Neutronics analysis for fusion DEMO reactor design

核融合原型炉設計における核解析

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

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

出力1.5GWの核融合原型炉において達成目標であるトリチウムの自給自足性並びに発電実証に係わる増殖ブランケット概念を明確にするため核熱解析によるトリチウム増殖比(TBR)及び冷却配管の検討を行った。原型炉でのブランケット概念は大量生産の観点から内部構造がシンプルな概念とし、トリチウム増殖材及び中性子増倍材の使用温度を満足するよう内部構造を決定した。3次元中性子輸送計算の結果、隣り合うブランケット間のギャップ幅は2cm程度ではTBRの減少は見られないが、NBIポートのような大型ポートの場合には占有率以上にTBRが減少することが分かった。形状依存性があるTBRを正しく評価するために最新の原型炉設計に基づく3次元計算モデルによる評価を行い、トリチウム自給を満足できる事を明らかにした。また、ブランケット前方では核発熱が大きく、冷却配管の5mm程度のずれ(誤差)で運転中の材料温度が100C程度変化する。これより、配管設計には裕度を持って設計する必要があるが、TBR向上のために材料の許容温度近くで設計していた。本研究の結果より、低出力炉の場合はブランケット内部の冷却配管の配置がTBRに大きく影響しないことが分かり、ブランケット内の配管設置精度に対して裕度があることを見いだした。最後に炉内機器であるブランケット及びダイバータの交換周期に係る弾き出し損傷値、並びに保守工程及び安全性に係る運転終了後の線量率及び残量熱に関して報告する。

This paper presents neutronics analysis mainly focused on key design issues for self-sufficient tritium production based on the conceptual design study carried out for a fusion DEMO reactor in past several years, which includes new findings regarding design methodology of breeding blanket. Self-sufficient production of tritium is one of the most critical requirements for fusion reactors. We considered a fusion DEMO reactor with a major radius of about 8 m and fusion output of 1.5 GW with breeding blanket consisting of a mixed bed of LiTiO and BeTi pebbles. The net tritium breeding ratio (TBR) was estimated to be 1.15 with a three-dimensional analysis with the MCNP-5 with nuclear library of FENDL-2.1, satisfying a self-sufficient supply of tritium (net TBR1.05). Throughout the research, we found that tritium breeding capability (i.e., local TBR) of breeding blanket is less dependent on the arrangement of cooling pipe in the blanket when the neutron wall loading is lower than about 1.5 MW/m which is met in the DEMO considered. The result suggests that tolerance for the installation of cooling pipes in each blanket module will not be a critical matter. In addition, we found that a gap of about 0.02 m between neighboring blanket modules has little impact on the gross TBR.