核融合炉内金属ダストへの燃料蓄積量の微量測定に世界で初めて成功

実験炉ITERの燃料（三重水素）の安全管理に大きく貢献

2020-07-01 量子科学技術研究開発機構

発表のポイント

• 核融合実験炉ITER（イーター）（以下、「ITER」という。）を模擬した炉壁実験で発生する金属ダストへの核融合燃料(三重水素)の蓄積量を、新たに開発した三重水素の微量分析手法を適用することにより、明らかにした。
• 本成果は、日欧協力の下、欧州の核融合実験装置JETの炉壁から取り外した試料を、六ヶ所研にある放射性の三重水素及びベリリウム材料の取扱いが可能な世界有数の施設に輸送し、分析して得たもの。
• TERの炉内における三重水素蓄積量の評価モデルの構築に大きく貢献する。

核融合エネルギーの実現に向けた幅広いアプローチ活動（以下「ＢＡ活動」という。）の日本側実施機関である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。）と欧州側実施機関であるフュージョン・フォー・エナジーは、量研六ヶ所核融合研究所（以下「六ヶ所研」という）の施設を用いて、日欧の研究機関及び大学の協力のもと、炉内に蓄積された微量な三重水素の評価に取り組んできました。今回、新たに２つの微量分析手法（微量のダスト粒子の内部にまで蓄積された全量を測定する“燃焼法”と、多数のダスト粒子の元素成分と表面に蓄積する三重水素濃度を可視化する“新しいイメージング法”）を開発し、世界で初めて、炉内で発生したミクロサイズの金属ダストへの蓄積量の評価に成功しました。

ITERでは安全確保の観点から、放射性元素である三重水素の炉内における蓄積量を基準値以下に管理することが求められており、運転時間と共に炉壁の表面や炉壁から発生するダストに蓄積する三重水素の評価手法の確立が課題でした。これに取り組むため、欧州の核融合実験装置JETでは、世界で唯一ITERと同じ金属材の真空容器保護タイルを炉壁として取り付け、運転中に生成された微量の三重水素が炉壁の表面やダストに蓄積する実験を行いました。そして、六ヶ所研が有する放射性の三重水素及びベリリウム材料の取扱いが可能な世界有数の施設を利用し、輸送されたタイル及びダスト試料を分析してきましたが、中でも新たな微量分析法の開発により金属ダスト試料（1〜数ミリグラム）への三重水素蓄積量の評価に世界で初めて成功しました。一連のダストや真空容器保護タイル試料の分析結果は、ITERの炉内における燃料蓄積量の推定を裏付ける結果となり、ITER及び将来の核融合炉の運転時における蓄積量の管理にも役立つことが期待されます。

今回の成果は、日欧共同論文として、IAEA核融合エネルギー会議（2020年10月から2021年5月へ開催延期）での発表を予定しています。

なお、本共同研究は、欧州の研究機関・大学をはじめ、自然科学研究機構核融合科学研究所、茨城大学、近畿大学、静岡大学、島根大学及び富山大学との協力により実施されました。

研究の背景と目的

ITERでは、燃料となる重水素と三重水素(トリチウム)を炉内に供給して超高温のプラズマ状態を作りだすことで核融合反応を起こす“燃焼”実験を行い、入力エネルギーの10倍以上の出力を長時間（300〜500秒間）維持することを目標とします。ITERの運転中にはこれらの燃料が外部から継続的に供給されます。燃料の一部は、主に炉壁（真空容器保護タイル）表面や炉壁から発生するミクロサイズのダスト粒子に蓄積されます。この結果、放射性を帯びる三重水素は運転時間とともに炉内に徐々に蓄積されると予想されています。他方、ITERでは安全確保の観点から炉内の三重水素の蓄積量を基準値以下（安全面での裕度を含め1000グラム未満）に管理する計画です。しかしながら、実際にプラズマが照射される実験装置の環境下で、ITERで使用する金属材料（タングステンとベリリウム）の炉壁への水素（三重水素を含む）の蓄積過程には未解明な部分が多く残されていました。また、これまでの蓄積量の測定手法では多様なダスト粒子中に含まれる三重水素の全量を正確に評価することが難しく、ダスト粒子の構成元素を区別し、評価する手法が必要とされていました。

欧州のトカマク型核融合実験装置JETは、この課題の解決に向けて、ITERと同じ金属材料を真空容器保護タイルに使用して実験運転を行っている世界唯一の装置です。今回の研究では、三重水素の炉内への蓄積を調べるため、JETの運転後に真空容器保護タイルの一部を切り出した試料や真空容器内（炉内）から捕集したダスト試料を六ヶ所研に6度輸送し（図１参照）、これらの材料中の三重水素を様々な方法で分析しました。

