超高速中性子と高レベル廃棄物の有効利用による革新的核変換核融合炉の提案

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06231
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 橋爪 秀利 東北大学, 工学研究科, 教授 (80198663)
• 研究分担者: 山村 朝雄 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (20281983) ; 染谷 洋二 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉システム研究開発部, 主幹研究員(定常) (20589345) ; 岡本 敦 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (50396793) ; 金 聖潤 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50574357) ; 遊佐 訓孝 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60466779) ; 近藤 正聡 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (70435519) ; 宍戸 博紀 東北大学, 工学研究科, 助教 (90827792)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• キーワード: 核融合炉 / 核変換 / 高レベル廃棄物

研究実績の概要

これまでの検討では自己冷却式溶融塩ブランケットの候補材であるLiF-BeF2 (Flibe) に核分裂生成物を微量添加することを想定していたが、より効率よく核変換すること、さらに保守の観点から核変換領域を小さくする必要があることから、核分裂生成物のフッ化物とBeF2を混合した、トリチウム増殖等を行わない核変換特化塩を提案し、それらの核変換特性および熱物性を評価した。中性子輸送解析および燃焼解析により、Flibeに数%添加してシステム全体に設置するよりも、核変換特化塩として一部領域に設置した方がより核変換量を向上できることが明らかとなった。特に、Pd-107およびCs-135についてはサポートファクターが20以上達成できることを明らかにした。また、これら核変換特化の溶融塩に対し分子動力学法を用いた熱物性評価を行った。ブランケット候補材のFlibe等と比較し、核変換特化溶融塩は原子量の大きい元素（核分裂生成物）が含まれるため、熱伝達率が極めて低下することが明らかとなった。また、マイナーアクチノイド (MA) のみを含む混合酸化物系の熱力学状態図評価の可能性について検討した。MA酸化物に関する熱力学実験値はほとんど報告されていないため、第一原理計算によって得られるあらゆる組成における混合系の熱力学データ（構造エネルギー、生成熱、変態熱等）に基づき、CALPHAD計算によって状態図を構築できる可能性が示された。
さらに、福島第一原子力発電所事故によって生じた燃料デブリに対し、核融合中性子を照射した場合の核変換特性について評価したが、主な核種はU-238であり、それが中性子を吸収してPu-239が多く生成される結果となった。照射後の核種組成について潜在的放射性毒性に換算すると、Pu核種が大量に生成されることから、照射前よりも毒性が極めて大きくなってしまうことが明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [学会発表] Introduction of Fusion Reactor as Transmutation System for Minor Actinides and Fission Product (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Hashizume, N. Yusa, H. Shishido
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Fusion Nuclear Technology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Experimental Evaluation of the Dynamic Viscosity of Molten Salt Flinabe and Validation of the Polarized Ion Model (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Shishido, H. Hashizume, Y. Ishii, N. Ohtori
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Fusion Nuclear Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Neutronic and Thermophysical Characteristics Evaluation of Molten Salts Specialized for LLFPs Transmutation in a Fusion Reactor (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Kitasaka, H. Shishido, H. Hashizume
  • 学会等名: The 28th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] 設計余裕度向上のための機能材料添加溶融塩ブランケットの核的特性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宍戸博紀，橋爪秀利
  • 学会等名: 日本原子力学会2019年秋の大会
• [学会発表] 核融合溶融塩ブランケットにおける長寿命核分裂生成物の核変換を目的とした溶融塩の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 北坂卓，宍戸博紀，橋爪秀利
  • 学会等名: 日本原子力学会2019年秋の大会