Progress of R&D on water cooled ceramic breeder for ITER test blanket system and DEMO

河村 繕範; 谷川 尚; 廣瀬 貴規; 榎枝 幹男; 佐藤 聡; 落合 謙太郎; 今野 力; 枝尾 祐希; 林 巧; 星野 毅; et al.

Fusion Engineering and Design, 109-111(Part B), p.1637 - 1643, 2016/11

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.11.002

水冷却セラミック増殖テストブランケットモジュール(WCCB-TBM)の開発は、日本の原型炉ブランケットに向けた最も重要なステップの1つである。TBM試験と原型炉ブランケット開発に向け、モジュール製作技術、トリチウム増殖材並びに中性子増倍材ペブルの製作技術、トリチウム生成率評価ならびに構造設計活動に関する研究開発が行われている。本報告は日本の水冷却セラミック増殖ブランケット開発の最近の成果の概要について記述したものである。

深冷蒸留を用いた水素同位体分離

山西 敏彦

プラズマ・核融合学会誌, 92(1), p.21 - 25, 2016/01

AA2015-0316.pdf:0.93MB

http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2016_01/jspf2016_01-21.pdf

核融合炉トリチウム燃料システムでは、燃料としての重水素及びトリチウムの精製と、不純物としての軽水素の除去、炉で生じたトリチウム水からのトリチウムの最終的回収のために、水素同位体分離系が必要である。この水素同位体分離系では、比較的大流量の処理量を確保すると共に、軽水素中のトリチウムを低濃度にまで(環境放出レベル)下げるために高い分離係数が必要である。よって、大流量,高分離係数、両者を満たすことが可能な深冷蒸留塔が採用されている。また、深冷蒸留法は、カナダ及び韓国の重水炉において、重水からのトリチウム回収の最終プロセスとしても採用されている。ここでは、深冷蒸留塔の分離原理、これまでの研究開発状況、今後の課題について記述する。

Correlation of rates of tritium migration through porous concrete

深田 智*; 片山 一成*; 竹石 敏治*; 枝尾 祐希; 河村 繕範; 林 巧; 山西 敏彦

Fusion Science and Technology, 67(2), p.99 - 102, 2015/03

https://doi.org/10.13182/FST14-T25

What affects tritium migration through porous concrete walls coated with a hydrophobic paint is reviewed from the viewpoint of tritium safety. Being taken into consideration of multi-structural concrete composed of aggregates, sand, water and cement which contents are CaO, SiO, AlO, FeO, MgO, CaSO and so on, tritium path is discussed in terms of the HTO diffusivity and adsorption coeffcient on porous walls. Measures to predict rates of tritium leak from laboratory walls to the environment and residual tritium amounts in concrete are estimated based on previous data. Three cases of accidental or chronic tritium release to laboratory air are discussed using the diffusion-adsorption model.

Recent progress on tritium technology research and development for a fusion reactor in Japan Atomic Energy Agency

林 巧; 中村 博文; 河村 繕範; 岩井 保則; 磯部 兼嗣; 山田 正行; 鈴木 卓美; 倉田 理江; 小柳津 誠; 枝尾 祐希; et al.

Fusion Science and Technology, 67(2), p.365 - 370, 2015/03

https://doi.org/10.13182/FST14-T31

Tritium Process Laboratory (TPL) of Japan Atomic Energy Agency (JAEA) was constructed in1985, and started in 1988, in order to develop key technologies for fusion fuel cycle, and also to demonstrate safety handling technologies. TPL has a license, which can handle 9.25 PBq of tritium per day and store 22.2 PBq of total tritium. DEMO Design and R&D building was also newly constructed at Rokkasho-Aomori establishment of JAEA in 2011. This R&D building has a license, which can handle 3.7 TBq of tritium per day and store 7.4 TBq of total tritium, and also can handle other major neutron induced radioactive isotopes. Recently, our activities have been focused as follows; (1) Detritiation system R&D as an ITER task, specially for wet scrubber column development as a pilot scale; (2) Tritium tasks of DEMO R&D in the IFERC project of BA activities, such as (a) tritium accountancy, (b) tritium interactions with various materials, which will be used for DEMO, and (c) tritium durability; (3) Recovery works from the 2011 earthquake and tsunami in Tohoku Japan: This paper summarizes the above recent progress of tritium technology R&D for fusion reactor in JAEA and summarized also the lessons of learned through the recovery & maintenance work after the earthquake.

