トリチウムの測定方法
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中性子の照射により核融合炉の燃料となるトリチウムが生成する燃料増殖材と同じ組成で物質量が既知の検定剤と、ペブル状に成形した前記検定剤を複数まとめてコーティングして内部保持するとともにこの検定剤から生成したトリチウム及びその副生成物を密封状態で保持する保持器と、を備える測定媒体を、 前記燃料増殖材を充填させた核融合炉ブランケットの内部に、パージガスが通過する状態で、シート状に形成して複数を重ねて配置するステップと、 前記中性子の照射により前記燃料増殖材及び前記検定剤において前記トリチウム及び前記副生成物を生成させるステップと、 前記測定媒体を前記核融合炉ブランケットの外部に取り出し、密封されている前記副生成物の定量分析をするステップと、を含むことを特徴とするトリチウムの測定方法。
本発明の実施形態は、核融合炉ブランケットで生成するトリチウムの測定技術に関する。
核融合炉では、以下の反応式(1)に示すように、重水素DとトリチウムTを燃料として両者を反応させることによりエネルギーを発生させる。 この燃料のうち重水素Dは自然界(海水)に多量に存在するが、トリチウムTは自然界には存在しないため、人工的に生成する必要がある。
そこで、反応式(1)で発生した中性子nを利用して以下の反応式(2a,2b)に示すように、リチウムLiを反応させてトリチウムTを生成する。 トリチウム増殖材として用いられるリチウムLiの2種類の同位体6Li,7Liは、どちらも核反応によりトリチウムTとヘリウムHeを生成する。
また、トリチウムTの増殖率を上げるために、反応式(2a,2b)の前段に以下の反応式(3)に示すような中性子増倍反応を設定する。 中性子増倍材として用いられるベリリウムBeも核反応により、ヘリウムHeを生成する。
D+T→4He(3.52 MeV)+n(14.06 MeV)+17.58 MeV (1) 6Li+n→T+4He+4.8 MeV (2a) 7Li+n→T+4He+n−2.5 MeV (2b) 9Be+n→2n+24He−2.5 MeV (3)
現在、検討が進められている核融合炉は、プラズマを閉じ込めた真空容器内で式(1)の反応を進行させ、この真空容器を取り囲み燃料増殖材であるLi及び中性子増倍材であるBe等を封入したブランケットの内部において式(3)(2a)(2b)の反応を進行させ、生成したトリチウムをHeガスパージによりブランケットから回収し燃料として使用するという循環を繰り返すことにより、核融合反応を継続させる。
ところで、核融合反応を継続させる条件として、ブランケットにおけるトリチウムTの生成量と、プラズマにおけるトリチウムTの消費量と、の比(トリチウム生成率)が1を超えることが必要である。 これまでトリチウム生成率の解析精度の検討は、燃料増殖材を封入した模擬ブランケットに、核融合中性子発生装置から発生した中性子を照射し、模擬ブランケット内で生成し滞留するトリチウムを定量分析することにより行われてきた。
佐藤聡,VERZILOV Yury,落合謙太郎,西谷健夫、「ITER テストブランケットのための核特性研究の進展」、J. Plasma Fusion Res. Vol.82, No.5 (2006)306-315
しかし、実証レベルのブランケットでは、高温になるとともに、燃料増殖材から生成したトリチウムTはHeパージガスにより連続的に回収されることになるため、生成したトリチウムTの定量分析を正確に行うことが困難である。 このため、トリチウム生成率の解析精度が低下し、ブランケットを含むその他の構成機器の設計検討に障害をもたらしていた。
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、高温かつガスパージ雰囲気の核融合炉ブランケットにおいて生成するトリチウムの定量精度を向上させる測定技術を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係るトリチウムの測定方法は、中性子の照射により核融合炉の燃料となるトリチウムが生成する燃料増殖材と同じ組成で物質量が既知の検定剤と、ペブル状に成形した前記検定剤を複数まとめてコーティングして内部保持するとともにこの検定剤から生成したトリチウム及びその副生成物を密封状態で保持する保持器と、を備える測定媒体を、前記燃料増殖材を充填させた核融合炉ブランケットの内部に、パージガスが通過する状態でシート状に形成して複数を重ねて配置するステップと、前記中性子の照射により前記燃料増殖材及び前記検定剤において前記トリチウム及び前記副生成物を生成させるステップと、前記測定媒体を前記核融合炉ブランケットの外部に取り出し、密封されている前記副生成物の定量分析をするステップと、を含むことを特徴とする。
