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

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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。

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