J. Plasma Fusion Res. Vol.92, No.2 (2016)１ １０‐１１１ 小特集 液体だけど水じゃない −次世代ブランケット・ダイバータ研究開発の現状と課題− It's Liquid but not Water Current Status and Issues of the Next Generation Blanket and Divertor R&D １．はじめに 1. Introduction 相良明男 SAGARA Akio 核融合科学研究所ヘリカル研究部核融合システム研究系 （原稿受付：２ ０ １ ５年１ ２月７日） １． １ 本小特集の目的 殖機能，その時の中性子やガンマ線を炉の外に出さない遮 人類８００万年，１００℃を中心とした水文明の壁を越える新 蔽機能，である．これを全て一種類の作動流体で行う典型 しい高温融体の世界を切り開く試みが核融合工学でも始 が自己冷却型液体増殖ブランケットである．いずれにして まっている．なぜならば，そこには水文明では達し得ない も，その作動流体と構造材との組み合わせは何がよいか， 魅力が沢山有るからである．しかし，それを実現するには の 評 価 作 業 BCSS（Blanket Comparison and Selection 乗り越えねばならない大きな困難や課題，或いは未知の現 Study）が１９８４年に米国で実施され ［２］，溶融塩を含む９ 象があるかも知れない．言い換えれば，学術的発見や異分 種類の候補から液体 Li，Li/He，PbLi，固体 Li2O の４種類 野への波及も期待できる．同時に，常識を越えた技術開発 が，今後重点的に研究を進めるべきものとして選定され への挑戦も必要である．この小特集は正にその最前線を概 た．溶融塩は安全評価は高かったがデータベース不十分が 観することが目的である． 理由で除外された．しかし１ ９９１年に溶融塩 FLiBe（BeF2 確かに，１７６９年の新方式の蒸気機関がもたらした鉄工業 と LiF の混合塩）を採用した慣性核融合炉 HYLIFE-II が R. と，それによる産業革命と交通革命は，良くも悪くもその Moir らによって設計された［３］．洋梨の中心を空洞にした 後の歴史を大きく変え，現在にまで至っている．核融合工 ような厚肉の液体ブランケットは，厚さ約１m の自由表面 学もその延長で考えることに不思議はない．しかし核融合 であり，パルス毎に上流から再生して循環する．これに エネルギーの魅力を十分に引き出すには，水文明では不十 よって炉寿命３０年で高レベルの構造材の放射化廃棄物は出 分な可能性がある．その理由の詳細については，当該小特 さない， という意味で究極の理想設計と言える．すなわちブ 集では割愛するが，最近M. Tillackによって，核融合工学で ランケット３機能，高熱効率，交換不要の高稼働率，浅地処 の「水」について様々な観点からの詳細な評価が丁寧に述 理廃棄物，の全てを兼ね備えている．とは言え，BCSS に べられているので是非一読をお勧めしたい［１］． 沿って世界のブランケット研究の流れは固体あるいは液体 金属に移行した． １． ２ 核融合工学での高温融体研究の歴史 しかし，この流れの中で，もんじゅの液体 Na 事故の前 では本題の核融合工学での高温融体であるが，まずブラ 年，１９９４年に筆者らは漏出安全の観点から FLiBe 自己冷却 ンケットでの研究歴史を概観しておく（図１）．尚，ブラン 型のヘリカル炉 FFHR を国際会議で発表した ［４］．その当 ケット機能には大きく３つあり，核融合反応でできる高速 座は冷視されたが，１９９９年に米国で M. Abdou 教授中心に 中性子から熱を取り出すエネルギー変換機能，並行してリ Li，PbLi，FLiBe の比較設計活動 APEX（Advanced Power チウムの中性子反応によってトリチウム燃料を生産する増 Extraction）が始まった ［５］．並行して，ダイバータに関し National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japan author’s e-mail: [email protected] １１０ !2016 The Japan Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research Special Topic Article 1. Introduction A. Sagara ても２０００年から米国で R. Mattas 中心に Li，FLiBe，SnLi， 参考文献 Ga の 比 較 設 計 活 動 ALPS（Advanced Limiter-divertor ［１］M.S. Tillak, P.W. Humrickhouse, S. Malang and A.F. Rowcliffe, The use of water in a fusion power core, Fusion Eng. Des. 91, 52 (2015). ［２］D.L. Smith et al., Blanket Comparison and Selection Study, ANL/FPP-84-1, Argonne National Lab. (1984). ［３］R.W. Moir et al., HYLIFE-II Progress