Research on improvement of HTGR core power-density, 4; Feasibility study for a reactor core

沖田 将一朗; 水田 直紀; 高松 邦吉; 後藤 実; 吉田 克己*; 西村 洋亮*; 岡本 孝司*

Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 10 Pages, 2023/05

Adoption of SiC-matrix fuel elements in future pin-in-block type HTGR designs will enhance oxidation resistance of the fuel element in the event of the air ingress accident, one of the most worrisome accidents in HTGRs. This would eliminate the need for the graphite sleeves used in the current pin-in-block type HTGR designs and enable high power density core designs with sleeveless and direct coolable fuel structure. Such a concept itself has been suggested by Japan Atomic Energy Agency (JAEA) in the past. However, JAEA has not yet demonstrated the feasibility for a core design with the SiC-matrix fuel elements. The present work is intended to demonstrate the feasibility for a new core design upgraded from an existing conceptual core design, called HTR50S, with 50 MW thermal power and reactor outlet temperature of 750C. The new core design uses SiC-matrix fuel elements and increases the reactor power density to 1.2 times higher than the original HTR50S design. The feasibility is determined by whether the core satisfies the target values in nuclear and thermal-hydraulic designs by performing burn-up calculation with the whole core model and fuel temperature calculations. The calculation results showed that the new core design satisfied these target values on the reactor shutdown margin, the temperature coefficient of reactivity, and the maximum fuel temperature during normal operation.

Modifications to the edge radial electric field by angular momentum injection in JT-60U and their implication for pedestal transport

神谷 健作; 本多 充; 宮戸 直亮; 浦野 創; 吉田 麻衣子; 坂本 宜照; 松永 剛; 大山 直幸; 小出 芳彦; 鎌田 裕; et al.

Nuclear Fusion, 52(11), p.114010_1 - 114010_12, 2012/10

https://doi.org/10.1088/0029-5515/52/11/114010

JT-60UのNBI加熱プラズマにおけるType-I ELMy Hモードの周辺径電場構造について報告する。径電場は荷電交換分光計測による炭素イオンのトロイダル、ポロイダル及び反磁性フローの径方向の力の釣り合いから評価した。本研究では、NBIによる外部運動量入力方向を変化させた場合のType-I ELM発生直前の電場シアとイオン温度ペデスタル構造との関係に着目している。運動量入射方向に応じてトロイダル流だけでなくポロイダル流の変化が観測された。その結果、co-NBIの場合には電場シア領域が広がり、counter-NBIの場合には電場の井戸が深くなった。電流方向への運動量入射とともにイオン温度ペデスタル幅が広がる事はEBシア領域の拡大結果と矛盾しない。しかし運動量入射方向の違いによって電場シア構造が大きく異なるにもかかわらず最大イオン温度勾配には大きな変化は観測されていない。

Basic concept of JT-60SA tokamak assembly

柴沼 清; 新井 貴; 川島 寿人; 星野 克道; 星 亮; 小林 薫; 澤井 弘明; 正木 圭; 櫻井 真治; 芝間 祐介; et al.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.9, p.276 - 281, 2010/08

http://www.jspf.or.jp/JPFRS/PDF/Vol9/jpfrs2010_09-276.pdf

JT-60SAは日本とEU間の共同プロジェクト(幅広いアプローチ)の中のサテライトトカマクプロジェクトとして合意されたものであり、現在その設計と製作が精力的に進められている。JT-60SAの組立はプロジェクトを推進するうえで最も重要な課題である。JT-60SAは、真空容器,超伝導コイル(TFコイル, EFコイル, CSコイル),ダイバータなどの容器内機器,サーマルシールド,クライオスタットなどの主要機器から構成される。これらの機器を効率よく組み立てるために、トカマク本体室に組立専用のクレーン付き組立架台を設置することで、建家内クレーンとの作業分担を行う。本論文では、JT-60SASの主要機器である真空容器とTFコイルを中心に組立シナリオ及び組立シーケンスの検討、これらの作業を可能とするための専用組立冶具の概念設計について述べる。

Dynamics of ion internal transport barrier in LHD heliotron and JT-60U tokamak plasmas

居田 克巳*; 坂本 宜照; 吉沼 幹朗*; 竹永 秀信; 永岡 賢一*; 林 伸彦; 大山 直幸; 長壁 正樹*; 横山 雅之*; 舟場 久芳*; et al.

