流動液体ブランケットにおけるトリチウムと熱の同時回収システムの実験的研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24246153
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 深田 智 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (50117230)
• 研究分担者: 枝尾 祐希 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門, 研究員 (70633858) ; 片山 一成 九州大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (90380708)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: トリチウム / 核融合炉 / 液体ブランケット / フッ化物溶融塩 / 透過 / LiPb共融合金 / 気泡 / 物質移動

研究実績の概要

核融合実用炉液体ブランケット材の二つの有力候補であるLi-Pb共融合金とFlibeあるいはFlinabeフッ化物溶融塩の流動状態における水素同位体透過と気体 ー液体接触物質移動の挙動は、ブランケットからのトリチウム回収の観点、逆に熱交換器系からのトリチウム漏洩を予測し阻止する観点から重要な課題である。本研究では、Li-Pb強制対流流動装置を前年度（H25年度）までに製作し、H26年度は、不活性ガス気泡吹き込み状態で重水素を吸収させ、Li-Pb強制対流から耐熱性で耐腐食性の高いインコネル625(Ni-Cr-Mo-Fe)合金壁を透過する重水素量をLi-Pb温度、LI-Pb流量の函数としてまとめた。この研究は実施の困難さから従来なし得なかった状態の実験で、流動条件の気液物質移動や水素透過率への影響が明らかになり、成果はスペインで開催されたSOFT2014等で口頭発表した。
もう一つのブランケット候補材であるFlibeあるいはその融点が100oC以上も低いFlinabeについても、耐腐食性が高いモネル400 (Ni-Cu-Al-Fe)合金を通過する水素透過率を温度の函数として求め、LiF+NaF+KF+BeF2のいずれか二つあるいは三成分を含むFlibe, Fnabe, Flinak, Flinabeの４種類の組成の異なる溶融塩の水素透過率と気液間物質移動の速度を求め、組成依存性を明らかにし、各構成成分組成の効果を求めた。この結果、複雑な多成分系の溶融塩でも任意組成の水素同位体透過率や気液間物質移動の評価が可能になり、結果を同様に国際トリチウムシンポジウム等で発表し、英語論文にも公表している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

現在までに本科学研究費の費用でLi-Pb流動ループ、Flibe溶融塩の流動ループを完成させ、350-600oCの対象とする温度領域で水素透過率データーと気泡と液間の水素移行速度データーを採取する事ができ、また透過率の流動条件への依存性が当初の期待の通り無次元整理式で表す事ができた。成果は、本実績報告書に示す様に多くの査読付き英語論文にまとめる事ができ、また国際学会で発表することができ、世界の多くの研究者と議論する事ができた。将来の核融合実用炉で採用される可能性の高い液体ブランケットの最有力候補材であるLi-Pb共融合金あるいはフッ化物溶融塩の放射性トリチウムの移行挙動を明らかにでき、核融合炉安全性の確立に寄与する事ができた。
融点が260oC前後あるいは460oC近くのLi-Pb共融合金やFlibe溶融塩を実験室で安全に取扱い、実験データーを正確に得る事はかなり難しく、また実験器具取扱の習熟にも時間がかかる。これらの溶融材料は空気中で取り扱う事はできないので、不活性ガスグローブボックス内で慎重に取り扱って始めてなし得る。研究者間の協調した働きによりおおむね当初の実験計画を順調に進める事ができたが、今後も大学内の実験を正確に行うため、協力し合い実行して行きたい。

