核融合炉実用化に向けた真空中での能動的手法を用いたトリチウム低減法の開発

• 研究課題/領域番号: 18K04999
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分31010:原子力工学関連
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 芦川 直子 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00353441)
• 研究分担者: 鳥養 祐二 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (80313592)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2020年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: トリチウム低減法 / トリチウム除染法 / 核融合原型炉 / 金属壁 / 等温脱離法 / トリチウム除染 / 等温脱離 / タングステン / 原型炉 / 真空下 / 水素同位体分析 / グロー放電 / GD-OES / 定温脱離法

研究成果の概要

本課題は核融合原型炉プラズマ真空容器内での残留トリチウム低減シナリオ構築に関する研究である。同真空容器を定期メンテナンスに向けて大気開放をするためには、真空の状態で実施可能なトリチウム低減シナリオを構築する必要がある。そこで、温度制御（ベーキング）法に着目したトリチウム低減研究を行った。
原型炉設計ではタングステンに滞留するトリチウム低減が重要な課題であり、超伝導コイルを有する装置でかつ崩壊熱の影響を考えると、壁材料への緩やかな温度制御のみが可能となる。等温脱離法により壁の設計温度近傍である約400℃までの運用で一部のトリチウム脱離が得られ、温度制御による脱離効果を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

核融合エネルギー炉の実現に向け、定常運転後の残留トリチウム低減法を見出し、かつその運用条件を明らかにするための基礎研究を行った。本課題は核融合炉の定常運転後に必要なプラズマ真空容器の大気開放前の残留トリチウム低減、つまり真空下での除染法に関する研究である。このトリチウム除染の効率的な実施は、核融合装置が設置されているトーラスホール内でのトリチウム拡散防護や、除染によって回収した燃料トリチウムの再利用にもつながる。つまり、核融合プラントの安全性と性能向上につながる研究である。

研究成果

• [国際共同研究] PPPL(米国)
• [国際共同研究] ASIPP(中国)
• [国際共同研究] CCFE, Culham Science Centre(英国)
• [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [国際共同研究] CCFE, Culham Science Centre(英国)
• [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [雑誌論文] Determination of retained tritium from ILW dust particles in JET (2020)
  • 著者名/発表者名: Ashikawa N.、Torikai Y.、Asakura N.、Otsuka T.、Widdowson A.、Rubel M.、Oyaizu M.、Hara M.、Masuzaki S.、Isobe K.、Hatano Y.、Heinola K.、Baron-Wiechec A.、Jachmich S.、Hayashi T.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 22 ページ: 100673-100673
  • DOI: 10.1016/j.nme.2019.100673
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Control of fuel retention for a long pulse operation (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa
  • 学会等名: 10th International Workshop on Stochasticity in Fusion Plasmas (SFP)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observations of spatial distributions after boron dropping to hydrogen/deuterium plasmas in LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, T. Kawate, H. Toyoda, M. Yoshinuma, K. Ida, T. Oishi, R. Lunsford, Z. Sun
  • 学会等名: 15th International Workshops on Hydrogen Isotopes in Fusion Reactor Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Material selection matrix for the tritium removal scenario constructions in DEMO (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, Y. Someya, Y. Torikai, H. Takaoka, Y. Oya, Y. Hatano
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
• [学会発表] Deuterium desorption from heavy ion irradiated tungsten using isothermal desorption method (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, H. Takaoka, Y. Torikai, Y. Hayashi, T. Hinoki, K. Yabuuchi, Y. Someya
  • 学会等名: 第12回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム
• [学会発表] 核融合原型炉の燃料循環装置に対する課題抽出 (2021)
  • 著者名/発表者名: 芦川直子, 片山一成, 岩井保則, 有川安信, 波多野雄治, 大矢恭久, 染谷洋二, 鳥養祐二
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Tritium decontamination on plasma facing materials of DEMO by decay heat (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, Y. Torikai, H. Takaoka, G. Kikuchi, M. Oyaidzu, Y. Someya, T. Hayashi
  • 学会等名: 24th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (PSI-24)
  • 国際学会
• [学会発表] DEMOにおけるトリチウム脱離に向けた温度調整の最適化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 芦川直子、鳥養祐二、高岡宏貴、菊地絃太、染谷洋二、中村博文、小柳津誠、坂本宜照
  • 学会等名: プラズマ核融合学会 第３７回年会
• [学会発表] Retained deuterium on tungsten with heavy ion irradiation and their requirement of treatment for T decontamination (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, H. Takaoka, G. Kikuchi, Y. Torikai, M. Kobayashi, T. Hinoki
  • 学会等名: 第11回エネルギー理工学研究所国際シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Observations of Tritium Inventory in JET ILW Dust Particles and Applications to Metal Wall Fusion Devices (2019)
  • 著者名/発表者名: N.Ashikawa, T.Otsuka, Y.Torikai, N.Asakura, A.Widdowson, M.Rubel, H.Furuta, M.Hara, S.Masuzaki, Y.Hatano, H.Nakamura, S.Jachmich, T.Hayashi, JET Contributors
  • 学会等名: The 12th International Conference on Tritium Science and Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Tritium decontamination scenario from plasma facing materials under vacuum condition in DEMO (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, Y. Torikai, M. Nakayama, A. Taguchi, M. Matsuyama, Y. Someya
  • 学会等名: 14th International Symposium on Fusion Nuclear Technology
  • 国際学会
• [学会発表] DEMOにおける真空条件下でのトリチウム脱離効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 芦川直子、鳥養祐二、菊地弦太、中山将人、田口明、松山政夫、染谷洋二 、坂本宜照
  • 学会等名: 第38回プラズマ核融合学会年会
• [学会発表] 原型炉メンテナンス実施に向けたトリ チウム蓄積量の予測および実時間ト リチウム除染法の検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 芦川直子，染谷洋二，鳥養祐二，坂本宜照，大矢恭久，波多野雄二，原型炉設計合同特別チーム
  • 学会等名: プラズマ核融合学会
• [学会発表] Determination of retained tritium from ILW dust particles in JET (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, Y. Torikai, N. Asakura, T. Otsuka, A. Widdowson, M. Rubel, M. Oyaizu, M. Hara, S. Masuzaki, K. Isobe, Y. Hatano, K. Heinola, A. Baron-Wiechec, S. Jachmich, T. Hayashi and JET Contributors
  • 学会等名: International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Dust Particle Generation from the Controlled thermonuclear Fusion Device Jet with Metallic Plasma-Facing Components (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Ashikawa, N. Asakura, A. Widdowson, M. Rubel, Y. Torikai, T. Otsuka, M. Hara, S. Masuzaki, M. Oyaidzu, K. Isobe,Y. Hatano, D. Hamaguchi, H. Kurotaki, S. Nakano, J.H. Kim, M. Tokitani, R. Sakamoto, J. Grzonka , K. Heinola11), A. Baron-Wiechec, M. Miyamoto, H. Tanigawa, M. Nakamichi, T. Hayashi, and JET Contributors
  • 学会等名: 2018 Asia-Pacific Conference on Plasma and Terahertz Science
  • 国際学会 / 招待講演