Hydrogen isotope behavior on a water-metal boundary with simultaneous transfer from and to the metal surface

林 巧; 磯部 兼嗣; 中村 博文; 小林 和容; 大矢 恭久*; 奥野 健二*; 小柳津 誠; 枝尾 祐希; 山西 敏彦

Fusion Engineering and Design, 89(7-8), p.1520 - 1523, 2014/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.03.069

トリチウムの閉じ込めは核融合炉の最も重要な安全上の課題である。特に、水冷却のトリチウム増殖ブランケットではトリチウムの冷却水への移行が重要である。そのため、1kPaの純トリチウムを封入した金属試料配管(純鉄や7ミクロン程度の金メッキを施した純鉄)を高温高圧水容器(150C, 0.8MPa)にいれ、金属側から水中及び水蒸気中に移行するトリチウムを化学形別に測定した。また、高温高圧重水(300C, 15MPa)からの各種金属配管(純鉄,純ニッケル,ステンレス鋼(SS304),金メッキ純鉄など)への重水素の移行挙動を調べ、水側から金属側への移行を確認した。今回、上記の同時移行挙動を、重水からの重水素の安定移行確認後に軽水素を試料配管内側へ導入することにより、検証した。

Penetration of tritiated water vapor through hydrophobic paints for concrete materials

枝尾 祐希; 河村 繕範; 山西 敏彦; 深田 智*

Fusion Engineering and Design, 89(9-10), p.2062 - 2065, 2014/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.02.059

防水性塗料を介したコンクリート材へのトリチウムの浸透特性の把握を目的として、エポキシ樹脂塗料及びシリコン樹脂塗料のトリチウム透過挙動を調べた。2100Bq/cmのトリチウム水蒸気に曝された各塗膜へのトリチウム透過量を測定した。室温ではトリチウムのほとんどが水蒸気形HTOとして透過した。エポキシ塗料におけるトリチウム透過は拡散律速であることがわかり、シリコン塗膜においては拡散律速ではなく透過率は時間に対して直線的な増加傾向を示した。エポキシ塗料の有効拡散係数は1.0101.810m/sと得られたが、セメントペーストに塗布した状態よりも23ケタほど大きいことが実験より分かった。したがって、エポキシ塗膜を介したセメント試料へのトリチウム透過過程においては、セメント-エポキシ界面の移動が支配的であることが示唆された。各種塗料を塗布した場合のトリチウム浸透透過挙動を理解するためには、コンクリート-塗料界面のトリチウム挙動の把握が重要である。

Investigation on degradation mechanism of ion exchange membrane immersed in highly concentrated tritiated water under the Broader Approach activities

岩井 保則; 佐藤 克美; 山西 敏彦

Fusion Engineering and Design, 89(7-8), p.1534 - 1538, 2014/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.02.018

デュポン社のナフィオンに代表されるイオン電解質膜はトリチウム水処理システムの電解セルに使用する重要な物質である。本研究ではイオン電解質膜であるナフィオンN117CS膜につき1.3810Bq/kgの高濃度トリチウム水に室温にて最長二年間浸漬させ、トリチウムベータ線による膜の劣化を観察した。高濃度トリチウム水に浸漬させた後のナフィオン膜はイオン伝導度が変化した。またラジカル反応により本来透明である膜が黄化する現象が見られた。FT-IR分析の結果、高濃度トリチウム水に浸漬させた後のナフィオン膜内に疎水性の可動性グループの形成が見られた。疎水性グループの形成により伝導度がトリチウム水浸漬後に変化したものと判断される。F NMR分析による高濃度トリチウム水に浸漬させた後のナフィオン膜の構造変化は同じ線量の線照射したものと同様であった。この結果はナフィオン膜フッ素構造の放射線による劣化において、トリチウムベータ線による劣化機構の特異性はないことを示している。

Effect of cation exchange on hydrogen adsorption property of mordenite for isotope separation

