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論文

Numerical analysis on ingress of coolant event in vacuum vessel using modified TRAC-BF1

栗原 良一; 安島 俊夫*; 植田 脩三; 関 泰

Journal of Nuclear Science and Technology, 38(7), p.571 - 576, 2001/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

原研では、核融合炉の冷却材侵入事象(ICE)予備実験結果をもとに、軽水炉で開発されたTRAC-BF1コードをICE事象用に改良して検証を行ってきた。本論文は、ITER実機の3次元モデルを、改良したTRAC-BF1で解析し、ITER工学設計(EDA)の安全解析標準コードであるMELCOR解析結果と比較した結果等を述べる。TRAC-BF1モデルの真空容器内初期温度、注入水の質量流量等をMELCOR解析と同一にして計算した結果、TRAC-BF1で求めた最大圧力はMELCORよりも約0.04MPa高くなったが、ITERの真空容器設計耐圧0.5MPaの範囲内であることを確認した。また、3次元解析から、0.6m$$^{2}$$の破断口は周方向4分割の内1箇所に集中させて水を注入したが、周方向4箇所にセットしたRupture Discの開口時間の差は最大3msecであり、圧力上昇挙動に影響しないことがわかった。

論文

Fracture mechanics evaluation of a crack generated in SiC/SiC composite first wall

栗原 良一; 植田 脩三; 西尾 敏; 関 泰

Fusion Engineering and Design, 54(3-4), p.465 - 471, 2001/04

 被引用回数:10 パーセンタイル:38.14(Nuclear Science & Technology)

原研で概念設計を行った将来の核融合動力炉DREAMのSiC/SiC複合材料製ブランケット第一壁を対象に有限要素解析を行った。第一壁端面で熱膨張が拘束された場合の曲げ変形と応力分布を解析した。また、第一壁表面に亀裂を想定し、予備的な破壊力学的評価を実施した。その結果、第一壁の設計では熱膨張を逃す工夫が必要であることがわかった。また、SiC/SiC複合材料では繊維ブリッジによる亀裂進展阻止効果が認められた。

報告書

核融合動力炉A-SSTR2の物理検討

西尾 敏; 牛草 健吉; 植田 脩三; Polevoi, A.*; 栗田 源一; 飛田 健次; 栗原 良一; Hu, G.; 岡田 英俊*; 村上 好樹*; et al.

JAERI-Research 2000-029, 105 Pages, 2000/10

JAERI-Research-2000-029.pdf:4.19MB

本論文は、定常トカマク核融合原型炉SSTR、コンパクトで高出力の改良型定常トカマク動力炉A-SSTR及び環境適合性を高め稼働率向上を目指した大型核融合動力炉DREAM等の設計をベースに、高い経済性、稼働率を有し環境適合性に優れた小型で大出力の高効率核融合動力炉A-SSTR2のプラズマ物理の成立性を論じたものである。JT-60で得られている実験データをもとにこれからの炉心プラズマ研究の進展を予測して、主半径6.2m、小半径1.5mでプラズマ電流が12MAの高磁場トカマクとし、規格化$$beta$$値4で4GWの核融合出力とした。超伝導コイルは高温超伝導を用いた高磁場コイルとし、最大経験磁場を23Tとした。超伝導マグネット系の簡素化及び強い電磁力支持の観点から、中心ソレノイドコイル無しの設計とするとともに、分解・保守用大型水平ポートを想定して、ポロイダル磁場コイルを装置の上下に6個の設置することとした。このような著しく簡素化されたコイル系で、プラズマの平衡、形状制御性、着火、12MAまでの非誘導電流駆動立ち上げ、ダイバータを検討し、A-SSTR2概念の成立性が明らかにされている。

論文

Composition adjustment of low activation materials for shallow land burial

関 泰; 田原 隆志*; 青木 功; 植田 脩三; 西尾 敏; 栗原 良一

Fusion Engineering and Design, 48(3-4), p.435 - 441, 2000/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:87.28(Nuclear Science & Technology)

代表的な低放射化材料であるフェライト鋼、バナジウム合金及びSiC/SiC複合材料の組成を調整することにより日本において浅地埋設できる割合を高めることを検討した。その結果、バナジウム合金はN$$_{6}$$不純物を、SiC/SiC複合材料はN不純物を減らすことによりほとんど全ての放射性廃棄物を浅地埋設できることが示された。これに対して低放射化フェライト鋼F82Hの場合には、合金成分であるWの割合を減らさないと90%の浅地埋設割合をこれ以上増やすことはできないことがわかった。

論文

Prototype tokamak fusion power reactor based on SiC/SiC composite material, focussing on easy maintenance

西尾 敏; 植田 脩三; 栗原 良一; 黒田 敏公*; 三浦 秀徳*; 迫 淳*; 高瀬 和之; 関 泰; 安達 潤一*; 山崎 誠一郎*; et al.

