資料4-2 IFMIF・EVEDA事業ヒアリング資料

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1 ELTL Title of the slide 第 2 回原型炉開発総合戦略タスクフォース会合平成 27 年 7 月 17 日 中性子源と IFMIF/ 事業の状況概要 日本原子力研究開発機構核融合研究開発部門核融合炉材料研究開発部 1

2 BA 活動 (IFMIF/ 事業延長を想定 ) 中性子源開発に向けたスケジュール概要案 DEMO ITER 概念設計活動 C&R 移行判断工学設計活動発展概念設計活動 IFMIF 原型加速器 中源ホットセル PIE 施設設計 * 建設 製作 据付試験廃棄 貯蔵施設設計 * 建設 入射器 +RFQ + 超伝導 Linac(9 MeV) 設計 * 建設 製作 据付 ( 含施設増設 ) ( 大洗 ) 試験 Li 回収 解体 洗浄等 ターゲット施設 ( 六ヶ所 ) 設計 * 建設 製作 据付 試験 ( 含一部施設増強 ) ( 含 T 回収 ) 設計 * 建設 製作 据付 試験 性子設計 * 設計 * 試験 *: 基本計画 概念設計を含む ビームオン実証試験試験 試験 連続運転 連続運転 連続運転 照射後試験 中性子源を開発 整備するメリット ITERでは材料開発にとって照射量が全く足りない 米国のVNS(FSNF) や中国のCFETRといった核融合工学試験炉は中性子源としての稼働率を稼げるかは非常に疑問 原型炉の工学設計活動初期に20 dpa 程度の照射量を稼ぐにはPost-BA 中性子源 (A-FNS) が最も近道 Post-BA 中性子源 (A-FNS) は 照射場としてだけでなく 特に遠隔保守や遮蔽設計等様々な原型炉のために必要となる工学技術実証にむけたミニチュア試験施設として意義がある 2

3 IFMIF/ 事業の工学実証試験実施内容と今後の中性子源整備に向けた課題 -IFMIF の各施設と における課題 - IFMIFの完成予想図 (IFMIF/ 事業における工学設計による ) 3 試験施設 1 加速器施設 目標 : 長時間安定に 10 MW の連続重陽子ビームを生成 六ヶ所において原型加速器初段の入射器の実証試験実施中 次の RFQ の結果がかなり中性子源の性能を左右 目標 : 核融合炉照射条件下の材料性能の工学実証データを取得するため各種試験を実施するための機器 設備を備える 大学との共同研究の下 原子炉照射による照射モジュールの温度制御システム等の実証試験を実施したが 実用レベルにするにはまだ R&D が必要 2 標的施設目標 :1 GW/m 2 のビーム入熱に耐えて大量の核融合中性子を発生 実規模試験装置での実証試験において必要となるリチウムターゲット流の実証に成功 一方で実ビーム入射下での挙動や不純物除去 保守等に課題が残る 照射試料容器 中性子 照射環境計測制御アセンブリ リチウム流 (20 m/ 秒 ) 重陽子ビーム (40 MeV, 125 max2) 3

4 IFMIF原型加速器 LIPAc の工学実証 入射器 100 kev/d 140 ma 高周波四重極加速器 (100 kev 5 MeV/125 ma) 超伝導線形加速器 (5 MeV 9 MeV/125 ma) 加速器室に据え付けられた入射器 現在実証試験中 ほ CERNとの共同で蝋付 ぼ期待通りの性能は 加工技術開発を実施 出る見通し 2015年度に搬入予定 Prototype 超伝導空洞は 日本の高圧ガス 保安法特認を得て製作を進める 輸送中の損傷リスクから日本で 4 4 の組立を検討中

5 超伝導高周波 (SRF) ライナックの開発 40 MeV まで加速する場合の構成 (IFMIF 工学設計による ) LIPAc における工学実証試験とその後に向けた課題 問題点 RFQ 超伝導ライナック等設計 製作 運転が かなり challenging あくまで Prototype であるため 中性子源に使える仕様にアップグレードする ( あるいは機器丸ごと交換する必要もあるかもしれない 特に耐放射線性の比較的低い有機物系の材料を使っている部分 / 構造や放射化度合いの高い機器 部品については交換は必須 ) 40 MeV までアップグレードするために加速器機器 ( 高エネルギービーム輸送系及び超伝導線形加速器等 ) を増設可能なよう前もって 現施設に必要な措置 ( ビームライン延長上に穴を開ける ビームダンプ周辺の作業を行えるような追加遮へいの設置等 ) を施す必要がある 5

