒸発することによって減少しないように、第２貯留部１７０で回収した液体金属を、高熱流束が当たる領域、すなわち、第１貯留部１６０へ液体金属を補充して第１貯留部１６０の液体金属の量が一定に保たれている。
【００８４】
なお、管路１９０には、液体金属を融点以上、沸点未満に加熱するための加熱手段（図示略）が設けられている。
管路１９０、循環ポンプ１８０、第１貯留部１６０、第２貯留部１７０により液体金属循環システム１９５が構成されている。
【００８５】
上記のように、核融合炉のダイバータ対抗材システムに液体金属を強制循環方式により循環させても、前記第２実施形態と同様に高熱流束に耐えることが可能となるだけでなく、最終的には、ダイバータにくるα加熱も発電に利用することが可能となる。
【００８６】
なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
○ 前記各実施形態では、液体金属をリチウムとしたが、リチウムに限定されるものではなく、例えば、ナトリウム金属であってもよく、いずれの液体金属も融点以上、沸点以下で図示しない加熱源で加熱して液体状態となっていればよい。
【００８７】
○ 第１実施形態では、冷却媒体をリチウム鉛（融点２３５℃）としているが、リチウム鉛の代わりに、ヘリウムガス、炭酸ガス、窒素ガスでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明を具体化した一実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムの概略図。
【図２】他の実施形態の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システムの概略図。
【図３】従来のダイバータの概略図。
【符号の説明】
【００８９】
１０…蒸発室、２０…差動排気室、２２…第１スリット、２４…第２スリット、
４０…液体金属循環システム、４２…ウィック（浸み出し部）、５０…冷却部、
５２…フィン、５４…管路、５６…回収溜まり部（貯留部）、５８…排気口、
６０…冷却媒体循環システム、
１１０…蒸発室、１１２…第２スリット、１２０…差動排気室、
１２２…第１スリット、１５０…冷却部、
１５４…冷却媒体循環システムの管路、１６０…第１貯留部、
１７０…第２貯留部、１９５…液体金属循環システム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室と、
前記差動排気室に隣接して設けられて前記差動排気室を通過した前記高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室とを備え、
前記蒸発室には前記高熱流束に当てられて同高熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属が配置され、
前記蒸発室には蒸発した金属を凝縮させる冷却部が設けられ、
前記冷却部には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システムを備えていることを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項２】
前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項３】
前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする請求項２に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項４】
前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項５】
前記冷却部には、蒸発した金属を凝縮させる冷却面積拡大部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項６】
内部が真空雰囲気に管理された差動排気室を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室に高熱流束を導入し、前記蒸発室内で、前記高熱流束を液体金属に当てて同液体金属を蒸発させ、前記蒸発室に設けられるとともに冷却媒体循環システムにより冷却媒体が内部を通過する冷却部にて蒸発した液体金属を凝縮させ、
前記冷却媒体循環システムで冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収することを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項７】
前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項８】
前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする請求項７に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項９】
前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束が当たるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項１】
高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された差動排気室と、
前記差動排気室に隣接して設けられて前記差動排気室を通過した前記高熱流束を導入するとともに内部が真空雰囲気に管理された蒸発室とを備え、
前記蒸発室には前記高熱流束に当てられて同高熱流束の熱を受熱して蒸発する液体金属が配置され、
前記蒸発室には蒸発した金属を凝縮させる冷却部が設けられ、
前記冷却部には冷却媒体が循環して熱エネルギーを回収する冷却媒体循環システムを備えていることを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項２】
前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項３】
前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする請求項２に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項４】
前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束に当たるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項５】
前記冷却部には、蒸発した金属を凝縮させる冷却面積拡大部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収システム。
【請求項６】
内部が真空雰囲気に管理された差動排気室を介して、内部が真空雰囲気に管理された蒸発室に高熱流束を導入し、前記蒸発室内で、前記高熱流束を液体金属に当てて同液体金属を蒸発させ、前記蒸発室に設けられるとともに冷却媒体循環システムにより冷却媒体が内部を通過する冷却部にて蒸発した液体金属を凝縮させ、
前記冷却媒体循環システムで冷却媒体が受熱した熱エネルギーを回収することを特徴とする高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項７】
前記蒸発室には、凝縮した液体金属を溜める貯留部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項８】
前記貯留部が、液体金属を循環する液体金属循環システムに含まれ、液体金属循環システムにより、前記高熱流束が当たる領域にある液体金属の量が一定に保たれていることを特徴とする請求項７に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【請求項９】
前記液体金属循環システムには、前記循環する液体金属が浸み出す浸み出し部が設けられており、同浸み出し部から浸み出した液体金属が前記高熱流束が当たるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の高熱流束ビーム受熱・エネルギー回収方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１７５０５１（Ｐ２００９−１７５０５１Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５３８３（Ｐ２００８−１５３８３）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年８月２０日 社団法人 電気学会発行の「電気学会研究会資料」発表
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００７年８月２０日 社団法人 電気学会発行の「電気学会研究会資料」発表
【出願人】（５０４２６１０７７）大学共同利用機関法人自然科学研究機構 (156)
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