Fusion Engineering and Design, 48(3-4), p.271 - 279, 2000/09

 被引用回数:16 パーセンタイル:27.09(Nuclear Science & Technology)

将来の商用炉として環境安全性及び保守性に重点をおいたDREAM炉を過去にすでに提案した。そこでは材料開発の著しい進展が前提とされている。実験炉の次の原型炉の建設予定時期においては、材料は開発途上であることが想定され、そのことを前提として原型炉ドリームの概念構築を試みた。以下、検討の結果得られた主なパラメータを商用炉との比較をし、記述する。

論文

Maintenance and material aspects of DREAM reactor

植田 脩三; 西尾 敏; 山田 禮司; 関 泰; 栗原 良一; 安達 潤一*; 山崎 誠一郎*; Dream Design Team

Fusion Engineering and Design, 48(3-4), p.521 - 526, 2000/09

 被引用回数:6 パーセンタイル:55.06

核融合商用炉DREAM(核融合出力:5.5GW)と原型炉Proto-DREAM(核融合出力:1.5GW)の概念検討を行ってきた。本報はそのうちメインテナンスと材料の側面から報告したものである。炉心構造材としてSiC/SiC複合材を採用し、それと相性の良いヘリウムを冷却材とする核融合動力炉システムである。主な結論は以下の通りである。(1)低放射化材料であるSiC/SiC材料を採用したため、炉心部の線量率は10Gy/nr程度であり、保守用機器の開発が楽になる。(2)セクタ単位の引出し方式としたため、保守時間の短縮化が可能になる。(3)SiC/SiC複合材の特性は現状では、炉の要件を満たさないが、特性の改善をめざした材料開発プログラムが原研で計画された。

論文

Neutron streaming evaluation for the DREAM fusion power reactor

関 泰; 森 清治*; 西尾 敏; 植田 脩三; 栗原 良一

Journal of Nuclear Science and Technology, 37(Suppl.1), p.268 - 275, 2000/03

高い安全性、良好な環境影響、高い熱効率と稼働率を目指したDREAM炉概念を提案した。この炉のブランケットには極低放射性のSiC/SiC複合材を構造材として、化学反応性のないヘリウムガスを冷却材としている。非常に簡単な分解保守方式により高いプラント稼働率が得られ、出口温度900$$^{circ}$$Cのヘリウムガスにより50%近い熱効率を実現した。このように魅力的な炉概念ではあるが、口径80cmのヘリウム冷却管を通しての中性子ストリーミングが問題となる。中性子ストリーミングが冷却管に隣接する極低温超電導磁石におよぼす影響、ガスタービン管における被ばく線量に対する効果を調べた。その結果、冷却管をトーラスの内側に引き出す場合には、被ばく線量を十分に低くできないが、トーラスの外側に引き出す場合には、追加遮蔽を施すことにより被ばく線量を十分に低くできることを明らかにした。

論文

Control of fusion power in a steady-state tokamak reactor

栗原 良一; 西尾 敏; 植田 脩三; Polevoi, A. R.; 青木 功; 安島 俊夫*; 岡田 英俊*; 長谷川 満*; 牛草 健吉

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.3, p.553 - 557, 2000/00

商業発電炉は、日中や季節ごとの電力需要の変化に応じて炉の出力制御が可能である方が望ましい。従来、自己点火プラズマの核融合炉にとって出力制御は容易でないと考えられてきた。本論文は、将来の定常核融合動力炉において核融合出力制御が可能であることを明らかにした。原研で検討している革新的定常核融合炉A-SSTR(定格出力4.0GW)を例に、外部から容易に制御できる加熱電流駆動パワー,電子密度,プラズマ電流を変化させることにより、どの程度、核融合出力を変化させることができるか、電流駆動解析コードACCOME及び1.5D輸送コードTOPICSを用いて評価した。その結果、定格運転パラメータからプラズマ電流を25%、電子密度を38%、加熱電流駆動パワーを25%の範囲で変化させ、定格核融合出力の66%まで下げられることを明らかにした。