6 核融合中性子源用の高速液体リチウム流の長期安定性を実証 2014 年 - 12 月日欧で進める国際核融合材料照射施設の工学実証活動が大きく進展 22 日プレス発表 - 背景 : 日欧で進めている核融合エネルギーの早期実現を目指す幅広いアプローチ (BA) 活動において 核融合中性子源用の高速液体リチウム流の実規模の工学実証試験を実施 核融合エネルギーの早期実現のためには核融合反応で生成する高エネルギー 高密度の中性子を模擬した環境下で核融合炉材料等の照射試験を行い評価することが重要なため 国際核融合材料照射施設 (IFMIF) の建設が様々な国によって期待 主要課題 : IFMIF では 高エネルギーに加速した重陽子ビームを 幅 260 mm 厚さ 25 mm 秒速 15 m の自由表面リチウム流に入射し 中性子を連続的に長時間発生させる必要がある リチウム流の厚さ変動を ±1mm の範囲内で保つことが必要であるが 自由表面を持つ高速の流れは不安定になりやすいことが課題であり かつ 長時間にわたる安定性能の実証が課題 研究開発成果のポイント 日欧で進めている BA 活動において 核融合中性子源用の高速液体リチウム流の世界最大リチウム流量を持つ試験装置を用いた実規模試験で 目標を上回る 1,300 時間以上の高速液体リチウム流の長期安定性を実証 核融合原型炉開発に必要となる国際核融合材料照射施設の開発を大きく前進 IFMIF 各設備の概要 最大 1 万 kw の入熱 高速液体リチウム流 凹面壁 自由表面流試験設備加速器設備除熱 中性子照射により 重陽子ビーム (40MeV) を発生材料開発標的設備秒速 15m, 厚み25mm 標的設備 ( 液体リチウムターゲット ) では 重陽子ビームとリチウムの反応で核融合反応の中性子 (14MeV) と同等な中性子を発生 液体リチウムを凹面形状の背面壁に沿って秒速 15mという高速で安定に流すことにより リチウム流内の圧力を遠心力で高めて重陽子ビームの入熱の除熱を行う 実機規模の液体リチウム流動装置 ( 高さ約 20 m 原子力機構大洗研究開発センター ) 運転時間 ( 積算 )>1,300 時間 約 20 m リチウムビーム照射領域を模擬するターゲット部の流れ液体リチウムの流路 ( 下左 ) と観察窓からの高速リチウムターゲット流の様子 ( 下右 ) 実機環境下 ( 真空度 : パスカル 温度 : 250 厚さ 25 mm 速度 : 秒速 15m) で実現された液体リチウムターゲット ( 液体リチウム流 ) の写真 ( 左下 ) と照射部 ( 想定領域 内枠で示した部分 ) での 3 次元計測結果 ( 下 ) 液体リチウムターゲット表面の 3 次元形状計測のため新たに考案 導入したレーザーを用いた計測法を導入し液体リチウムターゲットの 3 次元形状を計測 長期の運転において 定期的に計測を実施し 安定性能 (IFMIF の要求値 ( 波の変動 ±1mm 以内 )) を実証 6

7 リチウムターゲット施設としての完成度 Technology Readiness Assessment (TRA) の評価例 IFMIF のターゲット施設全システムのうち 工学実証レベルは凡そ 3 割 つまり 残っている課題 は多数 IFMIF ターゲット施設のプラントブレークダウンストラクチャー (PBS) と TRA の結果 残っている課題 を から Post BA へ引き継ぐことがまず重要 7

8 リチウムターゲット設備の構成 (IFMIF 工学設計 ) この部分は大洗のリチウム試験ループには無い Flow Diagram of Heat Removal System 8

9 40 MeV 重陽子ビーム (1GW/m 2 ) 入射による Li 流の温度変化 40 MeV D+ ビーム (1GW/m2) の入射時エネルギー ターゲットセクションの温度分布 (Li 流速 15 m/s, 中心対象面上 ) Unit: K 右図は上のD+ ビーム入射条件でのLi 流中の温度分布を示す ( ビームは中心から m < Z < mの範囲で入射 ) 最高温度はリチウム流中内でのBragg peak ( 深さ : m) の照射部最下端 (Z = ) で約 350 C Liの10-3 Paでの沸点は344 C リチウム流表面での温度は約 300 Cとなり40 Cの余裕がある ビーム オン ターゲットにおける課題 問題点 ビームの入射によるリチウム中の温度変化については予測ができている 一方で 表面から加速器 ( ビーム ) 側へのリチウムの挙動については今後真空排気系の機器等の選定を含め検討要 ビームによりもたらされる熱を除去する熱交換器 ( リチウム / 冷却材 ) の設計や 二次及び三次冷却系の適切な設計が必要 Fig. Li temperature and boiling point U 0 = 15 m/s, Y BP = m) ビーム照射下でのリチウム流れの安定性をモニターする方法及び異常発生時における安全な停止措置の確立が必要 9

