DEMOブランケット

DEMOブランケットとは、核融合発電の実証炉(DEMO)において、プラズマからの中性子・熱を処理するための炉内機器、すなわちブランケットを指す。ブランケットは炉心プラズマを囲む最内殻の部材であり、第一壁としてプラズマからの熱流束と粒子流を受け止めるとともに、リチウムを含む増殖材によって中性子とリチウムの核反応からトリチウムを増殖し、中性子の運動エネルギーを熱として回収して発電に供する。ITERで実証されるプラズマ制御技術と、商用炉の間をつなぐ最後の技術課題の一つがこのブランケットであり、トリチウム自給自足と発電用熱回収という、現行の実験装置には存在しない機能を初めて炉規模で実現しなければならない。

DEMO炉におけるブランケットの役割

核融合炉が発電所として成立するためには、燃料であるトリチウムを外部供給に頼らず炉内で賄う必要がある。トリチウムは天然にほとんど存在しないため、リチウム6の中性子捕獲反応によって炉内で生産するしかなく、この役割を担うのが増殖ブランケットである。同時に、重水素・トリチウム反応で生じる14 MeV中性子のエネルギーの大部分はブランケット内で熱に変換されるため、ブランケットは事実上炉の「ボイラー」であり、その冷却系設計が発電効率を直接左右する。

DEMO段階で特有なのは、この二つの機能が同時に、かつ長期間要求される点である。ITERでは増殖ブランケットの代わりに試験用モジュール(TBM)を数個のポートに挿入して概念実証を行うが、DEMOでは炉の全周を増殖ブランケットで覆い、トリチウム増殖比を1以上に保ちながら、数年単位の運転サイクルに耐える構造健全性を確保しなければならない。このため設計上の要求は、中性子遮蔽・熱除去・トリチウム増殖・構造支持という互いにトレードオフの関係にある機能の最適化となる。例えば増殖材を増やせば増殖比は上がるが遮蔽性能が下がり、炉の外側にある超伝導磁石や真空容器の保護に影響する。

ブランケットは通常、交換可能なセグメント(モジュール)の集合体として設計される。これは故障時や消耗時に炉を完全に解体せずに済ませるためであり、セグメント単位の信頼性と交換時間が、後述するようにプラント全体の稼働率を決める重要な設計変数となる。

ブランケット概念(HCPB、HCLL、WCLL、BIT)

欧州では長年にわたり複数のブランケット概念が並行して研究され、最終的に選定評価の対象となった代表的なものが四つある。固体増殖材を用いるのがHCPB(ヘリウム冷却ペブルベッド)で、リチウム系セラミックス(チタン酸リチウムやオルトケイ酸リチウム)の小球体充填層を増殖材とし、中性子増倍材としてベリリウムを併用する。液体増殖材を用いるのがHCLL(ヘリウム冷却リチウム鉛)とWCLL(水冷却リチウム鉛)で、いずれも増倍・増殖を兼ねる液体リチウム鉛合金(Pb-17Li)を用いる点で共通し、冷却をヘリウムガスにするか加圧水にするかが異なる。さらに、固体増殖材のペブルベッドを冷却板で挟み込むBIT(ブリーディング・インサイド・チューブ)型が欧州のセラミックス系概念として検討されてきた。

これらの概念はそれぞれ長所と課題を持つ。液体リチウム鉛系は増殖材の交換や再充填が比較的容易で磁気流体力学抵抗の管理が課題となり、固体ペブルベッド系はトリチウムの化学的安定性が高い一方、ペブル床の熱伝導と粒体の機械的挙動、ベリリウム資源の確保が課題となる。冷却材の選択も発電プラントとの整合性を左右する。水冷却は既存の発電技術と親和性が高いが、構造材との化学反応や臨界的安全上の配慮が必要であり、ヘリウム冷却は高温運転に有利だが高圧系の設計要求が厳しい。日本では固体増殖材・水冷却系を基本とする概念が検討され、韓国もヘリウム冷却セラミックス増殖材系(HCCR)のTBM計画をDEMOを見据えて推進してきた。このように各国で概念が異なるのは、単に技術的優劣ではなく、各国の産業基盤・資源・安全規制への適合性を反映したものである。

トリチウム増殖と中性子学

増殖ブランケット設計の中心指標はトリチウム増殖比(TBR)、すなわち消費したトリチウムに対して炉内で再生産される割合であり、1を確実に上回ることがDEMO成立の絶対条件である。TBRは中性子学的計算によって評価されるが、その値は増殖材のリチウム6濃度、増殖材と増倍材の体積配分、第一壁・構造材・遮蔽材の厚み、ブランケットを貫く冷却系や支持構造の開口部など、多くの設計要因に敏感である。特に真空容器や診断機器へのアクセスのために設けられる貫通部は中性子の漏れ経路となり、局所的な増殖低下を招くため、中性子学解析は三次元詳細モデルで行われる必要がある。