論文

Effect of activation cross section change on the shallow land burial fraction of low activation materials for fusion reactors

関 泰; 青木 功; 植田 脩三; 西尾 敏; 栗原 良一; 田原 隆志*

Fusion Technology, 34(3), p.353 - 357, 1998/11

核融合炉に使用される低放射化材料であるフェライト鋼、バナジウム合金、SiC複合材料の不純物を含めた構成元素の濃度が、どの程度以下であれば、照射後に浅地埋設できるかを明らかにする。その結果に基づいて、浅地埋設できる割合を増やすための元素組織を明らかにする。

論文

Safety scenario and integrated thermofluid test

関 泰; 栗原 良一; 西尾 敏; 植田 脩三; 青木 功; 安島 俊夫*; 功刀 資彰; 高瀬 和之; 柴田 光彦

Fusion Engineering and Design, 42(1-4), p.37 - 44, 1998/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:83.84(Nuclear Science & Technology)

核融合炉の真空容器には、大量のトリチウムと放射化ダストが存在すると想定される。そこで、これらの放射性物質が、異常時にどの程度の割合で可動化し、真空容器外に放出され、環境中に放出されるかを評価する必要がある。異常事象として、真空容器内の冷却材浸入事象(ICE)と真空破断事象(LOVA)が想定されており、これらに関しては、ITER工学R&Dとして個別に予備試験がなされており、事象解明と評価モデルの構築を進めている。今後は、さらにICEからLOVAへの事象進展の可能性、進展した場合の影響を評価するとともに、評価モデルの妥当性を示すために、真空容器内伝熱流動安全総合試験を計画している。本報告は、真空容器内の熱流動事象の検討結果から導出された総合試験装置の概要と試験計画を紹介する。

論文

Improved tokamak concept focusing on easy maintenance

西尾 敏; 植田 脩三; 青木 功; 栗原 良一; 黒田 敏公*; 三浦 秀徳*; 功刀 資彰; 高瀬 和之; 関 泰; 新谷 吉郎*; et al.

Fusion Engineering and Design, 41, p.357 - 364, 1998/00

 被引用回数:51 パーセンタイル:4.21(Nuclear Science & Technology)

トカマク炉は保守が困難であるとの指摘がなされており、その原因としては、以下の3つが考えられる。(1)プラズマ周辺機器に作用する電磁力。これは電磁力に耐える強固な支持機械と容易な着脱性を同時に満足することが困難なことによる。(2)保守作業中の高い放射線環境条件。このような環境下で実用に耐える材料および機器は極めて限られる。(3)トカマク装置の幾何形状の複雑さ。トカマク装置の主要機器は互いに交鎖しており、かつ機器配置が窮屈である。これを克ふくするために高アスペクトで、SiC/SiC材料を用いたトカマクを提案した。

論文

A Fusion power reactor concept using SiC/SiC composites

植田 脩三; 西尾 敏; 関 泰; 栗原 良一; 安達 潤一*; 山崎 誠一郎*; DREAM-Design-Team

Journal of Nuclear Materials, 258-263, p.1589 - 1593, 1998/00

 被引用回数:43 パーセンタイル:5.43(Materials Science, Multidisciplinary)

核融合動力炉の主要な要件として、設備利用率に直結した保守性、経済性を向上させる高い熱効率の実現、環境安全性に優れていることが挙げられる。著者らは、炉内機器の構造材料としてシリコンカーバイド複合材を採用し動力炉概念を構築することを試みた。シリコンカーバイド複合材は低放射化材料でありかつ耐熱材料でもある。また、電導率が小さい。配置に関して、プラズマ設計の要件を満たしながら保守のアクセスを良くするように全体構造を工夫した。ブランケットは、モジュール構造としトリチウム増殖率が正味で1.1が得られるよう中性子増倍材、トリチウム増殖材、遮蔽体の寸法を適正化した。その結果、保守作業は炉停止後1日から開始可能なこと、保守作業はセクター引出方式により簡単化されること、正味の熱効率は47%となること、廃棄物の観点から見ても優れていることが分かった。

論文

Molecular dynamics evaluation of self-sputtering of beryllium

植田 脩三; 逢坂 俊郎*; 桑島 聖*

Journal of Nuclear Materials, 258-263, p.713 - 718, 1998/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:43.93(Materials Science, Multidisciplinary)