図１．欧州トカマク型核融合実験装置JETと真空容器内（炉内）から回収した試料

六ヶ所研のR&D棟は、三重水素や放射化した材料の分析とともに核融合炉で多く使用されるベリリウムを同時に扱うことができる世界有数（日本国内では唯一）の施設でJETの炉内から取り出された試料を受け入れることができ、更に材料の微細構造の測定設備が整い、最先端の核融合炉材料の開発実績もあることから、日欧協力で実施中の｢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事業の一環として、共同研究を開始しました。2014年以降今日まで、量研、自然科学研究機構核融合科学研究所や大学（茨城大、富山大、静岡大、近畿大、島根大）の専門家、さらに欧州の専門家も加わり日欧共同で試料分析を行っています。

研究内容と成果

六ヶ所研に輸送されたタイル試料とダスト試料を使用して、特殊感光フィルム(イメージングプレート) 、燃焼法、電子顕微鏡など様々な方法で、三重水素（及び重水素）が炉壁の表面や炉内で生成されるダストに蓄積される様子を分析しました。これにより、三重水素は真空容器保護タイルから発生するベリリウムと共に堆積して炉内に蓄積する傾向が強いことが明らかになりました。

微粒子であるダストは、炉壁材料の原子が壁表面において燃料である水素とともにプラズマ状態となった中で成長したり、表面の堆積物が剥がれたりして生成しますが、三重水素がどの程度含まれるか精度の高い評価が必要でした。今回の分析のために、JETの炉内から採取した少量のダスト（1〜数ミリグラム）中に含有される三重水素量の新しい分析方法を開発しました。図２に示す“燃焼法”はその一つで、少量のダストをスズ箔で包んで燃焼させることによりダストの飛散がなく、スズ箔の急激な化学反応による発熱を利用してダストに蓄積された三重水素を効率良く酸化して回収する方法です。この測定法によって、ダスト粒子の内部にまで蓄積された全量を正確に測定できるようになりました。

図２．ダストに蓄積した三重水素の全量を分析するために開発された燃焼法

更にダスト粒子のもととなる元素とその表面に蓄積された三重水素濃度の分布を合成できる“新しいイメージング手法”（図３）等を通して、多数のダスト粒子の表面の三重水素量測定や化学成分、組織構造を含めた総合的な分析が可能になりました。同図の合成画像から、ダスト粒子表面の成分により三重水素の蓄積量は、炭素（注１）、ベリリウム、タングステンの順に低下していることが初めて確認されました。

図３．今回の分析のために新しく開発したイメージング法（右図はイメージングプレートと電子顕微鏡測定の合成画像：青→緑→黄→赤→黒の順で高濃度となる）

注１）炭素ダストは、JETの真空容器保護タイルを金属にする前の実験時期に使用された炭素の真空容器保護タイル材から発生したものが残ったものでしたが、本分析結果は金属の真空容器保護タイルを使用するITERでは三重水素の蓄積が少ないことを示す重要な根拠の一つになりました。

プラズマ対向機器用タイル表面への三重水素の蓄積の評価

JETのダイバータと呼ばれるプラズマ対向機器用タイルの試料表面（タングステン）に蓄積した三重水素の濃度分析では、高温のプラズマ周りに設置したブランケットと呼ばれるプラズマ対向機器用タイルから発生するベリリウムと共に、三重水素がプラズマと接触する特定位置のタイル表面に蓄積することを示しました（図4左：注２）。本研究成果として新たに、プラズマから直接見えない位置のタイル側面にも三重水素が同様に蓄積することが明らかになりました（図4右）。タイルや隙間の形状を踏まえたプラズマの振る舞いと蓄積位置の関係を今後明らかにして、ITERでの高精度の予測に役立てる計画です。

図４．（左）JETのタイルの打抜き試料表面における三重水素濃度の分析結果（三重水素の表面での濃度をカラーでイメージング）と三重水素が側面に蓄積した板型タイルの位置。 （右）板型タイルの側面への三重水素の蓄積結果。

注２）プラズマから見えない排気口内にもベリリウムと共に三重水素が蓄積することも本分析結果から再評価されています。

研究成果の意義

現在、ITERでは、真空容器保護タイルの損耗量や三重水素の蓄積量を予測して運転管理に活用するため大規模なシミュレーションコードを開発していますが、その蓄積の計算モデルを検証し改善するために、信頼性の高い蓄積量の実験データが待たれていました。今回の成果は、三重水素の炉内への蓄積原因の一つとして考えられていたダストに関する新しい微量分析手法を確立して、多様なダスト粒子の材料成分とそれらへの蓄積量との関係を明らかにし、さらに三重水素の蓄積過程におけるタイル等の形状の影響やプラズマと壁材料との反応特性を明らかにしたものです。これらの成果は、六ヶ所研の特徴を生かした日欧共同分析の結果であり、ITERの炉内での三重水素の蓄積に関する計算モデルの改良や評価値の信頼性の向上に繋がり、ITERの安全管理に大きく貢献します。