トリチウムの挙動は増殖比だけでは完結しない。増殖材内で生じたトリチウムを回収するには、増殖材からの放出、キャリアガスによる輸送、回収系での抽出という一連のプロセスを設計しなければならず、その間に構造材中へ拡散・透過するトリチウム量(インベントリと透過量)は安全評価と燃料収支の両面で重要である。液体リチウム鉛系ではトリチウムの溶解度が低いため透過抑制が特に課題となり、水冷却系では冷却水中に溶け込んだトリチウムの管理が問題となる。これらの評価にはトリチウム透過・輸送の専用解析コードが用いられ、実験的には中性子源を用いた模擬ブランケット照射試験によってデータベースが整備されてきた。ただし、炉環境そのものを再現できる中性子源は現状存在せず、ITERでのTBM試験と核分裂炉・加速器中性子源による非融合試験を組み合わせた段階的資格化戦略が国際的に共有されている。

材料と製造

ブランケット構造材には、中性子照射による誘導放射能を低く抑えた低活性化フェライト鋼が第一候補として開発されてきた。オーステナイト系ステンレス鋼と異なり、8〜9%クロムを含むフェライト・マルテンサイト鋼(代表的な組成として8-9Cr-2WVTa型)はヘリウム脆化が小さく、タングステンやバナジウム、タンタルといった元素を選ぶことで照射後の廃棄物評価を改善できる。日欧の材料計画はこの鋼種の開発を最優先とし、国際エネルギー機関(IEA)の枠組みでの共同試験を通じて、工業規模で製造された材料の機械特性・照射特性データベースが構築されてきた。この鋼の設計許容応力データは、DEMOブランケットの機械設計の基礎を与える。

増殖材・増倍材側では、固体増殖材としてリチウム系セラミックスのペブル(小球)、中性子増倍材としてベリリウムが用いられる。ベリリウムは中性子との(n,2n)反応で中性子を増倍するが、資源が限られ照射による膨潤・ヘリウム生成で劣化するため、ベリリウムとバナジウムの金属間化合物であるベリリウムバナジウム(バナジウムベリリウム)をペブル材として開発し、ベリリウムの使用量削減と特性改善を図る研究が日本のDEMO計画で進められてきた。また工業規模でのチタンベリリウム(チタンベリリウム)ブロックの製造経験の蓄積も報告されている。

製造技術面では、粉末や固体の熱間等方圧加圧(HIP)による接合、異材接合、トリチウム透過障壁(構造材表面に形成してトリチウムの侵入を抑える被膜)の開発が鍵となる。ブランケットは第一壁の熱流束面、増殖領域、冷却構造を一つの部材に統合する複合構造であり、設計通りの性能を工業的品質で量産できるかどうかが、研究段階から実機段階への移行を決める。欧州ではキット研究所の関連枠組みなどでITERとDEMOを通じたブランケット製造活動が継続的に行われている。

取り付け、保守とプラント稼働率

DEMOブランケットは中性子照射による損傷と熱疲労により、運転中に交換を余儀なくされる部品である。したがって設計の初期段階から、セグメントをいかに支持し、いかに遠隔操作で脱着するかが検討されてきた。支持方式としては、キー(鍵)とピンを用いた機械的な係合構造が基本とされ、電磁力・熱荷重・地震荷重を伝達しながら、脱着可能な構造を保つことが要求される。支持部に隙間があると動的な荷重が増幅されて機械的健全性を損なうため、支持キーの隙間がブランケットに与える動的増幅係数の評価や、セグメント全体への電磁荷重分布の評価とそれに基づく構造健全性解析が行われている。プラズマ急速遮断時などに生じる電磁力はブランケット構造に大きな荷重を与えうるため、これは設計上の主要な荷重ケースの一つである。

保守性はプラント経済性に直結する。ブランケットセグメントの故障時には、当該セグメントの修理または交換が必要となり、その平均停止時間がプラント全体の稼働率を決める。欧州の四つのブランケット概念を同一の評価手法で比較した稼働率解析では、セグメント交換に要する平均停止時間を三か月と仮定した場合、概念間の稼働率の差は比較的小さく、84.3%から87.7%の範囲に収まることが示された。ただしこの絶対値は仮定や考慮した故障モードに敏感であり、概念選定の決め手というより、設計上の弱点を明らかにする指標として用いられた。遠隔保守の実現可能性を高めるため、セグメント脱着用の柔軟マニピュレータのねじ機構に基づく動特性解析など、遠隔ハンドリング機器の研究も進められている。

なお、DEMOブランケットの設計は各国のDEMO計画の枠組みで進められており、欧州では四概念の比較評価を経た選定プロセス、日本・韓国・インドではそれぞれのTBM計画と連動したモジュール設計・熱流動・熱構造解析が行われている。ブランケット概念の最終確定には、ITERでのTBM試験結果と非融合施設での材料照射データの蓄積が不可欠とされており、これらがDEMOブランケットの資格化への道筋を構成している。