Nuclear Fusion, 49(9), p.095024_1 - 095024_9, 2009/09

https://doi.org/10.1088/0029-5515/49/9/095024

LHDヘリオトロン装置とJT-60Uトカマク装置におけるイオン系内部輸送障壁形成と不純物輸送のダイナミックスの比較について分析した。特に、両装置においてイオン温度等を測定する荷電交換分光装置の高性能化が行われ、次のような新しい知見を得ることができた。まず、内部輸送障壁の形成位置について、JT-60Uでは形成位置が外側へ拡大しつつ局在化するが、LHDではターゲットプラズマに依存して内側あるいは外側に移動する。また、不純物輸送に関しては、JT-60Uでは内向きの対流があるのに対して、LHDでは外向きの対流によって不純物ホールが形成されることを明らかにした。LHDにおいて観測された外向きの対流は、新古典理論の予想と相反しており、今後さらなる分析を行う予定である。

Transition between internal transport barriers with different temperature-profile curvatures in JT-60U tokamak plasmas

居田 克巳; 坂本 宜照; 竹永 秀信; 大山 直幸; 伊藤 公孝*; 吉沼 幹朗*; 稲垣 滋*; 小渕 隆*; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; et al.

Physical Review Letters, 101(5), p.055003_1 - 055003_4, 2008/08

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.055003

JT-60Uトカマクの負磁気シアプラズマの内部輸送障壁において、異なるイオン温度分布の空間2回微分で特徴付けられる2つの準安定状態間を自発的に遷移する現象が観測された。遷移フェーズでは、イオン温度分布の空間2回微分から評価した曲率の非対称係数が、対称曲率の場合の0.08から非対称曲率の場合の-0.43に変化する。

Overview of national centralized tokamak program; Mission, design and strategy to contribute ITER and DEMO

二宮 博正; 秋場 真人; 藤井 常幸; 藤田 隆明; 藤原 正巳*; 濱松 清隆; 林 伸彦; 細金 延幸; 池田 佳隆; 井上 信幸; et al.

Journal of the Korean Physical Society, 49, p.S428 - S432, 2006/12

現在検討が進められているJT-60のコイルを超伝導コイルに置き換える計画(トカマク国内重点化装置計画)の概要について述べる。本計画はITER及び原型炉への貢献を目指しているが、その位置づけ,目的,物理設計及び装置設計の概要,今後の計画等について示す。物理設計については、特に高い規格化ベータ値を実現するためのアスペクト比,形状因子及び臨界条件クラスのプラズマや完全非誘導電流駆動のパラメータ領域等について、装置については物理設計と整合した設計の概要について示す。

Engineering design and control scenario for steady-state high-beta operation in national centralized tokamak

土屋 勝彦; 秋場 真人; 疇地 宏*; 藤井 常幸; 藤田 隆明; 藤原 正巳*; 濱松 清隆; 橋爪 秀利*; 林 伸彦; 堀池 寛*; et al.

Fusion Engineering and Design, 81(8-14), p.1599 - 1605, 2006/02

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2005.08.066

JT-60定常高ベータ装置(トカマク国内重点化装置)は、経済的な核融合炉の実現を目指した定常高ベータプラズマ運転の実証が重要なミッションの一つである。現在、プラズマ形状及びアスペクト比について広いパラメータ領域で研究を行えるように、装置の物理的・技術的設計検討を進めている。本装置の目標とする高ベータプラズマは、自由境界MHD安定性限界を超えた領域にあるため、電子サイクロトロン加熱による新古典テアリングモードの抑制に加えて、安定化板及び容器内コイルを用いた壁不安定性モードの抑制など、さまざまなMHD不安定性の制御手法を駆使する必要がある。それらを踏まえて、今回は、高ベータと臨界条件クラスのプラズマを同時に達成できるプラズマパラメータの解析評価、及び自由境界MHD安定性限界を超えた高ベータプラズマの非誘導電流駆動制御シナリオの検討結果について報告する。また、広いパラメータ領域で定常高ベータプラズマ運転を実現させるための装置設計の現状に関して、超伝導コイル及び放射線遮へい材を中心に報告する。

