AbstractThis study, called APEX, is exploring novel concepts for fusion chamber technology that can substantially improve the attractiveness of fusion energy systems. The emphasis of the study is on fundamental understanding and advancing the underlying engineering sciences, integration of the physics and engineering requirements, and enhancing innovation for the chamber technology components surrounding the plasma. The chamber technology goals in APEX include: (1) high power density capability with neutron wall load >10 MW/m2 and surface heat flux >2 MW/m2, (2) high power conversion efficiency (>40%), (3) high availability, and (4) simple technological and material constraints. Two classes of innovative concepts have emerged that offer great promise and deserve further research and development. The first class seeks to eliminate the solid “bare” first wall by flowing liquids facing the plasma. This liquid wall idea evolved during the APEX study into a number of concepts based on: (a) using liquid metals (Li or Sn–Li) or a molten salt (Flibe) as the working liquid, (b) utilizing electromagnetic, inertial and/or other types of forces to restrain the liquid against a backing wall and control the hydrodynamic flow configurations, and (c) employing a thin (∼2 cm) or thick (∼40 cm) liquid layer to remove the surface heat flux and attenuate the neutrons. These liquid wall concepts have some common features but also have widely different issues and merits. Some of the attractive features of liquid walls include the potential for: (1) high power density capability; (2) higher plasma β and stable physics regimes if liquid metals are used; (3) increased disruption survivability; (4) reduced volume of radioactive waste; (5) reduced radiation damage in structural materials; and (6) higher availability. Analyses show that not all of these potential advantages may be realized simultaneously in a single concept. However, the realization of only a subset of these advantages will result in remarkable progress toward attractive fusion energy systems. Of the many scientific and engineering issues for liquid walls, the most important are: (1) plasma–liquid interactions including both plasma–liquid surface and liquid wall–bulk plasma interactions; (2) hydrodynamic flow configuration control in complex geometries including penetrations; and (3) heat transfer at free surface and temperature control. The second class of concepts focuses on ideas for extending the capabilities, particularly the power density and operating temperature limits, of solid first walls. The most promising idea, called EVOLVE, is based on the use of a high-temperature refractory alloy (e.g. W–5% Re) with an innovative cooling scheme based on the use of the heat of vaporization of lithium. Calculations show that an evaporative system with Li at ∼1 200°C can remove the goal heat loads and result in a high power conversion efficiency. The vapor operating pressure is low, resulting in a very low operating stress in the structure. In addition, the lithium flow rate is about a factor of ten lower than that required for traditional self-cooled first wall/blanket concepts. Therefore, insulator coatings are not required. Key issues for EVOLVE include: (1) two-phase heat transfer and transport including MHD effects; (2) feasibility of fabricating entire blanket segments of W alloys; and (3) the effect of neutron irradiation on W.
この研究は、APEXと呼ばれるもので、核融合エネルギーのシステムの魅力を大幅に向上させ得る核融合炉チャンバー技術の新しい概念を探求するものである。この研究の重点は、基礎となる工学的科学の理解と進展、物理と工学の要件の統合、そしてプラズマを取り囲むチャンバー技術コンポーネントの革新の促進に置かれている。チャンバー技術の目標には、以下が含まれる：(1) 中性子壁負荷が10 MW/m²以上、表面熱流束が2 MW/m²以上という高電力密度能力、(2) 高効率の電力変換（40%以上）、(3) 高い稼働率、そして(4) 単純な技術的・材料的制約。この研究から、大きな可能性を秘め、さらなる研究開発に値する2つの革新的な概念が生まれた。第一の概念は、プラズマに面する液体を流動させることにより、固体の「裸の」第一壁を排除しようとするものである。この液体壁のアイデアは、APEX研究の過程で、以下のような多数の概念へと発展した：(a) 作動液体として液体金属（LiまたはSn–Li）または溶融塩（Flibe）を使用すること、(b) 電磁力、慣性力、その他の種類の力を利用して液体を背面壁に保持し、流体力学的な流れの構成を制御すること、(c) 薄い（約2 cm）または厚い（約40 cm）液体層を用いて表面熱流束を除去し、中性子を減衰させること。これらの液体壁の概念には共通の特徴がある一方で、大きく異なる問題点と利点も存在する。液体壁の魅力的な特徴には、以下の可能性が含まれる：(1) 高電力密度能力、(2) 液体金属を使用する場合の高いプラズマβ値と安定した物理的状態、(3) 擾乱（ディスラプション）に対する耐性の向上、(4) 放射性廃棄物の体積削減、(5) 構造材料への放射線損傷の低減、そして(6) 高い稼働率。分析によれば、これらの利点のすべてが単一の概念で同時に実現されるわけではない。しかし、これらの利点の一部だけでも実現されれば、魅力的な核融合エネルギーシステムへの顕著な進歩がもたらされるだろう。液体壁に関する多くの科学的・工学的課題のうち、最も重要なものは以下の通りである：(1) プラズマと液体表面の相互作用、および液体壁とバルクプラズマの相互作用を含むプラズマ–液体相互作用、(2) 複雑な形状や貫通部を含む流れの構成における流体力学的制御、そして(3) 自由表面における熱伝達と温度制御。第二の概念は、固体第一壁の能力、特に電力密度と動作温度の限界を拡張するためのアイデアに焦点を当てたものである。最も有望なアイデアはEVOLVEと呼ばれ、リチウムの蒸発熱を利用した革新的な冷却方式と、高温用の高融点合金（例：W–5% Re）の使用に基づいている。計算によれば、約1200°Cのリチウムを用いた蒸発システムは、目標の熱負荷を除去し、高い電力変換効率をもたらすことができる。蒸気の動作圧力は低く、その結果、構造物の動作応力は非常に低くなる。さらに、リチウムの流量は、従来の自己冷却型第一壁/ブランケット概念に必要とされる流量の約10分の1である。したがって、絶縁コーティングは必要ない。EVOLVEに関する主な課題には、以下が含まれる：(1) MHD効果を含む二相流の熱伝達と輸送、(2) W合金によるブランケット全体のセグメント製造の実現可能性、そして(3) 中性子照射がWに及ぼす影響。