添付（付録）

核融合実験炉ITER（イーター）

超高温（数億度）の核融合プラズマを炉内に閉じ込め、制御された長時間燃焼によって核融合の科学的及び技術的実現性を実証することを目指したトカマク型(超高温プラズマの磁場閉じ込め方式の一つ)の核融合実験炉です。1988年に日本・欧州・ロシア・米国が共同設計を開始し、2005年にフランスのサン・ポール・レ・デュランスに建設することが決定しました。2007年には、日本、欧州連合、中国、インド、韓国、ロシア、米国の７極が参加し、国際機関「イーター国際核融合エネルギー機構（イーター機構）」が発足しました。現在、イーターが格納される建屋の建設が進められており、また、各極において、それぞれが調達を担当する様々なイーター構成機器の製作が進められています。2025年頃からのプラズマ実験の開始を目指しています。イーターでは、重水素と三重水素を燃料とする本格的な核融合による燃焼が行われ、核融合出力500MW、エネルギー増倍率10を目標としています。
燃料ガスを閉じ込める真空容器（ステンレス製）の内側は、ブランケットとダイバータというプラズマ対向機器が設置されプラズマの直接照射から保護されます。それらのプラズマ対向材料として、それぞれベリリウムとタングステンが使用されます。

イーター計画に関するURL http://www.fusion.qst.go.jp/ITER/index.html（日本語）

イーター機構のURL http://www.iter.org/（英語）

欧州トカマク型核融合実験装置JET(欧州トーラス共同研究施設)

閉じ込めプラズマの中心部では1億度以上に達し、核融合炉プラズマの生成が可能な大型のトカマク型核融合実験装置で、プラズマの大きさはイーターの1/2程度。2011年からイーターと同じ金属材料（タングステンとベリリウム）を用いたイーターの模擬実験（ILW）が行われており、イーターの運転等に有用な実験データを取得中です。本実験期間はJETの運転で三重水素は使用しませんが、運転に使用する重水素（普通の水素の2倍の重さ）同士が衝突・核融合反応して、少量の三重水素を発生します。

六ヶ所研のR&D研究施設

六ヶ所研のR&D棟は、核融合炉の燃料である放射性の三重水素や放射化物だけでなく、粉塵発生による健康障害予防のための安全対策を施した施設として核融合炉で利用することの多いベリリウムを同時に扱うことができる日本では唯一、世界でも有数の研究施設です。R&D研究施設には、1ミクロン（1ミリの1/1,000）から1ナノメートル(１ミリの1/1,000,000)サイズの材料表面の微細組織や付着物中の結晶構造や成分を分析できる最新の分析装置が整備され、最先端の核融合炉材料の開発研究を行っています。

日欧の幅広いアプローチ(BA)活動としての本研究

JETのタイル及びダスト分析はBA活動の国際核融合エネルギー研究センター事業の当初計画には含まれませんでしたが、これらの試料の性質と分析装置の整備状況から六ヶ所研のR&D研究施設が最適な分析施設と判断され、2014年から日欧共同研究としてBA活動に組み入れられました。JETにおけるイーター模擬実験（ILW）の第１期(2011-2012年)と第3期（2015-2016年）の運転期間終了後に取り出された真空容器保護タイルの一部及び装置内部から採取されたダスト粒子を六ヶ所研に6度輸送し、日欧の研究者の協力の下で様々な分析を行いました。その成果はBA事業の研究報告書（2019年12月）にまとめられるとともに、専門雑誌へも日欧共同論文として発表しています（論文数10編）。

六ヶ所研究所における日欧の研究機関及び大学の協力によるJET ILW試料分析

2014年より、量研および国内研究機関（自然科学研究機構核融合科学研究所、茨城大学、近畿大学、静岡大学、島根大学及び富山大学）の専門家による最先端の共同分析研究を、若手研究者の育成とともに進めています。

毎年、欧州の研究者が加わり日欧合同の分析が行われ、試料の状態や分析結果を直接確認し相互の知見を交換することで新たな理解を深め、さらなる分析課題を明らかにしています。

JET ILW試料分析の共同研究に参加している日本および欧州の研究機関・大学