今後の研究の推進方策

平成27年度は本基盤研究遂行の最終年度であり、前年度までに完成させたLi-Pb共融合金とFlibe溶融塩の流動ループを350-600oCの広い温度範囲、ブランケットで想定される流動化速度、水素同位体濃度域で操作し、成果を求める。大学の実験室で行える実験規模は限られているが、今後データーを無次元整理し、実装置に展開できる様に、水素同位体透過率と不活性ガスへの脱離物質移動速度を評価し、研究成果を取りまとめ、H27年度に開催される国際核融合炉工学学会ISFNTを始めとしていくつか開催される国際学会やワークショップで発表するとともに国内の学会で成果発表する。成果を英語論文にまとめ、広く公表する。
１点当初予定していた計画で、放射性同位元素トリチウムを使った透過回収実験の実施が遅れた。これは大学内の既設放射性同位元素実験室の閉鎖と新規移設のため、約１年間実験室使用ができずにいたからであるが、この点に関しては、H27年度に伊都キャンパスへの実験室移設が完了する予定であり、実験準備が整い次第トリチウム実験を進める予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Study on control of non-metallic impurities in liquid lithium (2015)
  • 著者名/発表者名: Koshiro Esaki, Kazuma Hiyane, Satoshi Fukada, Francesco Nitti, Eiichi Wakai, Yuzuru Ito
  • 雑誌名: Journal of Plasma and Fusion Research SERIES 巻: 11 ページ: 36-40
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogen isotopes permeation in a fluoride molten salt for nuclear fusion blanket (2015)
  • 著者名/発表者名: Akira Nakamura, Satoshi Fukada and Ryosuke Nishiumi
  • 雑誌名: Journal of Plasma and Fusion Research SERIES 巻: 11 ページ: 25-29
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on hydrogen isotopes permeation in the fluidized state of liquid lithium-lead (2015)
  • 著者名/発表者名: Shunsuke Yoshimura, Ryosuke Yoshimura, Makoto Okada, Satoshi Fukada, Yuki Edao
  • 雑誌名: Fusion Science and Technology 巻: 67 ページ: 658-661
  • DOI: dx.doi.org/10.13182/FST14-T104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation of rates of tritium migration through porous concrete (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Fukada, K. Katayama, T. Takeishi, Y. Edao, Y. Kawamura, T. Yamanishi
  • 雑誌名: Fusion Science and Technology 巻: 67 ページ: 339-342
  • DOI: dx.doi.org/10.13182/FST14-T25
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recovery of Hydrogen Isotopes by Liquid-Gas Contactor from Li17Pb83 Blanket (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Fukada, Taiki Muneoka, Ryosuke Yoshimura, Kazunari Katayama, Yuki Edao and Takumi Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Plasma and Fusion Research SERIES 巻: 11 ページ: 1--24
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogen permeation behavior through F82H at high temperature (2015)
  • 著者名/発表者名: Shohei Matsuda, Kazunari Katayama, Motoki Shimozori, Satoshi Fukada, Hiroki Ushida, Masabumi Nishikawa
  • 雑誌名: Fusion Science and Technology 巻: 67 ページ: 467-470
  • DOI: dx.doi.org/10.13182/FST14-T56
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of Melting Points of Mixed Fluoride Molten Salts, Flinabe (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Fukada, A. Nakamura
  • 雑誌名: Fusion Science and Technology 巻: 66 ページ: 322-336
  • DOI: dx.doi.org/10.13182/FST13-694
  • 査読あり
• [雑誌論文] Present Status and Recent Evaluation of Lithium Target Facility Development in IFMIF/EVEDA Project (2014)
  • 著者名/発表者名: E. Wakai, H. Kondo, T. Kanemura, T. Furukawa, Y. Hirakawa, K. Watanabe, M. Ida, Y. Ito, K. Nakaniwa, E. Hoashi, H. Horiike, H. Serizawa, Y. Kawahito, S. Fukada, Y. Sugie, A. Suzuki, J. Yagi, 他12名
  • 雑誌名: Fusion Science and Technology 巻: 66 ページ: 46-56
  • DOI: dx.doi.org/10.13182/FST13-770
  • 査読あり
• [雑誌論文] Trapping of deuterium dissolved in fluidized Li by Y (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Fukada, T. Hiromoto, S. Shigeharu, K. Sugie, Y. Edao
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 89 ページ: 1346-1350
  • DOI: dx.doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.02.030
  • 査読あり
• [学会発表] フッ化物溶融塩中の水素同位体透過挙動の把握 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西海亮佑、深田智、中村彰
  • 学会等名: 2015年日本原子力学会春の年会
  • 発表場所: 日立市、茨城県
  • 年月日: 2015-03-20 – 2015-03-22
• [学会発表] Li4SiO4ペブルにおけるLi質量移行量の水蒸気濃度依存性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山本遼太郎、片山一成、深田智、牛田博貴
  • 学会等名: 2015年日本原子力学会春の年会
  • 発表場所: 日立市、茨城県
  • 年月日: 2015-03-20 – 2015-03-22
• [学会発表] First operation of the Flinak/LiPb twin loop Orosh2i-2 with a 3T SC Magnet for R&D of liquid blanket for fusion reactor (2014)