Report, UCID21816, Lawrence Livermore National Lab. (1991). ［４］A. Sagara et al., Blanket and Divertor Design for Force Free Helical Reactor (FFHR), Fusion Eng. Des. 29, 51 (1995). ［５］M.A. Abdou and APEX Team, Exploring novel high power density concepts for attractive fusion systems, Fusion Eng. Des. 45, 1435 (1999). ［６］R.F. Mattas et al., ALPS-advanced limiter-divertor plasma-facing systems, Fusion Eng. Des. 49-50, 127 (2000). ［７］K. Kunugi, Y. Matsumoto, A. Sagara, A new cooling concept of free surface flow balanced with surface tension for FFHR, Fusion Eng. Des. 65, 381 (2003). ［８］R.P. Schorn, E. Hintz, B. Baretzky, J. Bohdansky, W. Eckstein, J. Roth and E. Taglauer, J. Nucl. Mater. 162-164, 924 (1989). ［９］H. Sugai et al., Wall conditioning with lithium evaporation, J. Nucl. Mater. 220-222, 254 (1995). ［１ ０］H.W. Kugel et al., J. Nucl. Mater. 390-391, 1000 (2009). ［１ １］P.A. Finn et al., The reactions of Li-Pb Alloys with Water, Trans. Am. Nucl. Soc. 34, 55 (1980). ［１ ２］ 「核融合炉ブランケットの研究開発の進め方」原子力委 員会核融合会議計画推進小委員会（２ ０ ０ ０） http://www.aec.go.jp/jicst/NC/senmon/old/kakuyugo /siryo/siryo137/siryo2.htm ［１ ３］ 「核融合炉工学の再構築と体系化について」日本学術会 議核科学総合研究連絡委員会核融合専門委員会報告 http://www.scj.go.jp/ja/info/kohyo/17htm/17_37.html ［１ ４］K. Abe et al., Fusion Eng. Des. 83, 842 (2008). ［１ ５］T. Muroga et al., Fusion Sci. Technol. 60, 321 (2011). Plasma-facing System）が始まった（＞50 MW/m2，エロー ジ ョ ン 律 速 の 寿 命 回 避，ダ イ バ ー タ 熱 利 用 の 熱 効 率 ＞４０％） ［６］．共に自由表面（free surface）が主テーマで あった．ヘリカルダイバータについても自由液面設計が提 案された［７］．他方 Li に関しては，１９８０年代に第１壁のス パッタエロージョンに対する自己修復機能を狙った Al-Li，Cu-Li 合金（低 Z 番号で且つイオン化し易い Li によ る被覆と磁場下でのスパッタ再付着）が注目されたが，表 面析出とのバランス維持が解決できなかった ［８］．しかし 菅井らは JIPP T-IIU への Li蒸着で水素リサイクリングを抑 制する PWI 研究に成果を上げた［９］．その後，米国 NSTX での液体 Li 実験につながっている［１０］．これらは熱負荷制 御と言うより PWI 制御の観点が強い．尚，Li の活性度を抑 制する目的で，中性子増倍と放射線遮蔽に優れた Pb との 合金については，１９ ８０年に様々な Li/Pb モル比率の中から Li：Pb=0.17：0.83（通常 Li0.17Pb0.83 と書く）が選ばれた経 緯はあまり知られていない［１１］． これらを背景として，２０００年に原子力委員会核融合会議 計画推進小委員会［１２］，及び日本学術会議核科学総合研究 連絡委員会核融合専門委員会［１３］にて「液体増殖方式」あ るいは「液体金属や溶融塩などの研究」の文言が記載され た．ま た，日 米 科 学 技 術 協 力 事 業 JUPITER-II（２ ００１∼ ２００６） ［１４］，TITAN（２ ００７∼２０１２） ［１５］では FLiBe および PbLi の化学および熱流動データベースの構築が実施され た．これらは国内研究ネットワークとして現在継続してい る．したがって，これらの経緯を背景として，本小特集を お読みいただければ幸いである．その上での今後の展望は 「７．今後の展開」で述べる． 図１ 液体ブランケット，その中の溶融塩，および液体ダイバータに関する世界の論文数の推移と，主な研究活動等との相関． １１１
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