10 リチウムターゲット 試験設備 ( 照射試験モジュール ) 日本の試験施設実証試験の分担 日本は高温 (~1000 ) 用照射モジュールのコンポーネントである高温用ヒーターの製作技術及び性能の評価並びにプロトタイプの工学実証及び工学設計を担当 昨年度 BR2 炉での照射試験により 電気特性に関するデータを取得 D + ビーム 高中性子束試験アセンブリ 試験設備における課題 問題点 原子炉照射による照射モジュールの温度制御システム等の実証試験を実施したが 実用レベルにするにはまだ R&D が必要 特に高度に放射化する照射試験アセンブリ 試験モジュール等の被照射機器の遠隔保守 遠隔取扱の合理的な設計 実証が必要 日本での中性子源の開発において材料照射以外 ( 例えば医療照射 RI 製造等 ) の利用形態を反映した試験設備の設計 整備が必要 高中性子束照射試験リグ #3~6: 中心リグ #1,2,7,8: 周辺リグ ( 反射体としても機能させる ) 横置型高中性子束モシ ュール用ハ ネルヒーター (600~750 で照射 ) 高中性子束試験モジュール 10

11 中性子源施設の点検 保守の課題 - 遠隔操作による点検 保守が必須 - 高度に放射化する照射モジュール ( 特に高フラックス試験モジュール ) の交換 保守については未だほとんど机上の検討しかされていない Operational State: Maintenance HFTM removal リチウムターゲットのターゲットアセンブリは最も高い中性子束にさらされるため定期的に交換が必要だが 放射性物質を含むリチウムループの保守 は難題 Preconditions: All the operations for the opening of the TC: completed A new HFTM ready for the installation in the Access Cell The robotic arm is attached to the telescopic mast arm (ACMC) All tools are available on the storage structure in the AC The plug of the TMHC has been removed Operation Electric connections are unplugged from the PCP Switch off the cooling of the HFTM Remove the He pipes from the top of the HFTM Connect the HFTM with the transfer cooling system, necessary to avoid an increase of temperature of the module due to decay heat Insert and fix the temporary structure to guide the module while is being removed or installed (Assembly Trestle) Tools Mast telescopic arm + robotic arm + interface for connectors Mast telescopic arm + robotic arm + Tools Release the HFTM from the mechanical fixation Mast telescopic arm + robotic arm +? Lift the HFTM from its position to the AC and transport the module to the CHC of the TMHC Mast telescopic arm + robotic arm Operations to be performed for the removal of the HFTM from the TC and the identification of the corresponding RH Tool. PKM connected to the main boom PB gripper TA Simulation of the operation for the installation of the lift frame for the handling of the Target Assembly BackPlate 11

12 中性子源と IFMIF/ 事業の状況概要まとめ -IFMIF/ から中性子源施設開発に向けて - 基本的な進め方 ( 案 ) ( 全体 ) 中性子源の全体的な要件 ( 利用形態 ) 仕様 ( 性能仕様 ) 等を決める から Post BA へ 残っている課題 を認識し 引き継ぐ 中性子源施設の整備を段階的に進める ( まずは Li ループと加速器を別々に ) 各段階での要件 ( 何を実現すべきか ) 仕様等を決める ( 加速器施設 ) 今後の原型加速器の試験工程を考慮し 中性子源施設の整備のために手当てすべきことを洗い出し 適宜措置しておく 原型加速器 中性子源用加速器 のアップグレード 必要な設備整備等検討 ( ターゲット設備 ) リチウム試験ループで工学実証レベルに到達した ターゲット Liループ ガス系等補助設備の実用設計 ( 放射化 遮蔽 閉じ込め等の設計 ) を実施するとともに 未成熟な純化系 遠隔保守設備等の開発 実証を早急に実施する ( 試験設備 ) 利用形態に応じた適切な試験設備の設計 遠隔保守 ( 含レスキュー ) を考慮した照射試験アセンブリの開発と実証 ( 含照射環境での実証試験 ) を行う 関係する分野 ( 特に加速器 液体金属 遠隔保守 ) の専門家の参加 支援を伴う組織作りが急務 12

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