Evaluation of tritium confinement performance of alumina and zirconium for tritium production in a high-temperature gas-cooled reactor for fusion reactors

核融合炉用トリチウムを製造する高温ガス炉におけるアルミナ及びジルコニウムのトリチウム閉じ込め性能の評価

片山 一成*; 牛田 宏樹*; 松浦 秀明*; 深田 智*; 後藤 実  ; 中川 繁昭  

Katayama, Kazunari*; Ushida, Hiroki*; Matsuura, Hideaki*; Fukada, Satoshi*; Goto, Minoru; Nakagawa, Shigeaki

高温ガス炉にリチウムを装荷してトリチウムを製造する方法は、核融合炉へのトリチウム燃料の外部供給源の候補の1つとして注目されている。トリチウムを安全かつ効率的に製造する観点から、トリチウムの閉じ込めは重要な課題である。アルミナは気体の耐透過性に優れる物質として知られている。本研究では、市販のアルミナチューブを用いて水素透過試験を行い、水素の透過率、拡散係数及び溶解度を評価した。得られたデータを用いて、アルミナ被覆を施したリチウム化合物粒子からの水素の透過挙動シミュレーション計算を行った。また、ジルコニウム中の水素の挙動に係わる文献値を用いて、アルミナ被覆層へのジルコニウム添加の効果を検討した。500C以上の高温では、トリチウムのほぼ全量がアルミナ被覆層を透過した。しかしながら、500Cでは、微小なジルコニウム粒子をアルミナ被覆層に添加することで、トリチウムの漏れは0.67%以下に抑えることが期待できる。

Tritium production utilizing nuclear reactions by neutron and lithium in a high-temperature gas-cooled reactor is attractive for development of a fusion reactor. From viewpoints of tritium safety and production efficiency, tritium confinement technique is an important issue. It is known that alumina has high resistance for gas permeation. In this study, hydrogen permeation experiments in commercial alumina tubes were conducted and hydrogen permeability, diffusivity and solubility was evaluated. By using obtained data, tritium permeation behavior from an AlO-coated Li-compound particle was simulated. Additionally, by using literature data for hydrogen behavior in zirconium, an effect of Zr incorporation into an AlO coating on tritium permeation was discussed. It was indicated that the majority of produced tritium was released through the AlO coating above 500C. However, it is expected that total tritium leak is suppressed to below 0.67% of total tritium produced at 500C by incorporating Zr fine particles into the inside of AlO coating.