NaOH水溶液中におけるステンレス鋼[SUS304]の腐食特性

吉田 英一; 矢口 勝己*; 青砥 紀身

JNC TN9400 2004-061, 42 Pages, 2004/05

JNC-TN9400-2004-061.pdf:3.78MB

ナトリウム冷却型高速炉においては、ナトリウム系統の機器配管等から微細なクラックを通じて外部雰囲気へナトリウムが微少漏えいした場合や、機器配管の補修や改善作業に伴いナトリウム系統のバウンダリを開放した場合など、ナトリウムが外部雰囲気(空気)との化学的な反応に伴い腐食性の化合物(主に水酸化ナトリウム;NaOH)を生成し、機器配管に腐食損傷を与える可能性がある。このため、腐食性化合物による機器配管材料の腐食進行状態やこれらの損傷程度を定量的に把握しておくことが、プラントの設計や保守管理の面で重要である。本実験では、代表的な構成材料であるオーステナイト・ステンレス鋼SUS304を対象に、NaOH濃度(100%NaOHを含む)及びNaOH水溶液温度をパラメータにした腐食実験を実施し、SUS304の腐食速度や腐食割れ感受性などについて検討した。これらの結果、NaOH水溶液中におけるSUS304の腐食は、NaOH濃度の影響よりも温度に依存して進行することがわかった。また、5585%NaOH水溶旅中と100%NaOH中では異なった温度依存性に区分され、見掛けの活性化エネルギーは、前者で約30kcal/mol(約125.6kJ/mol)、後者で約9kcal/mol(約37.7kJ/mol)であった。本実験で得た腐食速度は、これまでに得られているNaOH水溶液中の文献値と概ね一致していた。腐食実験における腐食形態は、いずれの条件下でも均一的な全面腐食であった。Uベンド試験片による腐食割れ実験においては、一般的なSUS304腐食割れ境界線の範囲内であるが、孔食等を起点とし複数粒界以上の深さに及ぶ貫粒割れが一部の条件下で観察された。

燃料被覆管材料の内圧クリープ特性データ集 改良オーステナイト鋼及び高Ni鋼

加藤 章一; 吉田 英一; 桜井 方*; 矢口 勝己*

JNC TN9450 2003-001, 192 Pages, 2003/03

JNC-TN9450-2003-001.pdf:11.59MB

新技術開発試験グループでは、高速炉の燃料被覆管材料について、内圧クリープ試験を長期にわたり実施してきた。本データ集は、試験データの拡充が図れたために取りまとめたものである。1万時間を越える長時間クリープ試験データやNa環境下でのクリープ試験データを有するものであり、今後の高速炉燃料被覆管材料の開発に役立つものである。 報告内容は、以下のとおりである。(1)材料及びデーア点数 : 15Cr-20Ni鋼(2ヒート) 72点 PNC1520鋼(1ヒート) 6点 14Cr-25Ni鋼(8ヒート) 56点 高Ni鋼(1ヒート) 15点 (2)試験雰囲気 : Air中、Ar中、Na中 (3)試験温度 : 600度C750度C

マンマシンシステム動特性シミュレーションシステムJACOS

吉田 一雄; 横林 正雄; 田辺 文也; 川瀬 勝美*; 古宮 明敏*

JAERI-Data/Code 2001-023, 118 Pages, 2001/08

JAERI-Data-Code-2001-023.pdf:8.65MB

JACOSは、原子力発電所の異常時における運転員の認知行動と原子炉系の挙動が影響を及ぼし合ったマンマシンシステムの挙動を模擬する計算機シミュレーションシステムである。マンマシンシステムの評価に際して、運転員の認知行動とそれに影響を受けた原子炉系の挙動に関する詳細な情報の提供を目的とする。シミュレーションシステムは、動的に結合された運転員モデルと原子炉モデルから成る。前者では、AI手法の一つである「黒板」モデルに基づく分散協調推論手法を用いた。異常への対応のための認知行動は、Rasmussenの梯子モデルを参考にした。ルールベース行動は、If-Thenタイプルールの知識表現を用いてシミュレーションした。また、知識ベース行動を模擬するために機能的知識を多層流れモデル(Multilevel Flow Modeling)で表現し、それを定性理論で探索する方法を開発した。さらに、認知特性として短期記憶での容量の限界と減衰,注意の狭窄,知識の想起の特性をモデル化した。また、原子炉モデルは、詳細熱水力解析コードRELAP5/MOD2を核として開発した。本報告書は、JACOSのマニュアルとして、第1部には両モデルの説明,第2部には、プログラムのインストールの手順,運転員モデルの知識の作成方法,シミュレーションの実施手順,結果の分析方法,第3部ではシミュレーション実行例について記す。