  • 著者名/発表者名: Akio Sagara, Teruya Tanaka, Juro Yagi, Mitsutoshi Takahashi, Kuniaki Miura, Takehiko Yokomine, Satoshi Fukada, and Shintaro Ishiyama
  • 学会等名: 21st Topical Meeting on the Technology of Fusion Energy (TOFE2014)
  • 発表場所: Anaheim, CA, USA
  • 年月日: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [学会発表] Experiment on Recovery of Hydrogen Isotopes in Fluidized Li17Pb83 Blanket (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Fukada, D. Muneoka, R. Yoshimura, K. Katayama, Y. Edao, T. Hayashi
  • 学会等名: 21st Topical Meeting on the Technology of Fusion Energy (TOFE2014)
  • 発表場所: Anaheim, CA, USA
  • 年月日: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [学会発表] Permeation of hydrogen dissolved in Li-Pb under forced-convection flow through inconel tube for fusion reactor blanket loop (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Fukada, Ryosuke Yoshimura, Shunsuke Yoshimura, Daiki Muneoka, Yuki Edao
  • 学会等名: 28th Symposium on fusion technology, Soft2014
  • 発表場所: San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-10-03
• [学会発表] Lithium desorption capacity from Li2TiO3 and Li4SiO4 (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazunari Katayama, Shimozori Motoki, Tsuyoshi Hoshino, Satoshi Fukada
  • 学会等名: 28th Symposium on fusion technology, Soft2014
  • 発表場所: San Sebastian, Spain
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-10-03
• [学会発表] Hydrogen isotopes permeation in a fluoride molten salt for nuclear fusion blanket (2014)
  • 著者名/発表者名: Akira Nakamura, Satoshi Fukada and Ryosuke Nishiumi
  • 学会等名: 12th Japam-China Symposium on Materials for Advanced Energy Systems and Fission & Fusion Engineering
  • 発表場所: 静岡市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Recovery of Hydrogen Isotopes by Liquid-Gas Contactor from Li17Pb83 Blanket (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Fukada, Taiki Muneoka, Ryosuke Yoshimura, Kazunari Katayama, Yuki Edao and Takumi Hayashi
  • 学会等名: 12th Japam-China Symposium on Materials for Advanced Energy Systems and Fission & Fusion Engineering
  • 発表場所: 静岡市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Study on control of non-metallic impurities in liquid lithium (2014)
  • 著者名/発表者名: Koshiro Esaki, Kazuma Hiyane, Satoshi Fukada, Francesco Nitti, Eiichi Wakai, Yuzuru Ito, JAEA IFMIF group
  • 学会等名: 12th Japam-China Symposium on Materials for Advanced Energy Systems and Fission & Fusion Engineering
  • 発表場所: 静岡市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 液体LiPbにおける水素同位体移行挙動の把握 (2014)
  • 著者名/発表者名: 宗岡大貴、深田智、金城真生
  • 学会等名: 2014年日本原子力学会秋の大会
  • 発表場所: 京都市
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-10
• [学会発表] トリチウム増殖材充填体における水素同位体透過挙動に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 片山一成、下反元貴、深田智
  • 学会等名: 2014年日本原子力学会秋の大会
  • 発表場所: 京都市
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-10
• [学会発表] 核融合炉ブランケット用溶融塩混合物の融点と粘度予測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 深田智、中村彰、相良明男、田中照也、八木重郎
  • 学会等名: 第10回核融合連合講演会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2014-06-19 – 2014-06-20
• [学会発表] Recovery of hydrogen isotopes from liquid Li under forced convection flow (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Fukada, S. Sugie, K. Esaki, K. Hiyane, Y Edao, E. Wakai, H. Kondo, Y. Ito
  • 学会等名: 12th international workshop on hydrogen isotopes in fusion reactor materials
  • 発表場所: 富山市
  • 年月日: 2014-06-02 – 2014-06-04
• [学会発表] Hhydrogen isotope behavior in a molten salt (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Nakamura, S. Fukada
  • 学会等名: 12th international workshop on hydrogen isotopes in fusion reactor materials
  • 発表場所: 富山市
  • 年月日: 2014-06-02 – 2014-06-04
• [図書] 原子力・量子・核融合事典第１分冊（４章核融合炉工学、4.10燃料循環工学、4.10.3燃料の回収システム） (2015)
  • 著者名/発表者名: 原子力・量子・核融合事典編集委員会（総勢140名）
  • 総ページ数: 300（うち深田智執筆分１）
  • 出版者: 丸善出版