分子動力学によりスパッタリング計算を行う方法は、結晶内の原子の配置の時間的変化が追える点で、直観的に把握しやすく優れている。この方法は、定性的メカニズムを把握するには有効であることが既に知られているが定量的にはどのような評価が得られるかは余り調べられていない。著者らは、核融合プラズマ対向材料であるベリリウムの自己スパッタリングを対象に分子動力学法を用いて評価し公表された他の方法による結果と比較して見た。計算は粒子数、圧力、エネルギー一定のアンサンブルを使用し、入射粒子のエネルギー、入射角度をパラメータとして実施した。その結果、以下の結論が得られた。ベリリウムの自己スパッタリング率のエネルギー依存性はBohdanskyの経験則と良く一致していた。スパッタリング率の入射角依存性は、公表されたモンテカルロ法による結果と良く一致していた。

論文

分解修理簡素化を目指した核融合動力炉「DREAMトカマク」

西尾 敏; 植田 脩三; 関 泰

電気学会原子力研究会資料, p.21 - 28, 1997/00

実証炉あるいは初期の商用炉を念頭におき、保守性と環境安全性を重視したトカマク型動力炉DREAMを提案した。その主な特徴は、以下のとおりである。(1)安定した信頼性のある運転を目指すため、プラズマ物理的には比較的保守的である。トロヨン係数は3、MHD安全係数は3とする。(2)SiC複合材の導入により保守時の放射線量を低減し、電磁石の低減にも配慮した。加えてヘリウム冷却を可能ならしめ熱効率が向上し、50%近くまで改善した。(3)トーラス体のアスペクト比を大きくしたことにより、配管系がトーラス中心部に集められ、本体まわりがシンプルになった。さらにブートストラップ電流の比率が大きくなり、所内電流比が下がった。

論文

Maintenance oriented tokamak reactor with low activation material and high aspect ratio configuration

西尾 敏; 植田 脩三; 青木 功; 黒田 敏公*; 三浦 秀徳*; 栗原 良一; 功刀 資彰; 関 泰

Fusion Energy 1996, 3, p.693 - 699, 1997/00

トカマク型核融合炉の弱点のひとつに機器構成の複雑性及び使用材料の放射化に起因して保守・修理の困難さを伴うことが指摘されている。その困難さを大幅に軽減するために極低放射化材料を使用するとともに、トーラス体を放射状に等分割し、それぞれのセクターを組立ユニットとする新たな炉概念DREAM炉を提案した。主な特徴は、(1)SiC/SiC複合材の導入により、保守時の放射線線量率を著しく低減し、さらにディスラプション時の電磁力発生を回避した。加えて、強い耐熱性故高温ヘリウム冷却が可能となり熱効率が向上した。(2)プラズマアスペクト比を大きくしたことにより、配管系をトーラス内側に引き出すことが可能となった。さらにブートストラップ電流の比率が大きくなり所内電力比が低減された。

論文

Proposal of integrated test facility for in-vessel thermofluid safety of fusion reactors

栗原 良一; 関 泰; 植田 脩三; 青木 功; 西尾 敏; 安島 俊夫*; 功刀 資彰; 高瀬 和之; 山内 通則*; 細貝 いずみ*; et al.

Journal of Fusion Energy, 16(3), p.225 - 230, 1997/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:75.39(Nuclear Science & Technology)

VDE事象や逃走電子のようなプラズマ異常は、真空容器内冷却管の多数損傷に至る可能性がある。冷却管が損傷すると冷却水が真空容器内で蒸発し、加圧を引き起こす。このような事象を冷却材侵入事象(ICE)と呼ぶ。また、ICE等による真空容器内圧上昇が起因となって、真空境界が破断する真空破断事象(LOVA)が想定される。現在までに実施してきたICE予備試験とLOVA予備試験では、これら事象の基本的メカニズムに着目した実験を行い、基礎データを得て評価コードの開発を行ってきた。総合試験では、ITERの安全審査に備え、これら評価コードの検証を行うとともに、ICEからLOVAに至る現象を総合的に試験する計画である。本論文では、現在、概念設計を進めている総合試験装置の概要及び試験の計画について紹介する。

