Structural safety assessment of a tokamak-type fusion facility for a through crack to cause cooling water leakage and plasma disruption

トカマク型核融合装置の冷却水リーク及びプラズマディスラプションを伴う貫通き裂に関する構造安全性評価

中平 昌隆

Nakahira, Masataka

トカマク型核融合装置は、プラズマ停止に関し固有の安全性があるとされる。水リークにより、プラズマが安全停止することもあるが、プラズマディスラプションが生じる可能性もあり、この時真空容器に電磁力が作用する。真空容器はトリチウムと放射化ダストを内包する放射性安全上の物理障壁である。貫通き裂から水リークが発生し、生じた電磁力に対して真空容器が不安定破壊を起こさなければ、構造安全性が確保され、固有の安全性を証明できる。よって構造安全性を確保する系統的手法の開発を行った。まず貫通き裂と水リークの解析モデルを構築し、実験的に検証した。本モデルによりプラズマを停止させる貫通き裂長さは、約2mmと算出し、不安定破壊を起こすき裂長さは約400mmと評価した。したがってプラズマ停止を起こす貫通き裂により真空容器が不安定破壊することはないと結論づけられ、固有の安全性を証明した。

A tokamak-type fusion machine is said to have inherent safety associated with plasma shutdown. A small leak of water can terminate the plasma safely and can cause a plasma disruption which will induce electromagnetic(EM) forces in the vacuum vessel (VV). From a radiological safety view point, the VV forms the physical barrier that encloses tritium and activated dust. If the VV can sustain an unstable fracture by EM forces from a through crack to cause the leak, the structural safety will be assured and the inherent safety will be demonstrated. Therefore, a systematic approach to assure the structural safety is developed. A new analytical model to evaluate the through crack and leak is proposed, with verification by experiment. Based on the analyses, the critical crack length to terminate plasma is evaluated as about 2 mm, and the critical crack length for unstable fracture is obtained as about 400 mm. It is therefore concluded that EM forces induced by small leak to terminate plasma will not cause the unstable fracture of VV, and then the inherent safety is demonstrated.