The limited tritium resources available for the first fusion power plants (FPPs) make fuel self-sufficiency and tritium inventory minimization leading issues in FPP design. This work builds on the model proposed by Abdou et al (2020 Nucl. Fusion61 013001), which analyzed the fuel cycle (FC) of a DEMOnstration nuclear FPP-class FPP with a time-dependent system-level model. Here, we use a modified version of their model to analyze the FC of an Affordable, Robust, Compact (ARC)-class tokamak and two versions of a Spherical Tokamak for Energy Production (STEP)-class tokamak. The ARC-class tokamak breeds tritium in a 2LiF + BeF2 liquid immersion blanket, while the STEP-class tokamak breeds tritium utilizing either a liquid-lithium blanket design or an encapsulated breeding blanket. A time-dependent system-level model is developed in Matlab Simulink® to simulate the evolution of tritium flows and tritium inventories in the FC. The main goals of this work are to assess tritium self-sufficiency of the ARC- and STEP-class designs and to determine quantitative design requirements that can be used to analyze the adequacy of a proposed FC system. These design requirements are aimed at achieving a low tritium inventory doubling time () and a low start-up inventory () while keeping the required tritium breeding ratio (TBR) as low as possible. We also consider how improvements in FC technology and POs affect TBR and . The model results show that TBR for ARC- and STEP-class FPPs should be achievable if the tritium burn efficiency (TBE) reaches 0.5%–1% (TBR1.2). This assumes significant, but attainable, improvements over current abilities. However, the model results indicate that an FPP must achieve ambitious performance targets, including FPP availability 70%, tritium processing time 4 h, and the implementation of direct internal recycling (DIR). If future research yields major improvements to achievable TBE, it may be possible to achieve tritium self-sufficiency while operating at lower availability and without implementing DIR.
最初の核融合発電所(FPPs)に利用可能なトリチウーム資源が限られているため、燃料自給自足とトリチウームインベェントリ最小化がFPP設計における主要な課題となっている。この研究は、時間依存のシステムレベルモデルを用いてDEMOnstration核融合発電所級FPPの燃料サイクル(FC)を解析した、Abdouら(2020 Nucl. Fusion61 013001)によって提案されたモデルに基づいている。ここでは、我々は彼らのモデルの修正版を用いて、Affordable, Robust, Compact (ARC)級トカマクと、Spherical Tokamak for Energy Production (STEP)級トカマクの2つのバージョンのFCを解析する。ARC級トカマクは2LiF + BeF2液体浸漬ブランケットでトリチウムを増殖し、一方STEP級トカマクは液体リチウムブランケット設計または封入型増殖ブランケットのいずれかを利用してトリチウームを増殖する。時間依存のシステムレベルモデルがMatlab Simulink®で開発され、FC内のトリチウムフローとトリチウムインベントリの時間発展をシミュレーションする。この研究の主な目的は、ARC級およびSTEP級設計のトリチウム自給自足を評価し、提案されたFCシステムの妥当性を分析するために使用できる定量的な設計要件を決定することである。これらの設計要件は、必要なトリチウム増殖比(TBR)を可能な限り低く抑えながら、低いトリチウムインベントリ倍加時間()と低い起動インベントリ()を達成することを目的としている。また、FC技術とPOの改善がTBRと に及ぼす影響も考察する。モデル結果は、トリチウム燃焼効率(TBE)が0.5%–1%（TBR1.2）に達すれば、ARC級およびSTEP級FPPのTBRは達成可能であることを示している。これは、現在の能力を超える、大幅ではあるが達成可能な改善を前提としている。しかし、モデル結果は、FPPが野心的な性能目標を達成しなければならないことを示している。すなわち、FPP稼働率70%、トリチウム処理時間4 h、そして直接内部リサイクル(DIR)の導入を含む。将来の研究が達成可能なTBEに大幅な改善をもたらすならば、より低い稼働率で運転し、DIRを導入せずにトリチウム自給自足を達成することが可能かもしれない。