本発明の実施形態により、高温かつガスパージ雰囲気の核融合炉ブランケットにおいて生成するトリチウムの定量精度を向上させる測定技術が提供される。
核融合炉ブランケットの部分斜視図。
(A)核融合炉ブランケットの断面図、(B)測定媒体の断面図、(C)他の例を示す測定媒体の断面図。
実施形態に係るトリチウムの測定方法のフローチャート。
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 図1に示すように核融合炉ブランケット10は、パージガス11が通過する状態で、中性子12の照射により核融合炉の燃料となるトリチウムが生成する燃料増殖材を充填している。この核融合炉ブランケット10は、核融合反応の燃料であるトリチウムを生成する機能の他に、プラズマで発生したエネルギーを熱エネルギーに変換して発電系に輸送する機能、及び貫通しようとする中性子12を遮蔽する機能を有する。 燃料増殖材は、酸化リチウム等といったリチウム化合物であって、数mm径のペブル状に成形され、充填されている間隙をヘリウムのパージガスが通過する。
そして、図2(A)の断面図に示すように、核融合炉ブランケット10には、熱エネルギーを輸送する熱媒体を循環させる循環路15と、中性子12が入射する壁側に位置しBe等の中性子増倍材が封入される第1領域16と、Li等の燃料増殖材が封入される第2領域17と、が設けられている。そして、この第2領域17には、トリチウムの測定媒体20(以下、単に「測定媒体20」という)が配置されている。
図2(B)に示すように測定媒体20は、燃料増殖材と同じ組成で物質量が既知の検定剤21を、保持器22に保持して構成される。 この保持器22は、この検定剤21を内部保持するとともに、中性子照射により検定剤21から生成したトリチウム及びその副生成物のうち少なくとも一方を密封状態で保持する。
このように測定媒体20が構成されることにより、第2領域17に封入された燃料増殖材から生成したトリチウムはパージガスとともに輸送されてしまうところ、検定剤21から生成したトリチウムは保持器22の内部に残留する。 ここで、副生成物は、燃料増殖材がリチウム化合物の場合はヘリウムが該当するが、生成したトリチウムと同当量生成するものであれば該当する。
副生成物の定量分析を行う理由は次の通りである。 質量数が小さいトリチウムは、質量数がそれよりも大きい副生成物よりも、保持器22を通過する確率が高いといえる。このため、保持器22における副生成物の残留量が、トリチウムの生成量を正確に反映しているといえる。
測定媒体20の他の形態として、図2(C)に示すように、保持器22は、ぺブル状に成形した検定剤21を複数まとめてコーティングしたものとすることもできる。 図2(C)によれば、シート状に測定媒体20を形成することができ、燃料増殖材が封入される第2領域17に、複数シートを重ねて挿入することができる。
中性子12の照射後、測定媒体20は、核融合炉ブランケット10の外部に取り出され、トリチウム又は副生成物を定量分析する装置にかけられる。 図2(B)に示す測定媒体20では、保持器22の内部に存在するガスに含有されているトリチウム又は副生成物の定量分析を実施する。図2(C)に示す測定媒体20では、保持器22に担持されているトリチウム又は副生成物の定量分析を実施する。
図3のフローチャートに基づいて実施形態に係るトリチウムの測定方法を説明する(適宜、図2参照)。 トリチウムの測定媒体20を、燃料増殖材とともに核融合炉ブランケット10の第2領域17に配置する(S11)。中性子12の照射により燃料増殖材及び検定剤21においてトリチウムを生成させる(S12)。 測定媒体20を核融合炉ブランケット10の外部に取り出し(S13)、密封されているトリチウム及びその副生成物のうち少なくとも一方の定量分析を実施する(S14)。 そして測定媒体20に保持されていた検定剤21の物質量と定量分析値とに基づいてトリチウム生成率を計算する(S15:END)。
以上述べた少なくともひとつの実施形態のトリチウムの測定媒体によれば、ブランケットに封入される燃料増殖材と同一組成の検定剤を密封保持することにより、高温かつガスパージ雰囲気の核融合炉ブランケットにおいて生成するトリチウムの定量精度を向上させることが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…核融合炉ブランケット、11…パージガス、12…中性子、15…循環路、16…第1領域、17…第2領域、20…測定媒体、21…検定剤、22…保持器。
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