Design study of blanket structure based on a water-cooled solid breeder for DEMO

核融合原型炉における固体水冷却型ブランケットの構造設計研究

染谷 洋二; 飛田 健次; 宇藤 裕康; 徳永 晋介; 星野 一生; 朝倉 伸幸; 中村 誠; 坂本 宜照

Someya, Yoji; Tobita, Kenji; Uto, Hiroyasu; Tokunaga, Shinsuke; Hoshino, Kazuo; Asakura, Nobuyuki; Nakamura, Makoto; Sakamoto, Yoshiteru

核融合原型炉ブランケットの概念設計研究を進めている。原型炉ブランケットでは数年おきに600体程度のモジュールを検査も含めて交換することから単純な構造が求められる。これより、トリチウム増殖材(LiTiO)と中性子増倍材(BeTi)を混合充填することにより単純な構造概念を提案した。しかしながら、この概念は、冷却水条件である15.5MPaに対する耐圧性が無く、冷却水が漏れた際の財産保全の観点で懸念が残る。他方、構造を強硬にするとトリチウム(T)を生成するための中性子が無駄に吸収されることから生成量が低下する。本論文では、目標であるT生成量を満たすと共に耐圧性が確保できる設計概念を検討した結果を報告する。また、混合充填では、T生成反応が効率的に行われることからLiの燃焼度が高く、ブランケット寿命が短いことが懸念され、T生成量の観点からブランケット寿命も明らかにする。冷却水圧である15.5MPaに耐えるためには、区画サイズが100mm100mmでリブ厚が18mm必要であり、冷却水が漏れた際の蒸気圧(8MPa)に耐えるためには同じ区画サイズでリブ厚さが10mm必要であった。この条件下で3次元中性子輸送コードMCNP-5を用いて計算を行った結果、冷却水が漏れた際の蒸気圧(8MPa)に対する耐圧性を有し、T自給自足性を満たすことを明らかにした。

Blanket concept with simplified interior for mass production has been developed with a mixed bed of LiTiO and BeTi pebbles, a coolant condition of 15.5 MPa and 290-325C and cooling tubes only without any partitions. A neutronics analysis ensured the blanket concept meets a self-sufficient supply of tritium. However, this concept is vulnerable to the inner pressure. A plant availability for DEMO may drop to a lower value, because a potential of resume operations after an accident such as a coolant leakage in blanket is not considered. The blanket design will be revisited for the availability. Considering the continuity with the ITER-TBM option of Japan and the engineering feasibility of fabrication, our design study focuses on a water-cooled solid breeding blanket using the mixed pebbles bed. A breakage of the blanket casing should be avoided not to contaminate the plasma chamber with water and breeding materials. A water-cooled solid blanket with inner pressure tightness is estimated by the ANSYS code. As a results, the pressure tightness of 8 MPa (water vapor pressure at 300C) can be compatible with the self-sufficient production of tritium when the blanket is as thick as about 0.9 m and the ribs are arranged in the radial direction. Therefore, the blanket concept with pressure tightness of 8 MPa is adopted with depressurization system as which a tritium recovery system such as helium purge-gas line is posteriorly arranged in blanket to serve. On the other hand, a handling of decay heat is a serious problem at an accident such as LOCA. Coolant flow is divided into the blanket to secure heat removal for the safety. Finally, the blanket segmentation with the shape and dimension of blanket and routing of coolant flow has also been proposed. Moreover, overall TBR is estimated with torus configuration based in the segmentation using three-dimensional MCNP calculation.