2020 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of tritium decontamination method under the vacuum condition for fusion reactors
| Project/Area Number |
18K04999
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
|---|
Principal Investigator |
芦川 直子 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (00353441)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鳥養 祐二 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (80313592)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | トリチウム除染 / 原型炉 / 等温脱離 / 金属壁 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
核融合原型炉成立のため新たな表面トリチウム低減シナリオの構築が急務である。これまでに、原型炉でのトリチウム除染に必要な条件の精査を行い、可能な手法について考察を行った。プラズマ対向面での主な対象材料はタングステンで、温度制御（ベーキング）法、能動的洗浄放電（グロー放電、マイクロ波放電等）法、動作ガスの選択による除染が候補として考えられる。プラズマ対向面は運転中に350度に保持され、運転停止後に崩壊熱および外部温度制御により材料温度を500度まで上昇させる案がある。本課題ではこの崩壊熱を利用したトリチウム低減シナリオの提案と共に、同温度領域における除染効率に関する評価を進めた。
現在の装置条件では昇温の後に等温領域に至る必要があるが、昇温速度が水素同位体のタングステン中捕捉サイトからの脱離に必要な活性化エネルギー以上であると、等温設定前の過剰な脱離促進につながり、これは実際の様相とは異なる。このような余剰エネルギーとヒーターのオーバーシュートを抑えるべく２段階の温度履歴による等温脱離評価を行った。これまでの結果では、発電運転中の壁温度で水素同位体の脱離効果は不十分で、４００℃以上の温度設定が好ましいことが明らかになった。
また、中性子照射模擬を目的とした鉄イオン照射実験（京大DuET装置）後のタングステン材に対する除染評価を開始した。重水素プラズマ照射したタングステン材最表面からの重水素深さ方向分析を飛行時間型二次イオン質量分析（TOF-SIMS）法により行い、重水素は打ち込み効果によって最表面よりも少し内部（20nm前後）でピークが生じる結果となった。つまりプラズマ照射のみでは、温度制御と能動的放電に伴う除染の可能性が高い深さであることが分かった。2020年度に鉄イオン照射材からの除染効果の考察まで予定していたがCOVID-19により一部は2021年度へ延長となった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
COVID-19に伴い、出張制限等が生じた。当初計画では2020年度内に鉄イオン照射実験（京大、DuET装置）を行ったタングステンからの水素同位体脱離効果を行う予定であったが、同試料の鉄イオン照射実験の実施までとなった。また海外で意見交換を共う国際会合への参加を予定していたが、これも出張制限のために実施できなかった。このように、特に実験を伴う研究計画に遅れが生じている。しかし、準備や予備分析がすでに完了している実施項目もあり、COVID-19による出張制約が解除されれば実施が可能である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでの本研究課題で得られた知見を踏まえて、次に述べる３点について進める。
１）温度制御による水素同位体脱離に関し、脱離量と等温に至る温度履歴が脱離量に与える影響について、追加実験により考察を深める。これまでの知見では、構造材の特性変化を抑えるために運転の上限温度５５０度があり、これ以下の温度領域を対象とすると残留量が生じる可能性がある。ただし、この比率を理解することで、追加で実施可能な能動的洗浄放電（グロー放電、マイクロ波放電等）法、 ワーキングガスの変更に対し、より効果的な組み合わせシナリオの構築が可能と考えている。
２）中性子照射模擬として鉄イオン照射材に対するトリチウム低減効果について、新たに実験を行う（出張制限による延期によるもの）。初期滞留量に対し、深さ方向の低減効果と全量に対する低減効果それぞれに対するデータを取得し、未鉄照射材との比較考察を行う。
３）本研究課題の総括として、真空下でのトリチウム低減の効果についてまとめる。その際、前提条件となる原型炉で制御可能なパラメータについて具体的に言及しつつ、低減法に関する考察を深める。特に原型炉での運用には周辺温度が冷却媒体の温度制御（応答性が悪い）のみで決まるという条件があるため、予測制御に伴うトリチウム低減が必要となる。この予測制御によるトリチウム低減について必要条件の提示を行う。
|
| Causes of Carryover |
COVID-19に伴い、出張制限等が生じ,それに伴い関連する一部の実験に延期が生じた。１年の延長を行うことで当初の目的を実施できる可能性があるため、その手続きを行った。
当初計画では2020年度内に鉄イオン照射実験（京大、DuET装置）を行ったタングステンからの水素同位体脱離効果の評価を行う計画で、自身が研究指導をサポートしている修士学生と共に実験参加する予定である。主には出張費、分析費および試料調整費などが予定されている。実験の準備や予備分析がすでに完了している実施項目もあり、COVID-19による出張制約が解除されれば実施が可能である。
|