論文

Fracture mechanics of a postulated crack in ITER vacuum vessel

栗原 良一; 植田 脩三; 多田 栄介

Fusion Technology, 30(3), p.1465 - 1469, 1996/12

核融合実験炉の真空容器は、トリチウム等の放射性物質を内蔵するため、安全上重要な機器の一つである。真空容器はトロイダル一周抵抗を高くするため、ステンレス鋼製の二重壁構造としている。二重壁内部には冷却材として水が循環しており、寿命期間中には応力腐食割れ等によって亀裂の発生が考えられる。また、冷却材侵入事象が起きると、発生した水蒸気による内圧荷重およびプラズマディスラプションによるVDE荷重が膜応力として真空容器に作用する。亀裂を有する二重壁をモデル化し、有限要素法解析コードADUNAを用いて破壊力学的検討を行った結果、3dpaまで照射され脆化した真空容器内壁に板厚の1/4深さの亀裂を想定しても、未照射材の降伏強さ程度の膜応力が作用した場合、亀裂先端のJ積分値は材料の破壊靱性値J$$_{IC}$$に比べて十分小さいことが判った。

論文

Fundamental study of a water jet injected into a vacuum vessel of fusion reactor under the ingress of coolant event

高瀬 和之; 功刀 資彰; 関 泰; 栗原 良一; 植田 脩三

Fusion Technology, 30(3(PT.2B)), p.1453 - 1458, 1996/12

核融合炉の第一壁やダイバータ等のプラズマ対向機器には、除熱のために多数の冷却水配管が組み込まれている。これら冷却水配管が何らかの理由で損傷し、配管内を流れる高温高圧水が真空容器内に噴出した場合、水が高温壁に接触して沸騰・蒸発して急激に容器内圧力が上昇することが考えられる。もし真空容器内圧力が安全装置(ラプチャーディスク)の動作時間よりも速く真空容器の耐圧値に達するならば、最悪事態として真空容器が破損することが考えられる。そこで、核融合炉の真空容器を模擬した予備実験装置を使って、真空容器内冷却材侵入事象(ICE)時の熱流動挙動を定量的に調べた。実験条件は、容器内真空度10Torr以上、容器内壁温度150~250$$^{circ}$$C、高温高圧水の温度80$$^{circ}$$C及び圧力3.5MPaである。その結果、圧力上昇速度は侵入水量に依存するものの、本実験の範囲では0.05MPa/s以下であり安全装置の動作時間を十分確保できることが分かった。また、水衝突面の温度分布から噴出水の衝突面上の影響範囲と噴出水量との関係を明らかにした。さらに、一次元の2相流計算の結果、ICE時の容器内圧力変動は数値的に予測できることを示した。

論文

国際会議報告; 16th Symposium on Fusion Engineering (SOFE '95)

植田 脩三; 菊池 満; 木村 豊秋; 功刀 資彰; 栗山 正明; 土谷 邦彦; 正木 圭; 金子 修*; 須藤 滋*; 武藤 敬*

プラズマ・核融合学会誌, 72(2), p.163 - 165, 1996/02

本シンポジウムは、2年に1度米国で開催されている核融合に関する工学・技術関係の国際会議で、第16回目となる今回(1995年)は、シカゴの南、イリノイ州シャンペーンで10月1日から5日までの5日間開催された。イリノイ大学のMiley議長の開会挨拶、米国エネルギー省(DOE)のMartinとITER所長のAymarの基調講演に始まり、8件の全体講演、70件の口頭発表と約350件のポスター発表があり、参加者数は400名以上(日本からの参加者は30数人)に上った。本件は、この会議の概要、トピックス等を報告するものである。

論文

実験炉段階を迎えつつある核融合研究開発の動向とその魅力

関 昌弘; 岸本 浩; 松田 慎三郎; 西川 雅弘*; 礒辺 倫郎*; 斉藤 正樹*; 西 正孝; 吉田 善章*; 徳田 伸二; 吉川 潔*; et al.

電気学会技術報告, 0(613), 102 Pages, 1996/00

核融合炉を発電システムとして捉える立場から、(1)既存の装置、計画中の装置、そして構想段階の将来の可能性を調査し、特に電気技術の面から核融合炉が備えるべき特性を探り、(2)今後50年以上を要する超長期的かつ巨額の予算を必要とする核融合炉の研究開発に各界の支持を維持し、若い有能な研究者の育成を継続することを目指し、研究開発の途中段階での「魅力」を再発見、再認識すること、の2点を目的とした電気学会核融合発電システム調査専門委員会(1993年6月-1996年5月)の技術報告書である。本技術報告書は、委員会での調査活動の結果得られた様々な技術情報をオムニバス形式でまとめる構成をとり、それぞれの技術分野の専門家が最新の情報に基づき論説している。

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