核融合エネルギーの発電実証に向けた原型炉の基本概念を明確化

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 脱炭素社会に向けて21世紀中ごろの実現を目指す

2019-11-27 量子科学技術研究開発機構

発表のポイント

  •  フランスに建設が進む国際熱核融合実験炉(以下「ITER」という。)の技術基盤に、産業界の発電プラント技術や運転経験等を取り込み、ITERの目標達成後21世紀中ごろに発電実証を行うための日本独自の原型炉の基本概念を明確にした。
  •  これまで炉心の設計が中心であった原型炉概念を大きく進展させて核融合エネルギーによる発電プラントの全体像を示した。

 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長 平野俊夫。以下「量研」という。)は、量研を中心とした産学が連携する原型炉設計合同特別チーム(以下「特別チーム」という。)の設計活動において、核融合エネルギーによる発電を実証するための核融合原型炉(以下「原型炉」という。)の基本概念を明確にしました。

 2015年に採択された地球温暖化対策の国際的枠組みであるパリ協定では、21世紀後半に温室効果ガスの実質ゼロ排出を目指しており、核融合エネルギーは、このパリ協定の実現に対し大きなポテンシャルを持つものと考えられています(公益財団法人地球環境産業技術研究機構の調査による)。

 核融合エネルギーの実用化には、国際協力によりフランスに建設中のITER及び国内のITERサテライト装置であるJT-60SAにおいて目標を達成した後に、原型炉において発電実証を行う必要があります。今回、ITER及びJT-60SAの建設で量研が培ってきた技術を基盤として、日本の産業界の発電プラント技術及び運転経験並びに大学等による未踏技術の解決方策を取り入れ、原型炉の発電運転に必要な全ての設備を配する発電プラントの基本概念を検討しました。その結果、ITER及びJT-60SAで目標達成できれば、21世紀中ごろに約64万キロワットの電気出力を発生する日本独自の原型炉の建設が可能であることを示しました。

 基本概念の検討に当たっては、量研が実施機関に指定されている幅広いアプローチ(BA)活動の国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)事業における国際協力の枠組みを活用し、日欧で原型炉の炉心性能に関する情報交換を行うとともに、オールジャパン体制として量研、核融合科学研究所、大学等及び産業界の総勢101名の専門家で構成した特別チームの設計活動により、発電プラントを構成する機器・設備間の整合性を確認しました。

 これまで炉心の設計が中心であった原型炉概念を大きく進展させて原型炉プラントの全体像を示したもので、本成果により核融合エネルギーの実現への道筋が確かなものになりました。

 なお、この成果の詳しい内容は、2019年11月29日から中部大学で開催される第36回プラズマ・核融合学会年会の招待講演で発表します。

背景

 核融合エネルギーは人類究極のエネルギー源として世界中で研究開発が進められ、21世紀後半に温室効果ガスの人為的な排出を実質ゼロにすることを目指すパリ協定の実現に対して大きく貢献する可能性があります。また、現在、ITERの建設が順調に進捗するのに並行して、21世紀中ごろに発電実証を目指す原型炉の概念設計が世界中で進められています。

 日本では、2011年からBA活動の国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)事業において、欧州と合同で共通設計課題の検討を実施機関に指定された量研を中心に実施するとともに、2015年6月に産学が連携した総勢101名の特別チームが量研六ヶ所核融合研究所に設置され、オールジャパン体制の設計チームとして原型炉の概念設計を行っています。特別チームでは、2020年までに原型炉の基本概念の構築、2025年頃までに概念設計の完了を目指しています。

成果の内容

 特別チームは、21世紀中ごろに核融合エネルギーによる発電実証を目的とする原型炉の基本概念を構築するため、ITERの燃焼プラズマやJT-60SAの高圧力定常プラズマと同じプラズマ物理基盤及び炉工学技術基盤に基づいた設計を目指しました。特に方針として、「フランスに建設中のITERで採用された技術(炉本体、ダイバータや超伝導コイル等)を最大限に活かすこと」、「ITERでは実証されない技術(大規模遠隔保守や本格的な増殖ブランケット等)の検討を中心に取り組むこと」及び「原型炉の施設全体を検討すること」を掲げました。また、ITERやJT-60SAの物理・技術基盤に加えて、産業界がこれまで培ってきた発電プラント技術や運転経験を取り込みながら原型炉の運転に必要な設備の設計を行うことで、原型炉プラントの全体像(図1)及び炉本体(図2)を明確にしました。

核融合原型炉プラントの全体像

図1 核融合原型炉プラントの全体像

原型炉の炉本体

図2 原型炉の炉本体

(核融合出力150万キロワット、)

 これまで炉心の設計が中心であった原型炉概念は、現在の原子力発電所クラスの高い電気出力を目指していたため、魅力的ではある一方、ITERで採用された技術からの飛躍が大きく、21世紀中ごろまでに核融合エネルギーによる発電を実証する実現性において、いくつかの課題がありました。これらの課題に対して、量研、核融合科学研究所、大学等及び産業界の専門知識を導入し、以下のような工夫をして基本概念を明確にすることができました。

(1) 高い電気出力を得ることとダイバータ除熱能力の両立

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