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From pure fusion to fusion–fission Demo tokamaks

S V Mirnov2013年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The major requirements for pure fusion tokamak reactors and tokamak-based fusion neutron sources (FNS) are analyzed together with possible paths from the present-day tokamak towards the FNS tokamak. The FNS are of interest for traditional fission reactors as a method of waste management by burning of long-lived transuranic radionuclides (minorities) and fission fuel breeding. The Russian fission community places several hard requirements on the quality of FNS suitable for the first step of the investigation program of minority burning and breeding. They are (a) a steady-state regime of neutron production (more than 80% of the operational time), (b) a neutron power flux density greater than >0.2 MW m−2, (c) a total surface integrated neutron power >10 MW. Among the different FNS projects, based on magnetically confined plasmas, only 'classical tokamak' is most likely to fulfill these requirements in the nearest future. Some of the most important improvements of the 'classical tokamak' needed for successful realization of the FNS are (1) decrease in Zeff (probably, by making use of lithium as a part of plasma-facing components), (2) He removal and closed loop DT fuel circulation, (3) increase in the energy of stationary injected neutral tritium beams up to 150–170 keV and (4) control of impurity contamination at the plasma center (probably, by local RF heating). These key issues are discussed.

日本語訳

純粋核融合トカマク炉およびトカマク型核融合中性子源(FNS)の主要な要件を、現在のトカマクからFNSトカマクへの可能な経路とともに分析する。FNSは、長寿命超ウラン核種(マイナーアクチニド)の燃焼による廃棄物管理および核分裂燃料増殖の方法として、従来の核分裂炉にとって重要である。ロシアの核分裂コミュニティは、マイナーアクチニド燃焼・増殖の調査プログラムの第一段階に適したFNSの品質に対していくつかの厳しい要件を課している。それらは、(a)定常状態の中性子生成(運転時間の80%以上)、(b)0.2 MW m−2を超える中性子出力フラックス密度、(c)10 MWを超える総表面積分中性子出力である。磁気閉じ込めプラズマに基づく様々なFNS計画の中で、「古典的トカマク」のみが近い将来にこれらの要件を満たす可能性が最も高い。FNSの実現に成功するために必要な「古典的トカマク」の最も重要な改良点は、(1)Zeffの低減(おそらくプラズマ対向材料の一部としてリチウムを利用することによる)、(2)He除去および閉ループDT循環、(3)定常入射中性子トリチウムビームのエネルギーを150–170 keVに増加、および(4)プラズマ中心部の不純物汚染の制御(おそらく局所RF加熱による)である。これらの主要な課題について議論する。

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