AbstractThe TITAN reversed-field-pinch (RFP) fusion-reactor study has two objectives: to determine the technical feasibility and key developmental issues for an RFP fusion reactor operating at high power density; and to determine the potential economic operational, safety, and environmental features of high mass-power-density (MPD) fusion-reactor systems.Parametric system studies have been used to find cost-optimized designs. The design window for compact RFP reactors includes the range of 10–20 MW/m2. The reactors are physically small, and a potential benefit of this “compactness” is improved economics. The TITAN study adopted 18 MW/m2 in order to assess the technical feasibility and physics limits for such high-MPD reactors.The TITAN-I design is a lithium self-cooled design with a vanadium-alloy (V-3Ti-1Si) structural material. The magnetic field topology of the RFP is favorable for liquid-metal cooling. The first wall and blanket consist of single pass poloidal-flow loops aligned with the dominant poloidal magnetic field. A unique feature of the TITAN-I design is the use of the integrated-blanket-coil (IBC) concept. The lithium coolant in the blanket circuit is also used as the electrical conductor of the toroidal-field and divertor coils. A “single-piece” FPC maintenance procedure is used, in which the first wall and blanket are removed and replaced by vertical lift of the components as a single unit. This unique approach permits the complete FPC to be made of a few factory-fabricated pieces, assembled on site into a single torus, and tested to full operational conditions before installation in the reactor vault.A low-activation, low-afterheat vanadium alloy is used as the structural material throughout the FPC in order to minimize the peak temperature during accidents and to permit near-surface disposal of waste. The safety analysis indicates that the liquid-metal-cooled TITAN-I design can be classified as passively safe, without reliance on any active safety systems.The results from the TITAN study support the technical feasibility, economic incentive, and operational attractiveness of compact, high-MPD RFP reactors. Many critical issues remain to be resolved, however. The physics of confinement scaling, plasma transport and the role of the conducting shell are already major efforts in RFP research. However, the TITAN study points to three other major issues. First, operating high-power-density fusion reactors with intensely radiating plasmas is crucial. Second, the physics of toroidal-field divertors in RFPs must be examined. Third current drive by magnetic-helicity injection must be verified. The key engineering issues for the TITAN I FPC have also been defined. Future research and development will be required to meet the physics and technology requirements that are necessary for the realization of the significant potential economic and operational benefits that are possible with TITAN-like RFP reactors.
AbstractTITAN反転磁場ピンチ（RFP）核融合炉研究には2つの目的がある：高出力密度で運転するRFP核融合炉の技術的実現性と主要な開発課題を判断すること、および高質量出力密度（MPD）核融合炉システムの潜在的な経済性、運転、安全性、環境特性を判断することである。パラメトリック研究を用いてコスト最適化設計を求めてきた。コンパクトRFP炉の設計ウィンドウは10〜20 MW/m²の範囲を含む。炉は物理的に小型であり、この「コンパクト性」の潜在的な利点は経済性の向上である。TITAN研究は、このような高MPD炉の技術的実現性と物理的限界を評価するために18 MW/m²を採用した。TITAN-I設計は、バナジウム合金（V-3Ti-1Si）構造材料を用いたリチウム自己冷却設計である。RFPの磁場配位は液体金属冷却に有利である。第一壁とブランケットは、支配的なポロイダル磁場に沿った単一パスポロイダル流ループで構成される。TITAN-I設計の独自の特徴は、一体型ブランケットコイル（IBC）概念の採用である。ブランケット回路内のリチウム冷却材は、トロイダル磁場コイルおよびダイバータコイルの電気導体としても使用される。「単一部品」FPC保守手順が用いられ、第一壁とブランケットは単一ユニットとして垂直吊り上げにより取り外しおよび交換される。この独自のアプローチにより、完全なFPCを工場製造された少数の部品で製作し、現地で単一トーラスとして組み立て、原子炉格納容器への設置前に全運転条件で試験することが可能となる。低放射化・低残留発熱のバナジウム合金がFPC全体の構造材料として使用され、事故時のピーク温度を最小化し、廃棄物の浅地中処分を可能にする。安全性解析は、液体金属冷却TITAN-I設計が、いかなる能動的安全システムにも依存せず、受動的安全として分類できることを示している。TITAN研究の結果は、コンパクトで高MPDのRFP炉の技術的実現性、経済的優位性、運転上の魅力を支持するものである。しかしながら、多くの重要な課題が未解決のまま残されている。閉じ込めスケーリングの物理、プラズマ輸送、導体シェルの役割は、すでにRFP研究における主要な取り組み事項である。さらに、TITAN研究は他の3つの主要な課題を指摘している。第一に、強放射プラズマを伴う高出力密度核融合炉の運転が極めて重要である。第二に、RFPにおけるトロイダル磁場ダイバータの物理を検討する必要がある。第三に、磁気ヘリシティ入射による電流駆動を検証しなければならない。TITAN-I FPCの主要な工学的課題も定義されている。TITAN型RFP炉で可能となる有意な潜在的経済的・運転的利点を実現するために必要な物理と技術の要件を満たすには、今後の研究開発が必要である。