河村 繕範; 岩井 保則; 宗像 健三*; 山西 敏彦

Journal of Nuclear Materials, 442(1-3), p.S455 - S460, 2013/11

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.11.003

ゼオライトは容易にカチオンを交換し、結果として簡単に細孔径を変化させることができる。カチオン交換したモルデナイトは77K以上の温度でも比較的良い同位体分離ができたと報告されている。しかし、吸着量,吸着速度,カチオンの種類,交換比率の関係はまだ明らかにされていない。本研究ではNa-MORを出発物質としてアルカリ金属,アルカリ土類金属イオンでカチオンを交換た試料を作り、77K, 159K, 175K及び195KでのH及びDの吸着量を測定した。Li-MOR及びCa-MORの吸着量は低圧域でNa-MORより大きくなった。逆にK-MORでは小さくなった。K-MORは明らかに細孔径が小さくなっていた。アルカリ金属イオンで交換した場合、原子番号が小さい方が吸着量は大きくなるのかもしれない。

Demonstration on endurance of ion exchange membrane immersed in high-concentration tritiated water under the Broader Approach activities

岩井 保則; 佐藤 克美; 河村 繕範; 山西 敏彦

Fusion Engineering and Design, 88(9-10), p.2319 - 2322, 2013/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2013.05.051

核融合炉から発生する高濃度トリチウム水はトリチウム水処理システムにて同位体濃縮・電気分解を行ったのち、水素同位体分離システムにて燃料純度にまで高度同位体濃縮を行うことでトリチウムの閉じ込め・再利用を図る。トリチウム水処理システムでは濃縮トリチウム水の電気分解を高分子電解セルにて行う。高分子電解セルのイオン電解質膜は高濃度トリチウム水と長期間接する代表的高分子膜であり、その放射線耐久性は幅広いアプローチ活動における研究項目となっている。本報告ではイオン電解質膜であるナフィオン膜につき1.3810Bq/kgの高濃度トリチウム水に浸漬させた場合の劣化挙動を調査し、同線量の線・電子線照射結果と比較することでトリチウム線による劣化の特異性の有無を考察した。高濃度トリチウム水浸漬によるイオン電解質膜ナフィオンの劣化について機械的強度・イオン交換能とも線・電子線による同線量照射時の劣化度と同一であることを明確に示し、懸念されていたトリチウムに由来する特異的な劣化は生じないことを明らかとした。

DT中性子照射下における固体増殖材LiTiOからのトリチウム放出特性

枝尾 祐希; 河村 繕範; 落合 謙太郎; 星野 毅; 高倉 耕祐; 太田 雅之; 岩井 保則; 山西 敏彦; 今野 力

JAEA-Research 2012-040, 15 Pages, 2013/02

JAEA-Research-2012-040.pdf:1.8MB

核融合中性子源施設FNSにおいて、トリチウム増殖材のLiTiOに中性子を照射して生成したトリチウムを回収する実験を行った。核融合炉ブランケットを模擬するため、LiTiO充填容器の周囲をBeブロック及びLiTiOブロックで覆った。トリチウム生成量計算による予測値と実験値はほぼ一致した。照射容器は300Cに加熱し、パージガスとしてヘリウム,水素添加ヘリウム,水蒸気添加ヘリウム,水素及び水蒸気添加ヘリウムを選択した。生成トリチウムはHT及びHTOとして放出され、パージガス条件を変えることによりその割合が変わった。水蒸気添加ヘリウムパージでは、98%がHTOで放出された。水蒸気及び水素添加ヘリウムでは80%がHTOで放出され、このHTO放出は水蒸気との同位体交換反応により起こると考えられる。乾燥ヘリウムでは、トリチウムはほとんど放出されなかった。水素添加乾燥ヘリウムでは、6070%がHTとして放出され、このHT放出は水素との同位体交換反応により起こると考えられる。水素添加により起こる水分生成反応によって生じた水蒸気とトリチウムが交換反応を起こすため、水素添加ヘリウムでもHTOが放出された。LiTiO表面が水素による還元状態にある場合はHTOの放出は起こりにくかった。LiTiOからのトリチウム放出化学形はパージガス成分に依存し、LiTiO表面状態の影響を強く受けることが明らかになった。